±800 kV特高壓直流輸電工程保護閉鎖策略分析

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(1.國家電網公司運行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000；2.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

隨著中國西部大開發和電力能源戰略的推進，集中于四川金沙江、雅礱江流域的多條特高壓直流輸電工程已逐漸投運[1-4]。華東電網通過3條特高壓直流從四川吸收電能高達2 160 MW。因此特高壓直流已經成為“西電東送”重要的電力通道。

與交流系統類似，直流系統兩端的換流閥組、直流輸電線路以及接地極系統也會由于雷擊、過壓等原因造成故障[5，6〗。

直流輸電系統在運行中發生故障，直流保護或控制系統啟動的停運稱為故障緊急停運。其操作要達到兩個目的：一是迅速切除故障點的直流電流；二是斷開交流斷路器與交流系統隔離。當直流輸電工程的一次系統出現故障時，必須以盡可能快的速度停運、隔離故障系統或設備，以保證系統和設備的安全。

然而當一次設備出現問題時，由于目前沒有可以直接切斷直流電流的斷路器，因此只能通過直流控保系統對故障元件進行隔離，通過閉鎖換流閥、投入旁通對等方式，將故障元件與正常系統進行隔離，使得故障電流降低為0。

首先對±800 kV特高壓直流輸電工程的控制保護系統在故障工況下的清除程序進行了介紹；并綜述了特高壓直流工程中常用X、Y、Z、S閉鎖的適用范圍及動作時序。其次，介紹了直流工程在兩側有無通信情況下的故障閉鎖邏輯?，F場試驗錄波驗證了邏輯的正確性。

1 特高壓直流工程故障隔離方法

1.1 特高壓直流工程故障隔離一般措施

由于直流輸電工程故障種類以及造成故障的原因很多，因此每種故障均會有自己特定的隔離方式。但一般來說，直流保護系統會利用如下一項或幾項故障清除程序清除故障。

(1)切換到備用控制系統。

(2)移相并閉鎖換流器。其中移相策略指的是改變換流閥的觸發相位。當移相用于隔離故障時，通常是將整流器的觸發角快速移動至90°以上(最終移至160°左右)，使兩端換流器均處于逆變狀態，這時直流系統中的能量(線路電感、電抗器、電容器等)將反送至交流系統，并阻止直流回路繼續導通，因此直流電流將很快衰減。

(3)換流器功率瞬降。該方式多用于再啟動保護，其控制策略為觸發角先移相使換流器至逆變狀態，當瞬降命令消失時，換流器觸發角減小直至換流器恢復至正常運行狀態。

(4)跳換流變交流側斷路器。

(5)啟動斷路器失靈保護。

(6)閉鎖交流斷路器。

(7)換流器功率回降(快速降低輸送功率至系統穩定，用于系統過負荷)。

(8)極隔離。

(9)極平衡。

(10)重合方式轉換斷路器。

(11)合中性母線接地斷路器(NBGS)。

1.2 旁通對投入在故障隔離中的作用

在故障隔離過程中，有時還會投入旁通對。旁通對的投入主要是隔離交流側和直流側。旁通對投入后與正常運行情況下對比，閥組的導通狀態如圖1所示。

圖1 旁通對投入后與正常工作時對比

當旁通對投入時，相當于將直流回路短接，這時直流電流將無法進入換流變壓器；此外如果發生閥內短路故障，投入旁通對可以將故障電流轉移到旁通對上，從而保護設備。對于特高壓工程，由于設計有高速旁路開關，直流保護的動作策略比常規直流復雜。是否投旁通對或是合上旁路開關，需視故障類型來決定。一般情況下本站故障的12 脈動換流器動作后需要移相時，對端站相應的極需要投旁通對來釋放線路上的殘余電荷，以避免重新恢復功率時出現過電壓。

通常投旁通對的策略是:收到緊急停運命令后, 保持最后在導通狀態閥的觸發脈沖, 同時發出與其同一相的另一個閥的觸發脈沖，并閉鎖其他閥的觸發脈沖。

對于部分特殊故障，由于投入旁通對時可能會造成故障電流過大，對避雷器等設備造成沖擊，因此控制系統會發“禁止投旁通對”指令。

2 特高壓直流工程4種閉鎖類型

由于直流系統故障種類較為復雜，不同的故障類型會有不同的動作組合實現故障隔離，這不同的動作組合就形成了不同的閉鎖類型。根據換流閥閉鎖的時候是否投旁通對，可以把特高壓直流保護閉鎖分為4種，定義為X、Y、Z、S閉鎖。

