牛從直流金屬回線方式下的保護策略研究

劉俊兵　李書勇

摘要：文章從理論上分析了直流輸電系統單極金屬回線運行方式下發生線路接地故障時的各種電氣量的變化情況，并通過案例進一步驗證了正在建造的昭從直流工程在以往的直流工程上增加的51MRGF金屬回線接地保護的重啟動功能的合理性，并根據金屬回線方式運行下的故障特點提出了有關金屬回線轉大地回線的建議。

關鍵詞：直流輸電；單極金屬回線；RTDS仿真；線路接地故障；51MRGF保護 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM721 文章編號：1009-2374（2015）32-0136-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.32.073

直流輸電工程有多種運行方式可以選擇，常見的有雙極大地、單極大地和單極金屬運行方式。后兩者運行方式可以保證在一極故障或者檢修停運時仍能正常輸送功率，從而降低對整個輸電系統的影響。當單極大地長期大負荷運行時，大地中會持續流過大電流，給接地極和變壓器帶來嚴重影響。為避免這種現象發生，在直流系統需要單極長時間運行的情況下，往往采取單極金屬回線的方式運行。

1 單極金屬回線運行方式下線路接地故障分析

以溪洛渡直流輸電工程為例，在RTDS仿真系統上模擬線路接地故障，對金屬回線方式線路故障時的保護策略進行闡述和分析。

運行工況如下：回I單極金屬回線方式下穩定運行，功率為1600MW。正常運行時，極1、極2線路中流過的電流為3200A，逆變側高速接地開關接地以提供電位鉗制點，Idsg=0A。如圖1所示：

圖1 直流輸電系統簡圖

1.1 極1線路發生金屬性接地故障時的現象

回I極1單極金屬回線運行時，模擬極1線路發生金屬性接地故障。故障瞬間，由于大地電阻很小，整個逆變側極1閥組被短路，電流流過極1線路、故障接地點并經過大地、逆變站高速接地開關和極2線路構成回路。

圖2 直流輸電系統故障點圖

根據圖2分析可知：故障瞬間，由于短路原因，整流側極母線和中性母線電流突然變大，并且伴隨著線路電壓突然變小。線路保護檢測到故障，行波保護（WFPDL）和突變量保護（27du/dt）動作。

同樣，由于接地點和高速接地開關形成通路，導致逆變側整個極1閥組被短路。極母線和中性母線電流幾乎下降到0，線路電壓也大幅跌落，高速接地開關流入很大負向電流。逆變側線路保護檢測到故障，行波保護（WFPDL）和突變量保護（27du/dt）動作。整流側極控發出移相重啟命令，線路重啟成功，故障消除后，極1恢復正常狀態額定運行。

1.2 極1線路發生高阻接地故障時的現象

在以往的高肇直流、興安直流運行中均發生過上述直流系統停運事故。針對這一情況，在建的昭從直流工程中，直流線路保護增加了51MRGF保護的重啟動功能，將有效地解決金屬回線方式下高阻接地故障導致直流閉鎖的問題。

對于金屬回線上的高阻接地故障，同理，由于無主保護保護金屬回線，51MRGF保護同樣解決了高阻接地故障導致直流閉鎖的問題。

回I極2金屬回線運行方式下，模擬極1線路發生高阻接地故障。直流電壓、電流的變化不能被行波保護檢測到，但由于接地故障的存在，導致產生電流分流現象，整流、逆變兩側的直流電流將出現差值，此差值即為流過高速接地開關的負方向電流Idsg。

由于兩站的行波保護和突變量保護不動作，而逆變側Idsg很大，到達了后備保護51MRGF的定值，經過一定延時后51MRGF請求移相，并重啟動成功。這樣直流系統仍能繼續運行，消除了不必要的停運。

故障時逆變側極1電流IdL1由3200A逐漸變小到800A，Idee4也就是流入高速接地開關的電流Idsg由0逐漸變大到2400A。極2電流IdL2基本保持3200A不變，電壓UdL保持在437kV左右，線路行波保護不能檢測到故障，主保護不動作。由于高速接地開關分流的原因，故障過程中始終有IdL1+Idee4=IdL2=3200A不變，符合故障實際情況。

