直流分壓器故障引起接地極斷線保護誤動的分析

朱皆悅，劉 峰，屠云良

（華北電力大學電子信息與電氣工程學院，北京 102206）

0 引言

在高壓輸電系統的直流保護配置中，雙極公共區域和極中性線區域的部分設備和保護配置一直是被關注的重點，因為這些區域的設備故障，通常不僅會引起故障極的保護動作，還會在特定條件下，導致非故障極的保護誤動，最終引起雙極閉鎖。

在換流站防止單極、雙極強迫停運的隱患排查中，重中之重是防止因單一元件故障導致的雙極強迫停運的情況發生。而華新換流站閥廳中性線直流分壓器一旦發生故障，就會引起雙極閉鎖。現從接地極斷線保護原理、直流分壓器故障可能引起閉鎖的隱患分析以及解決隱患的方法來加以論述。

1 接地極斷線保護原理

華新換流站閥廳中性線上采用SCHNEWNDT公司生產的HVR-OO型直流分壓器。2012年3月發布的《華新換流站設備運行規范》，規定其測量范圍是±90 k V，為接地極斷線保護提供中性母線電壓采集量。由于HVR-OO直流分壓器安裝在閥廳內部，使得日常巡視和維護十分不便，巡檢人員容易造成疏忽，同時對分壓器發生故障后的嚴重后果也估計不足。

直流接地極斷線保護的目的，是保護中性母線設備在接地極引線開路的情況下免受過電壓，該保護與中性母線避雷器殘壓相配合，與中性母線設備耐壓水平相匹配。

當換流站發生接地極斷線故障時，站內中性母線會因失去參考電位而升高，中性母線電流降低，此時通過判斷中性母線電壓（UDN）和中性直流母線開關電流（IDNE）是否超過定值來觸發保護動作。

1.1 保護原則

2012年3月發布的《華新換流站直流控制保護》，對保護原則解讀為：

1）長時間中性母線過電壓是接地極引線開路保護的判據。

2）如果保護檢測到中性母線電壓過高時，保護將發出閉合站內接地開關（NBGS）指令，使中性母線電壓下降。

3）如果在中性母線電壓過高的同時，流經中性母線的電流過小，這表明接地極引線開路，電流從靠近換流器的避雷器流過。

4）該保護動作為單系統直接出口，不切換系統。

1.2 動作邏輯

2012年3月發布的《華新換流站運行規程》規定的動作邏輯示意圖，如圖1所示。

1）邏輯一 UDN＞10 k V時，延時60 s合NBGS，若故障未消除則延時90 s跳閘。

2）邏輯二 UDN＞20 k V時，延時350 ms合NBGS，若故障未消除則延時450 ms跳閘。

3）邏輯三 UDN＞30 k V且IDNE＜75 A時，延時450 ms跳閘。

圖1 動作邏輯示意圖

2 直流分壓器故障隱患分析

引起接地極斷線保護動作的原因，按故障點位置一般分為站外接地極線路斷線和站內極中性母線開路兩種。

這兩種故障大多發生在直流分壓器工作在正常狀態下，但是在日常運維中，還得考慮第三種情況，即當閥廳中性線直流分壓器本身發生故障時其可能導致的后果。

2.1 站外接地極線路斷線

1）在雙極平衡運行狀態下，當發生站外接地極線路斷線時，雙極的IDNE基本不變，雙極UDN測量值均會升高，將由某極的接地極斷線保護動作經延時合上NBGS，UDN下降為0 k V，雙極繼續運行，不閉鎖。相對應的是圖1中的動作邏輯圖一或邏輯二。

2）在雙極不平衡運行狀態下，發生站外接地極線路斷線時保護動作合上NBGS，由站接地極過流保護正常閉鎖雙極。

3）在單極運行方式下，當保護動作合上NBGS后，由站內接地極過流保護動作跳閘。

2.2 站內極中性母線開路

1）在雙極運行狀態下，當任意一極的閥廳中性線直流分壓器至00102與00103刀閘之間發生任何一點開路時，換流閥中性母線側由于開路無法接地，UDN測量值必然會遠遠高于30 k V，并且由于處在開路狀態，中性直流母線開關電流IDNE小于75 A，符合圖1中邏輯三的動作條件，該故障極不合NBGS直接跳閘，另一極可繼續以單極大地回線方式運行。