X閉鎖——不投旁通對閉鎖；

Y閉鎖——條件投旁通對閉鎖；

Z閉鎖——投旁通對閉鎖；

S閉鎖——特殊條件閉鎖。

上述4種閉鎖具有如下4種特點。

(1)S、X、Z、Y閉鎖，優先等級依次降低。例如：當有S閉鎖在執行過程中時，X、Z、Y閉鎖均不執行。

(2)對整流站而言，任何一種閉鎖，如果是有最后一個閥組，或者是極閉鎖，均會給換流閥下發移相指令。

(3)逆變站閉鎖必需合上旁通開關，整流站非極閉鎖或最后一個閥組閉鎖會合上旁通開關，否則不合。但Z閉鎖例外，均需合上旁通開關。

(4)如果投旁通對失敗，延時100 ms后執行X閉鎖(不投旁通對閉鎖)。

以下將對4種類型的閉鎖進行簡要介紹。

2.1 S閉鎖

S閉鎖是在閥短路電流保護以及直流差動保護中使用的，它是特高壓直流工程新增加的一種閉鎖方式。由于閥短路保護較為特殊，逆變站閥短路保護采用S閉鎖，整流站閥短路保護采用X閉鎖。S閉鎖的特殊之處在于整流站會延時30 ms閉鎖觸發脈沖。對于整流站、逆變站故障，S閉鎖的動作邏輯如表1所示。

表1 直流兩側故障時S閉鎖的動作邏輯

2.2 X閉鎖

X閉鎖通常用于閥故障，主要由閥短路所引發的保護下令觸發。同時當觸發電路出現正確選擇的旁通對沒有被投入的故障時，也會觸發X閉鎖。對于整流側的運行，閥短路會導致一個大的初始短路電流流過此閥所在的三脈動閥組中一個正常的閥。為了將此過電流限制在一個閥上，故障檢測必須足夠迅速且換流器必須要在不投旁通對的情況下閉鎖。對于逆變側的運行，閥短路不會導致大的初始短路電流。因此，沒有必要立即閉鎖換流器。為了限制短路電流的幅值，換流器將移相，即換流器將保持在最小換相裕度角直至換流器閉鎖。

對于整流站、逆變站故障，X閉鎖的動作邏輯如表2所示。

表2 直流兩側故障時X閉鎖的動作邏輯

2.3 Y閉鎖

Y閉鎖通常用于不會對設備施加嚴重壓力的直流側故障、交流側故障和極手動閉鎖。當控保系統下達Y閉鎖指令時，若整流側的直流電流在低壓限流環節所決定的限值以下，整流側將在不投旁通對的狀態下閉鎖。否則整流側將通過投旁通對閉鎖。在逆變側，換流器通過直接投逆變器的旁通對閉鎖，這點與Z閉鎖類似。在整流側，為了使電流在閉鎖前熄滅，閉鎖指令將被延遲。當對站保護動作后，通信正常的情況下，通常本站也執行Y閉鎖。

對于整流站、逆變站故障，Y閉鎖的動作邏輯如表3所示。

表3 直流兩側故障時Y閉鎖的動作邏輯

2.4 Z閉鎖

Z閉鎖通常用于接地故障或直流側的過電流故障，在換流變壓器電氣量保護與旁通開關故障保護中經常性使用。Z閉鎖無論整流站還是逆變站，總是無條件地合上旁通斷路器，而不判斷整流站是否是最后一個發閉鎖或是極閉鎖。

對于整流站、逆變站故障，Z閉鎖的動作邏輯如表4所示。

表4 直流兩側故障時Z閉鎖的動作邏輯

2.5 試驗算例

以±800 kV賓金直流調試試驗時Z閉鎖策略為例，說明特高壓直流的閉鎖邏輯策略。

圖2 整流站模擬閥組快速過流保護動作時開關量錄波圖

該試驗是利用控保系統軟件置位的方式，模擬閥組快速過流保護動作。根據控制保護系統設計說明，在該故障情況下，系統的保護動作順序如下。

(1)換流器Z閉鎖；

(2)交流斷路器跳閘；

(3)換流器隔離。

試驗開始前，賓金直流雙極運行，電流控制模式，雙極電流控制指令為500 A。在閥組快速過流保護動作后，錄波系統得到的部分模擬量信號以及開關量變位信號波形如圖2所示。

