防止特高壓直流工程單雙極閉鎖的關鍵措施

盧亞軍，蒲瑩，馬玉龍，宋勝利，呂鵬飛

(1.國網北京經濟技術研究院，北京市 102209；2.國家電網公司，北京市 100031； 3.國家電力調度控制中心，北京市 100031)

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防止特高壓直流工程單雙極閉鎖的關鍵措施

盧亞軍1，蒲瑩1，馬玉龍1，宋勝利2，呂鵬飛3

(1.國網北京經濟技術研究院，北京市 102209；2.國家電網公司，北京市 100031； 3.國家電力調度控制中心，北京市 100031)

特高壓直流輸電工程因其輸送容量大、送電距離遠得到越來越廣泛的應用，然而，直流系統單雙極的強迫停運嚴重影響著其安全運行。針對直流系統潛在的風險，從主回路接線方式和控制保護策略等方面開展了特高壓直流輸電工程主接線方案優化、直流線路重啟動策略、金屬回線自動轉換方案、雙極中性母線差動保護動作時序和直流濾波器保護配置等研究，提出了防止特高壓直流工程單雙極閉鎖的關鍵措施。通過實時數字仿真系統對提出的措施進行了仿真分析，仿真結果及工程應用驗證了措施的有效性。研究結果對提高直流系統運行可靠性、提升直流工程成套設計水平具有實際指導意義。

特高壓直流；單雙極閉鎖；控制策略；保護時序

0 引 言

特高壓直流輸電因其具有輸送容量大、送電距離遠以及傳輸損耗低等優點，正在獲得更為廣泛的應用。當前，國家電網公司在運的±800 kV特高壓直流輸電工程有4項，額定輸送容量已由向家壩—上海特高壓直流輸電工程的6 400 MW提升至哈密南—鄭州、溪洛渡—浙西特高壓直流輸電工程的8 000 MW。根據國家電網公司的電網規劃，到2020年將建成27項特高壓直流輸電工程[1]，電壓等級將由現在的±800 kV提高至±1 100 kV，輸送容量將提升至12 000 MW甚至更高。隨著特高壓直流輸電工程電壓等級和輸送容量的不斷提升，直流系統單雙極非正常閉鎖將對兩端電網造成更加嚴重的影響。因此，減少直流系統單雙極閉鎖發生概率、提高直流系統運行可靠性正成為電網建設者不斷探索的重點研究方向。

本文在總結現有特高壓直流輸電工程技術方案的基礎上，分析可能引起直流系統單雙極閉鎖的風險，在直流主接線及控制保護策略等方面提出防止特高壓直流輸電工程單雙極閉鎖的優化措施，通過仿真分析及相關試驗驗證所提措施的可行性。

1 特高壓直流工程主接線優化研究

1.1 在運特高壓直流工程主接線方案

±800 kV特高壓直流輸電工程通常采用完整雙極接線方式，每極由2個12脈動換流器串聯構成，兩極沿中性線對稱布置[2]。在運的特高壓直流工程中中性線區域主接線如圖1所示。

圖1 特高壓直流工程中性線區域主接線

按照圖1的主接線方式，雙極中性母線差動電流的計算如式(1)所示[3]。

iDIFF=iDNE1-iDNE2-iDEL1-iDEL2-iDGND-iDME-iANE

(1)

式中:iDNE1，iDNE2分別為極1、極2中性母線回路電流；iDEL1，iDEL2分別為2條接地極線路電流；iDGND為站內接地回路電流；iDME為金屬回線電流；iANE為雙極中性線區避雷器EL支路電流。

1.2 中性線區域主接線優化

根據雙極中性母線差動電流的計算公式，整個差動共計及7個電流測點，其中iANE支路設備僅有EL避雷器，考慮到避雷器為內絕緣設備，隨著運行時間的增加存在逐漸老化的風險，當避雷器發生接地故障時，可能引起雙極中性母線差動保護動作，導致直流雙極閉鎖。

EL避雷器在直流系統大地回線運行時接入回路運行，主要用于防止接地極線路曹受雷擊[4]。因此，將EL避雷器配置于接地極線路可起到相同的保護作用。優化后的中性線區域主接線如圖2所示。

