［摘 要］±800 kV 特高壓直流輸電工程是世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大的直流輸電工程，其控制保護(hù)系統(tǒng)與常規(guī)直流輸電工程相比，具有功能復(fù)雜、通訊量大、站控設(shè)備多等特點(diǎn)，使其在控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上面臨更多挑戰(zhàn)。文章介紹了±800 kV 特高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成，提出了特高壓直流保護(hù)配置原則及系統(tǒng)的控制保護(hù)功能，以保證特高壓直流輸電工程的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

［關(guān)鍵詞］±800 kV 特高壓；直流輸電；控制；保護(hù)

［中圖分類號(hào)］TM721.1 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）05–0056–03

特高壓直流輸電工程作為一種新型的遠(yuǎn)距離、大容量輸電方式，不僅具有輸電距離長(zhǎng)、輸送容量大、輸送功率高等特點(diǎn)，而且還具有抗故障能力強(qiáng)、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。而在特高壓直流輸電工程中，換流閥是核心設(shè)備，控制保護(hù)系統(tǒng)的功能對(duì)整個(gè)特高壓直流輸電工程的安全、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。隨著國(guó)家電網(wǎng)公司“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施，在特高壓直流輸電工程建設(shè)方面，國(guó)家電網(wǎng)公司與更多的國(guó)外先進(jìn)公司進(jìn)行合作，在國(guó)際上建立特高壓直流輸電工程。為了保證國(guó)內(nèi)特高壓直流輸電工程的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，需要建立一套完善、可靠、先進(jìn)的控制保護(hù)系統(tǒng)，以確保其功能的可靠性，使其滿足國(guó)際交流的要求。

1 ±800 kV特高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成

控制保護(hù)系統(tǒng)是特高壓直流輸電系統(tǒng)中的重要組成部分，主要包括直流控制保護(hù)系統(tǒng)和換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)。其中直流控制保護(hù)系統(tǒng)主要由運(yùn)行操作控制臺(tái)、監(jiān)控程序、邏輯控制單元等組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)直流設(shè)備進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)。換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)主要由運(yùn)行操作控制臺(tái)、閥驅(qū)動(dòng)裝置、閥模塊及閥控中心等組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)換流閥進(jìn)行控制。同時(shí)，換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)還包括輔助邏輯控制單元，該單元負(fù)責(zé)對(duì)閥控中心的各類指令進(jìn)行邏輯判斷，并對(duì)直流設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

2 特高壓直流保護(hù)配置原則

2.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)±800 kV 特高壓直流輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行特點(diǎn)，特高壓直流保護(hù)配置應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的要求：①考慮交流側(cè)故障對(duì)直流系統(tǒng)的影響，且直流保護(hù)與交流保護(hù)之間應(yīng)相互配合，保證直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；②為滿足輸電線路故障后系統(tǒng)恢復(fù)的需要，應(yīng)考慮采用換相失敗檢測(cè)閉鎖換流閥、提高換流閥的直流電流限值等措施；③根據(jù)特高壓直流輸電系統(tǒng)故障時(shí)交流系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障特性，以及換相失敗檢測(cè)閉鎖換流閥的方法，合理配置保護(hù)；④為保證換流閥控制策略正確執(zhí)行，應(yīng)根據(jù)換流閥故障類型及其對(duì)交流系統(tǒng)運(yùn)行的影響，合理配置相應(yīng)的保護(hù)；⑤為滿足交流側(cè)故障時(shí)對(duì)換流閥控制策略執(zhí)行的要求，應(yīng)考慮交流側(cè)故障時(shí)換流器非全相運(yùn)行情況下?lián)Q流閥閥側(cè)電流幅值、頻率及相位等參數(shù)的變化規(guī)律，合理配置相應(yīng)的保護(hù)；⑥為滿足交、直流換流站自身安全穩(wěn)定運(yùn)行需要，應(yīng)考慮直流系統(tǒng)內(nèi)部故障。