由圖2可知，當整流站模擬閥組快速過流保護動作時，保護值班系統(B系統)系統Z閉鎖。閥組控制強制移相，同時投入了旁通對以及旁通斷路器Q2。從模擬量錄波中也可以看出，保護動作后觸發角從15°左右移相至120°，同時直流電壓以及功率隨之下降至0左右，成功實現了故障隔離。

3 雙端通信狀況對直流閉鎖的影響

3.1 雙端不同通信狀態下直流閉鎖策略

正常情況下，特高壓直流整流、逆變站之間均會有通信進行信息交換。因此，當某一側換流站因為換流閥故障出現閉鎖時，其閉鎖信號會傳遞給對站。當某一側換流站接受到對站的閉鎖信號時，本站將自動進入正常Y閉鎖邏輯。

然而，如果由于光纖故障等原因導致兩側換流站通信中斷，當對站出現閉鎖時，由于本站接收不到對站的閉鎖信號，因此只能依靠自身保護進行閉鎖。

當雙端換流站通信中斷時，若整流站出現閉鎖，逆變側會進入空載運行狀態，當運行會持續一段時間后(西門子邏輯為60 s，ABB的邏輯為900 s)，自動閉鎖。在逆變側空載運行階段，逆變側的電壓控制會自動將電壓控制在允許范圍之內。若逆變側出現閉鎖，由于逆變側旁通開關的投入，對整流側而言相當于線路短路故障。因此整流側強制移相并重啟一次后自動閉鎖。

3.2 試驗算例

同樣以±800 kV賓金直流調試試驗項目為例，說明特高壓直流的閉鎖邏輯策略。

該試驗是在兩側通訊斷掉的情況下，利用控保系統軟件置位的方式，模擬逆變側閥組快速過流保護動作。

試驗開始前，賓金直流單機大地回線運行，電流控制模式，電流控制指令為500 A。在逆變側閥組快速過流保護動作后，錄波系統得到整流側的部分模擬量信號波形如圖3所示。

由圖3可知，在無通信的情況下，當逆變站模擬閥組快速過流保護動作時，直流系統電流出現突增，然后整流側觸發角強制移相至120°。強制移相發生150 ms后，直流系統重啟失敗，整流側閉鎖。該邏輯與上述邏輯相同。

圖3 逆變站模擬閥組快速過流保護動作時開關量錄波圖

4 結 論

詳細闡述了±800 kV特高壓直流輸電工程的保護閉鎖邏輯，并對兩端換流站通信對閉鎖的影響進行了分析，并通過調試試驗波形得以驗證。得到了以下結論。

(1)當直流系統出現故障時，直流保護系統采用切換備用控制系統、移相并閉鎖換流器、換流器功率瞬降、跳換流變壓器交流側斷路器、啟動斷路器失靈保護、閉鎖交流斷路器、換流器功率回降等策略對故障進行隔離。

(2)在故障隔離過程中，有時還會投入旁通對。旁通對的投入主要是隔離交流側和直流側。通常投旁通對的策略是:收到緊急停運命令后, 保持最后在導通狀態的閥的觸發脈沖, 同時發出與其同一相的另一個閥的觸發脈沖，并閉鎖其他閥的觸發脈沖。

(3)根據換流閥閉鎖的時候是否投旁通對，可以把特高壓直流保護閉鎖分為4種，定義為X、Y、Z、S閉鎖。X閉鎖為不投旁通對閉鎖、Y閉鎖為條

件閉鎖；Z閉鎖為投旁通對閉鎖；S閉鎖為特殊條件閉鎖。

(4)當雙端換流站通信中斷時，若整流站出現閉鎖，逆變側會進入空載運行狀態，當運行會持續一段時間后(西門子邏輯為60 s，ABB的邏輯為900 s)，自動閉鎖。在逆變側空載運行階段，逆變側的電壓控制會自動將電壓控制在允許范圍之內。若逆變側出現閉鎖，由于逆變側旁通開關的投入，對整流側而言相當于線路短路故障。因此整流側強制移相并重啟一次后自動閉鎖。

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