按照圖2的主接線方案，雙極中性母線差動不再涵蓋EL避雷器支路，因此有效避免了因避雷器故障引起雙極閉鎖的風險。由于EL避雷器支路電流不再計入雙極中性母線差動保護，避雷器通過泄漏電流表進行監視，因此該支路可不配置電流互感器，進一步起到節約工程投資的目的。

圖2 優化的中性線區域主接線

2 直流線路故障重啟動策略研究

±800 kV特高壓直流輸電工程每極由2個12脈動換流器串聯組成，直流系統通常具有70%降壓至額定電壓的連續調節能力[5-6]，且某一換流器是否正常均不影響另一換流器的正常運行。

在進行特高壓直流輸電工程直流線路故障重啟動策略的設計時，在兩端系統條件允許的情況下，直流雙極運行時，通常采用“兩次全壓+一次70%降壓”的重啟動策略。隨著直流輸送容量的不斷提升，直流單極閉鎖造成的功率損失也在不斷增大。增加直流線路故障重啟動的成功率，成為提高系統運行可靠性的又一重要措施[7]。基于特高壓直流輸電工程換流器的串聯結構，可在原有重啟動策略的基礎上增加單換流器重啟動措施，即直流系統采用“兩次全壓+一次70%降壓+單換流器”的重啟動策略，總的重啟動次數由3次增加至4次。為盡量縮短重啟動時間，在第3次重啟動不成功去游離時，將其中一個換流器閉鎖，第4次進行單換流器重啟。

按照上述策略對直流線路故障重啟動軟件進行修改，利用實時數字仿真系統進行直流線路故障仿真試驗，直流線路重啟動波形如圖3所示。

圖3 直流線路故障重啟動波形

以特高壓直流輸電工程單極4 000 MW運行時，直流線路發生故障為例，若3次重啟動不成功導致直流閉鎖，則損失直流功率4 000 MW；采用4次重啟動策略，考慮1.05倍額定功率的2 h過負荷能力，單換流器重啟成功后運行功率為2 100 MW，直流損失功率為1 900 MW。可見，線路故障對系統的沖擊大為降低。

3 金屬回線自動轉換方案研究

兩極對稱布置的直流輸電工程運行方式包括雙極大地回線、單極大地回線以及單極金屬回線3種典型方式。在運的特高壓直流輸電工程配有大地/金屬回線運行的手動和自動轉換功能，手動轉換由運行人員按照設計時序對開關設備進行分步操作，而自動轉換由控制軟件自動控制，但需要運行人員手動啟動大地/金屬回線轉換功能。

按照現有大地/金屬回線轉換功能的配置，直流系統雙極運行時，當一極發生故障閉鎖后，直流系統將轉為單極大地回線運行方式[8]，該運行方式下大地回路可能流入較大的直流電流，額定功率下電流達5 000 A。根據某±800 kV特高壓直流輸電工程運行經驗，當接地極電流大于1 000 A時，則會引起直流偏磁問題，在直流偏磁電流的影響下換流變壓器將發生飽和，根據換流變壓器的飽和保護定值設置，換流變壓器可能在200 s內保護動作跳閘，為此，該直流輸電工程配置了換流變隔直裝置。

為防止雙極閉鎖的發生，當一極故障閉鎖并隔離后，另一運行極可通過大地/金屬回線自動轉換的方式，由大地回線轉為金屬回線運行，金屬回線運行避免了直流偏磁問題的發生，該轉換由控制系統自行啟動，不再需要運行人員操作。一極故障閉鎖，另一極大地/金屬回線自動轉換的前提為保護動作正確且為非直流線路故障，故障極閉鎖且成功隔離。由運行人員和控制系統自動啟動的大地/金屬回線轉換啟動邏輯如圖4所示。

圖4 大地/金屬回線轉換啟動邏輯對比

采用上述大地/金屬回線自動轉換邏輯，一極故障閉鎖后，另一極自動轉為金屬回線運行，避免了大地回線大電流運行風險，有效防止了直流偏磁可能導致雙極閉鎖問題的發生。

4 直流控制保護策略優化研究

4.1 雙極中性母線差動保護

4.1.1 保護動作時序研究

雙極中性母線差動保護的目的是檢測從極中性母線到接地極線路引線之間的接地故障，典型的保護動作時序為：(1)單極運行時，報警、移相重啟以及閉鎖直流單極；(2)雙極運行時，報警、極平衡、合中性母線接地開關(neutral bus grouding switch, NBGS)以及閉鎖直流雙極。