2）單極運行狀態下，出現上述故障時直接單極閉鎖。

2.3 分壓器本身發生故障

當HVR-OO型直流分壓器故障使得UDN測量值升高并且超過10 k V或者20 k V時，由于此刻接地極未發生異常情況，IDNE測量值基本正常而且小于75 A，根據邏輯一或者邏輯二，此時接地極斷線保護會經相應延時合上NBGS，但由于直流分壓器故障使得UDN未能因站內接地極合上而測量值下降，仍將高于動作值，保護會繼續經延時閉鎖該極。

此時的運行狀態很快將轉為單極運行，接地極電流全部轉移到站內接地極，而單極運行狀態下的直流最小運行電流至少為300 A，使得站接地極電流（IDGND）必然超過站接地極過流保護定值的動作值。也就是說單極運行時，當IDGND＞100 A時報警，若IDGND＞200 A，則延時2 s跳閘。最終的動作結果是因站接地極過流保護閉鎖僅剩的另一個極，造成雙極閉鎖，這是典型的因單一設備故障導致的雙極強迫停運案例。

3 解決方法

3.1 遵循的原則

1）由于站內接地極開關NBGS的特殊性，出于最大限度保護站內設備和站內接地網的目的，應該盡量避免由于單極設備故障引起的保護動作合NBGS開關。

2）需要避免因更改一個邏輯而影響與其他保護的配合。

因UDN超過10 k V或者20 k V時，經過一定延時，保護出口發合上NBGS開關命令。修改前的接地極斷線保護中合NBGS開關的部分軟件圖，如圖2所示。

圖2 修改前軟件

圖中：接地極斷線保護合NBGS開關命令為ELOC＿CL＿ORD＿NBGS。信號1（CL＿NBGS＿1）：UDN大于10 k V時，合NBGS開關信號；信號2（CL＿NBGS＿2）：UDN大于20 k V時，合NBGS開關信號；信號3（ELOCP＿DEBL＿IND）：極解鎖信號。

3.2 解決方法

在保護出口前增加一個邏輯，只有當兩個極都發合上NBGS開關動作信號時（ELOC＿CL＿ORD＿NBGS＿OWN＿P和ELCO＿CL＿ORD＿NBGS＿OTH＿P），保護跳閘才出口。如圖3所示，增加了另一個極的合上NBGS開關信號并將兩個極的信號相與。

圖3 修改后軟件

3.2.1 修改后的邏輯驗證一

1）華新換流站雙極平衡運行時，當站外接地線發生斷線時，雙極UDN測量值均會升高，雙極的接地極斷線保護均會發NBGS合上命令，經相應延時合上NBGS，雙極轉為站內接地運行，雙極不閉鎖。

2）雙極不平衡運行時，兩極保護動作均合上NBGS，若不超過站極地極過流保護定值，則繼續運行；若超過定值，則由站接地極過流保護動作，正常閉鎖雙極。

3）單極運行時，該極發合上NBGS開關后由站接地極過流保護正常閉鎖。

3.2.2 修改后的邏輯驗證二

在任意一極的閥廳中性線直流分壓器至00102、00103刀閘之間任何一點開路時，UDN＞30 k V并且IDNE＜75 A，該故障極跳閘，另一極繼續運行，動作邏輯三不變。

3.2.3 修改后的邏輯驗證三

當某一極閥廳中性線直流分壓器本身發生故障時，該極UDN值雖然超過動作值，但因另一極UDN測量值正常，經與門后不會發合上NBGS開關命令，導致的結果是故障極閉鎖而另一極正常運行，這樣就避免了因單一設備故障導致的雙極強迫停運。

4 結語

在直流輸電系統中，換流站中性母線區域作為兩極的公共部分，涉及大地回線、金屬回線等運行方式的轉換，涉及的設備和測量點比較多，保護邏輯復雜，多數保護動作又為單系統不經切換直接出口，而且保護動作后果可能會影響另一極的運行，在運行和檢修過程中如果處理不當就有可能引起雙極閉鎖。

文中提及的華新換流站閥廳中性線母線HVR-OO型直流分壓器故障和與之相關的接地極斷線保護，由于動作后果涉及合上NBGS開關，而NBGS開關的合與分，包括極中性母線、雙極中性母線上的故障又較容易引起雙極閉鎖，因此還需要運維人員日常對該區域可能發生的故障及其引起的保護動作深入分析，總結經驗，以便更好地對該區域設備進行運行維護工作，采取有效措施，防止單、雙極強迫停運。