2.2 三重保護(hù)原則

為保證特高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在特高壓直流系統(tǒng)中應(yīng)用三重保護(hù)原則，即故障檢測(cè)、故障處理及故障閉鎖，其中故障處理和故障閉鎖均為實(shí)時(shí)動(dòng)作。在特高壓直流系統(tǒng)中，常規(guī)換流閥換流器、閥塔及閥組都配置有電流閉鎖保護(hù)，能夠及時(shí)檢測(cè)到線路發(fā)生的永久性單相接地故障，并切斷直流系統(tǒng)的閉鎖回路，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。但當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生永久性單相接地故障時(shí)，這些保護(hù)無法及時(shí)動(dòng)作。另外，在交流系統(tǒng)中，交流側(cè)發(fā)生永久性單相接地故障時(shí)，交流側(cè)保護(hù)和交流斷路器可以迅速動(dòng)作斷開直流系統(tǒng)的線路兩端。而在特高壓直流系統(tǒng)中，由于交流線路對(duì)直流系統(tǒng)的影響較小，交流斷路器無法及時(shí)動(dòng)作斷開直流線路兩端。三重保護(hù)原則具體是指，在第一重保護(hù)中，故障檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)出故障并通過通信網(wǎng)絡(luò)上報(bào)給后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備；在第二重保護(hù)中，故障處理裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)到故障并判斷出故障類型；在第三重保護(hù)中，故障閉鎖裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)到故障類型并在第一、二重保護(hù)動(dòng)作后迅速切除異常設(shè)備。三重保護(hù)原則的應(yīng)用能夠保證直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也能提高特高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性。

3 ±800 kV特高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的功能

3.1 換流器保護(hù)

換流器保護(hù)是直流輸電控制系統(tǒng)中最重要的保護(hù)之一，主要包括換流器過流保護(hù)、換相失敗保護(hù)、極控保護(hù)及其他輔助保護(hù)。換相失敗保護(hù)是直流輸電控制系統(tǒng)中最重要的保護(hù)之一，其動(dòng)作的可靠性直接影響到整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。換流器過流保護(hù)主要包括直流電流過零檢測(cè)和觸發(fā)角過零檢測(cè)兩種方式。在直流電流過零檢測(cè)方面，以門限為基準(zhǔn)進(jìn)行比較。在觸發(fā)角過零檢方面，采用相角和周波差判斷。換流器的極控保護(hù)主要包括極控快速閉鎖、極控重復(fù)閉鎖及極控延時(shí)閉鎖。在極控重復(fù)閉鎖方面，采用單極閉鎖和雙極閉鎖兩種方式。極控延時(shí)閉鎖是指在發(fā)生故障時(shí)，將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)由正常方式切換到故障方式。直流線路故障和閥廳故障的繼電保護(hù)是直流輸電控制系統(tǒng)中最重要的保護(hù)之一，其決定了直流輸電控制系統(tǒng)能否快速切除故障和恢復(fù)運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生直流線路故障時(shí)，直流系統(tǒng)會(huì)向換流站發(fā)出控制命令，通過閥廳切換將直流系統(tǒng)切換到正常方式運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生閥廳故障時(shí)，則需要通過斷路器動(dòng)作切除換流器，或者通過快速換相閥組功能來切除故障。

3.2 直流母線保護(hù)

直流輸電系統(tǒng)一般分為交流和直流兩部分，交流部分的電壓等級(jí)一般為220 kV、500 kV、1 000 kV，直流部分的電壓等級(jí)一般為±800 kV。直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在逆變側(cè)運(yùn)行，主要有2個(gè)換流裝置控制直流電壓，調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率輸出。直流系統(tǒng)故障時(shí)，在換流閥控制系統(tǒng)的控制下，該換流裝置將調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率輸出降低到0，以避免直流斷路器跳閘。為了避免直流線路出現(xiàn)過負(fù)荷及系統(tǒng)振蕩，通常在直流輸電線路兩端配置相應(yīng)的保護(hù)裝置。直流母線保護(hù)是指在±800 kV 特高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，其能動(dòng)作于斷路器跳閘，并控制保護(hù)裝置投入相應(yīng)的斷路器跳閘元件來切除故障。直流母線保護(hù)主要是采用距離保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、電流速斷保護(hù)及相電流差動(dòng)保護(hù)等。對(duì)于±800 kV 特高壓直流輸電工程來說，一般采用差動(dòng)保護(hù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)線路故障的切除。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，其能夠快速切除故障，避免設(shè)備的損壞。電流速斷保護(hù)是以線路兩端的電流為依據(jù)來動(dòng)作的一種保護(hù)方式。相電流差動(dòng)保護(hù)能夠快速切除線路中存在的故障，并且不會(huì)受到干擾信號(hào)的影響。此外，相電流差動(dòng)保護(hù)會(huì)將故障所產(chǎn)生的序分量和零分量一起動(dòng)作于斷路器跳閘，以達(dá)到快速切除故障的目的。

3.3 接地極線路保護(hù)