金屬回線接地保護51MRGF的動作方程為：

Idsg_Idee_SUM=|Idee1+Idee2+Idsg|>Iset

式中：Idee1、Idee2分別為接地引線電流，Idsg為高速接地開關電流。

直流系統正常運行時，Idee1、Idee2、Idsg均為0，51MRGF保護不會動作，而線路接地故障發生后Idsg_Idee_SUM最大時有2400A，達到定值，51MRGF保護會動作。在昭從直流工程中，51MRGF保護增加了線路重啟動功能，重啟動時間定值是200ms。而76SG保護動作閉鎖的時間定值是900ms，所以故障發生后，51MRGF保護會重啟動。而76SG保護雖然也能到達電流動作定值，但由于時間定值達不到，則不會動作。整流側移相后，經過250ms去游離，故障消除，系統重新建立電壓成功，直流恢復運行。這樣就避免了出現以往直流工程中由76SG保護動作閉鎖直流系統的事故。

2 金屬回線方式下的中性母線接地故障分析

同樣以溪洛渡直流輸電工程為例，在RTDS仿真系統上模擬中性母線F9、F15接地故障。運行工況為：回I極1金屬回線1600MW方式下穩態運行。

2.1 逆變側中性母線F9點接地故障

由于逆變側高速接地開關接地提供了電位鉗制點，逆變側中性母線電壓為0。當發生F9點接地故障時，故障點和接地開關距離很近，兩點之間的電位差為0。所以，雖然故障點和接地開關構成了短路回路，但是故障電流依然很小，對直流系統的運行影響不大，相應的保護動作定值達不到，保護不會動作。同樣，F15點故障也不會給直流系統運行帶來影響。

2.2 整流側中性母線F9點接地故障

與逆變側的故障特征不一樣，同樣是F9點接地故障，由于整流側與逆變側接地開關之間有金屬回線的線路，線路上會產生一定的電壓差，所以整流側中性母線電壓并不為0。正常運行時，UdN大約在-32kV左右。此時，如果發生F9點故障，故障點則會與逆變側高速接地開關通過大地構成短路回路。而大地電阻相比金屬回線電阻小很多，在兩點之間的電位差的作用下故障點就會流過很大短路電流。此時，整流站87DCM保護動作，閉鎖直流系統。同樣，F15點故障亦會有保護動作。

2.3 兩站中性母線接地故障對比分析

通過以上分析可以看出，同樣的故障在整流和逆變兩站的保護反應情況是不一樣的。對于整流側，由于故障特征明顯，相關保護會做出反應，而逆變側，由于故障特征不明顯，保護不會動作，直流系統仍然可以正常運行，但是這樣就產生了一個隱患。當逆變側需要由金屬回線轉入大地回線運行時，由于中性母線F9點故障的存在，導致逆變側故障點和站外接地極構成短路回路，產生很大故障電流，逆變站閥短路保護和87DCM動作，閉鎖直流系統。金屬轉大地運行失敗。所以當直流系統需要從金屬回線轉入大地回線運行時，必須在運行人員確定逆變側中性母線無接地故障時才可進行相關操作，避免直流停運的事故發生，保證直流系統能安全穩定

運行。

3 結語

本文從理論上分析了直流輸電系統單極金屬回線運行方式下發生線路接地故障時的保護動作情況，并通過搭建的RTDS仿真實驗模型，驗證了理論分析的正確性。在此基礎上，進一步驗證了牛從直流工程在以往的直流工程上增加的51MRGF金屬回線接地保護的重啟動功能的合理性和必要性。此外，根據金屬回線方式運行下的逆變側中性母線接地故障的特點，給出了有關金屬轉大地運行需要注意的事項。提出了當直流系統需要從金屬回線轉入大地回線運行時，必須在運行人員確保逆變側中性母線無接地故障時才可進行相關操作的建議，對直流輸電系統的安全可靠運行具有一定指導意義。

參考文獻

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[3] 朱韜析，候元文，王超，等.直流輸電系統單極金屬回線運行方式下線路接地故障及保護研究[J].電力系統保護與控制，2009，（20）.

作者簡介：劉俊兵（1986-），男，湖北荊州人，中國南方電網超高壓輸電公司曲靖局助理工程師，研究方向：繼電保護；李書勇（1979-），男，南方電網科學研究院高級工程師，工學碩士，研究方向：電力系統仿真分析。

（責任編輯：蔣建華）