以直流系統雙極運行為例，當雙極區發生接地故障時，若直流系統雙極平衡運行，則此時接地點無故障電流通過。若直流系統雙極不平衡運行，差動電流滿足條件后200 ms，控制系統發出極平衡指令，極平衡成功后雙極中性母線無差動電流，保護復歸；若由于控制異常或其他原因，直流系統未執行極平衡指令，則在1.2 s時保護發出合NBGS指令。

站內NBGS合閘成功后，將起到雙極中性母線故障電流的分流作用[9]，然而，由于雙極中性母線差動電流定值較低，若極平衡不成功，即使NBGS回路分流，差動電流仍然滿足動作條件，最終將導致直流雙極閉鎖。鑒于NBGS支路分流電流和故障電流均從換流站入地，合NBGS并未從根本上改變故障對直流系統運行的影響，且部分直流工程NBGS支路電流互感器(current transformer, CT)測量范圍較低，容易引起CT測量超限，更易造成雙極中性母線差動保護動作。表1為某直流工程合NBGS對雙極中性母線差動保護的影響分析。

表1 合NBGS對雙極中性母線差動保護的影響

Table 1 Influence of NBGS closing on differential protection of bipolar neutral bus

因此，通過研究合NBGS對保護的影響，取消雙極中性母線差動保護動作，合NBGS更有利于降低保護動作出口閉鎖雙極的風險。

4.1.2 保護配置及出口結果優化

±800 kV特高壓直流輸電工程保護按區域進行配置，直流部分包括換流器、單極和雙極保護，分三層配置保護主機，雙極中性母線差動保護等雙極保護動作結果為閉鎖直流雙極[10]。

為防止由于測量回路故障引起雙極中性母線差動保護動作閉鎖雙極，通過研究分析，可將雙極保護

與單極保護在硬件上統一配置，即雙極保護按極分別配置，雙極中性母線差動保護等雙極保護動作結果為閉鎖該保護所在的極，因此，雙極區的測量回路故障可導致單極閉鎖，避免了導致雙極閉鎖的風險。

4.2 NBSF順控邏輯優化研究

特高壓直流輸電工程，當中性母線轉換開關(neutral bus switch, NBS)失靈或出現圖5所示的A點接地故障時，故障極的閉鎖和隔離操作將無法隔離故障，因而配置了NBS Failure(NBSF)功能：通過合上NBGS開關分流并鉗制電位，拉開該極中性母線刀閘切除故障電流并隔離故障點，最后打開NBGS開關保持全極的正常運行。

錦屏—蘇南等±800 kV在運特高壓直流輸電工程的NBGS開關僅作為站內臨時接地使用，不具備大電流轉移能力。因此，按照上述NBSF順控邏輯，NBGS開關將無法打開，最終引起直流雙極閉鎖。為解決該問題，對NBSF順控邏輯進行優化，當故障極中性母線刀閘拉開后，健全極進行移相，將直流電流降為0，在此期間打開NBGS開關，NBGS開關打開后，健全極重啟動，恢復故障前的正常運行狀態。優化后的NBSF順控邏輯仿真驗證波形如圖6所示。

圖5 NBS開關失靈故障示意圖

圖6 NBSF順控邏輯優化仿真驗證波形

由仿真驗證波形可知，在故障極中性母線刀閘拉開后健全極進行移相，NBGS開關可成功打開，NBGS打開后健全極重啟動可恢復正常運行。

4.3 直流濾波器保護配置優化研究

直流濾波器的故障特征與運行工況和接地位置密切相關。在不同運行工況和接地位置下，故障特征表現差異較大。內部接地故障，故障點在高壓電容器上端、內部以及低端以下時表現出不一致的特征，而濾波器區外故障，如直流線路發生故障時，由于對地放電作用，濾波器回路又將流過很大的暫態電流，實際直流輸電工程中曾出現過濾波器差動保護誤動閉鎖的情況。

當前，國家電網公司在運的特高壓直流工程均取消了高壓電容器不平衡保護的跳閘功能，不平衡保護動作僅報警。不平衡保護主要考慮電容器的幾個元件或單元被擊穿而引起的電流不平衡[11]，然而，通過仿真可知，當高壓電容器內部發生接地故障時，電容器單元將承受遠超出正常值的電壓應力，具體的接地故障特性如下。