接地極線路保護(hù)由一系列保護(hù)構(gòu)成，主要有距離保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、接地電阻測(cè)量保護(hù)等。接地極線路的距離保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)是對(duì)接地極線路故障進(jìn)行定位和切除的主要依據(jù)。對(duì)于直流輸電系統(tǒng)而言，其控制保護(hù)系統(tǒng)一般以全站就地控制為基礎(chǔ)，因此接地極線路保護(hù)一般采用距離保護(hù)。但是對(duì)于±800 kV 特高壓直流輸電工程而言，其控制保護(hù)系統(tǒng)是基于分層分布式控制的設(shè)計(jì)方案，因此接地極線路的距離保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)一般采用分層分布式控制的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)直流輸電系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的暫態(tài)過程是非線性過程，因此接地極線路距離保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)需要能夠適應(yīng)這一非線性過程，并具有較強(qiáng)的抗過渡電阻能力。但是由于特高壓直流輸電工程中接地極線路一般都在地下敷設(shè)，其沿線長(zhǎng)達(dá)幾千米甚至更長(zhǎng)，因此距離保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)只能在地面布置，并需要在地面布置相應(yīng)的距離測(cè)量裝置。這些測(cè)量裝置一般由測(cè)量電纜、信號(hào)電纜及光纖組成，對(duì)地電阻可由實(shí)測(cè)電阻求得，同時(shí)為了避免與其他高壓電力設(shè)備的干擾，通常采用光纖作為通訊介質(zhì)，這種設(shè)計(jì)方案既能夠滿足線路距離和差動(dòng)保護(hù)的要求，同時(shí)也能夠保證接地極線路具有較強(qiáng)的抗過渡電阻能力。

3.4 閥連接母線保護(hù)

閥連接母線保護(hù)主要由主保護(hù)、后備保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)、電流速斷保護(hù)組成。主保護(hù)采用的是傳統(tǒng)的三段式差動(dòng)保護(hù)。閥連接母線的故障包括直流系統(tǒng)接地故障、直流系統(tǒng)交流故障、交流系統(tǒng)單相接地故障、直流系統(tǒng)單相斷線故障。斷路器失靈保護(hù)是在直流輸電系統(tǒng)出現(xiàn)斷路器失靈時(shí)，由直流輸電系統(tǒng)控制中心發(fā)出動(dòng)作命令，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的控制功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)閥連接母線的故障進(jìn)行切除。電流速斷保護(hù)是當(dāng)直流輸電系統(tǒng)出現(xiàn)單相斷線故障時(shí)，電流速斷保護(hù)會(huì)動(dòng)作切除斷線故障。當(dāng)閥連接母線出現(xiàn)斷線故障時(shí)，如果能夠及時(shí)切除斷線故障，就可以避免對(duì)閥連接母線的嚴(yán)重沖擊。然而由于直流輸電系統(tǒng)的工作原理決定了直流輸電系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生單相接地故障，因此閥連接母線的斷路器失靈保護(hù)會(huì)在直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單相斷線故障時(shí)動(dòng)作。

3.5 接地極引線雙端不平衡保護(hù)

接地極引線雙端不平衡保護(hù)是直流輸電系統(tǒng)的一種重要保護(hù)，其動(dòng)作邏輯是在直流接地極故障時(shí)，接地極引線上發(fā)生接地故障時(shí)，直流系統(tǒng)向接地極引線兩側(cè)的電容放電，電容器兩端的電壓在瞬間增大到一定值。若接地極引線上某一相發(fā)生故障，則接地極引線上的電容電流發(fā)生突變，該故障相的故障點(diǎn)就是接地極引線上的故障點(diǎn)。當(dāng)該故障點(diǎn)被接地極引線隔離后，電容電流恢復(fù)正常值。當(dāng)接地極引線上存在2個(gè)故障時(shí)，則可能會(huì)發(fā)生2個(gè)故障相電容電流不平衡的情況，此時(shí)接地極引線上的電容電流將會(huì)突變?yōu)?。此時(shí)，將接地極引線兩側(cè)的電壓降至某一給定值，使接地極引線上發(fā)生的2個(gè)故障相電容電流均為0。

4 結(jié)束語

綜上所述，控制保護(hù)系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)的核心，在整個(gè)直流輸電系統(tǒng)中具有重要的作用?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有直流故障快速保護(hù)功能，能在極短時(shí)間內(nèi)切除故障，以提高直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。此外，控制JG1+DGi6J5P7/lVEhu+jNQ6GmbFoWXNByVUgW84vhv8=保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有直流電流、直流電壓、逆變側(cè)無功功率及換流器功率等各類保護(hù)功能，控制保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具備直流接地極故障隔離及接地極引線雙端不平衡保護(hù)等各類保護(hù)功能，以保證直流輸電運(yùn)行的可靠性。

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