(1)越靠近電容器中點接地，不平衡電流越大；靠近電容器兩端接地，不平衡電流逐漸減小。

(2)隨著接地故障點下移，故障期間每個高壓電容元件承受的電壓逐漸減小；故障點越往上，單個電容元件承受的電壓越高。電容器中點接地時，電容器元件及單元承受的電壓大約是正常電壓的2倍。

若不平衡保護僅報警，則高壓電容器內部接地時，電容器單元在故障期間一直承受較高電壓，此時又無其他保護跳閘，最終可能導致電容器擊穿。仿真研究表明，增設高壓電容器接地保護可起到電容器接地故障時的保護作用。

(1)電容器內部上端30%范圍內發生接地故障時，表現為差動電流大、不平衡電流小，可由直流濾波器差動保護動作，通過拉開直流濾波器高壓側隔離開關或閉鎖直流切除直流濾波器；

(2)電容器中部30%～70%范圍內發生接地故障時，表現為不平衡電流大，電容器接地保護同時判斷不平衡電流絕對值和不平衡比率，兩者同時大于保護整定值時快速切除直流濾波器；

(3)電容器內部下端30%范圍內發生接地故障時，不平衡電流較小，電容器接地保護同時判斷不平衡電流絕對值和不平衡比率，兩者同時大于保護整定值時報警或慢速切除直流濾波器。

5 結 論

(1)EL避雷器配置于接地極線路電流互感器外側，減少了雙極中性線區域設備數量，避免了由避雷器故障或該支路測量故障導致的雙極閉鎖風險。

(2)兩端系統條件允許的情況下，直流線路增加單換流器重啟功能，可增加線路重啟成功率，降低直流單極閉鎖風險。

(3)一極故障退出，另一運行極進行自動大地/金屬回線轉換可避免由于大地回線長時流過大電流導致的直流偏磁問題，提高運行可靠性。

(4)取消雙極中性母線差動保護，合NBGS，優化NBSF順控邏輯可避免特殊工況下直流雙極閉鎖的發生；增加直流濾波器高壓電容器接地保護有利于保護電容器設備，避免內部接地時高壓電容器擊穿。

本文研究的直流線路故障單換流器重啟策略、雙極中性母線差動保護取消合NBGS以及NBSF順控邏輯優化等措施已成功應用于哈密南—鄭州等±800 kV在運特高壓直流輸電工程；EL避雷器主接線優化、增加直流濾波器高壓電容器接地保護等措施可用來指導后續特高壓直流工程的成套設計，對降低直流系統單雙極閉鎖風險、提升成套設計水平具有重要的指導意義。

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(編輯：張小飛)

Key Measure for Monopol/Bipole Blocking in UHVDC Project

LU Yajun1, PU Ying1, MA Yulong1, SONG Shengli2, LYU Pengfei3

(1. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China; 2. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China; 3. National Electric Power Dispatch and Control Center, Beijing 100031, China)

UHVDC project has been widely applied in power system because of its high-capacity and long transmission distance. However, the forced outage of monopole/bipole in DC system seriously affects its safe operation. According to the potential risk of the DC system, this paper studied the optimization of main wiring scheme, the restart logic of DC line, the automatic transformation scheme of metallic return, the differential protection action sequence of bipolar neutral bus and the protection configuration of DC filter in UHVDC transmission projects, from aspects of main circuit wiring mode, control & protection strategy, etc. Then, the key measure was proposed to prevent monopole/bipole blocking in UHVDC transmission projects. Finally, the effectiveness of the proposed measure was verified by real-time digital simulation analysis and engineering application. The research results have the practical guidance significance to improve the reliability of DC system and the design level of DC project.

UHVDC; monopole/bipole blocking; control strategy; protection sequence

TM 722

A

1000-7229(2015)09-0117-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.019

2015-06-25

2015-08-07

盧亞軍(1982)，男，碩士，工程師，主要從事高壓/特高壓直流工程的成套設計及仿真分析方面的工作；

蒲瑩(1973)，女，博士，高級工程師，主要從事高壓直流輸電成套設計及仿真分析方面的工作;

馬玉龍(1975)，男，博士，高級工程師，主要從事高壓直流輸電成套設計及試驗研究方面的工作;

宋勝利(1975)，男，高級工程師，主要從事特高壓直流工程的建設方面的管理工作;

呂鵬飛(1979)，男，碩士，高級工程師，主要從事直流輸電系統調度運行管理方面的工作。