直流濾波器保護(hù)配置及典型故障分析

丁 廈，石丹丹，楊韋國，王友歡，張建猛

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南 250118）

直流濾波器保護(hù)配置及典型故障分析

丁 廈，石丹丹，楊韋國，王友歡，張建猛

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南 250118）

直流濾波器作為換流站中的重要設(shè)備，是抑制高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)諧波最有效的手段。直流濾波器運(yùn)行工況較為復(fù)雜，導(dǎo)致的直流閉鎖事故較多，因此為其配置完善、可靠的保護(hù)對(duì)整個(gè)直流輸電系統(tǒng)極為重要。介紹膠東換流站直流濾波器保護(hù)配置和原理，針對(duì)直流濾波器差動(dòng)保護(hù)、不平衡保護(hù)及過負(fù)荷保護(hù)進(jìn)行重點(diǎn)分析。結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的直流濾波器保護(hù)動(dòng)作事件，對(duì)故障類型及處理過程進(jìn)行介紹，為今后直流工程直流濾波器的設(shè)計(jì)配置與故障處理提供參考。

高壓直流輸電系統(tǒng)；直流濾波器保護(hù)；直流閉鎖；故障處理

0 引言

與交流輸電系統(tǒng)相比，高壓直流輸電系統(tǒng)具有長(zhǎng)距離、大容量、損耗小等優(yōu)點(diǎn)［1］。隨著±800 kV扎魯特—青州特高壓直流工程順利開工，落腳于山東的直流“外電入魯”大動(dòng)脈已達(dá)3條，對(duì)推動(dòng)清潔發(fā)展、加快結(jié)構(gòu)調(diào)整、拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)具有重大作用。

直流濾波器作為換流站中的重要設(shè)備，是抑制高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)諧波最有效的手段。直流濾波器運(yùn)行工況較為復(fù)雜，導(dǎo)致的直流閉鎖事故較多，因此為其配置完善、可靠的保護(hù)對(duì)整個(gè)直流輸電系統(tǒng)極為重要［2-3］。

以銀東直流輸電工程為例，介紹直流濾波器保護(hù)基本配置和原理，針對(duì)直流濾波器差動(dòng)保護(hù)、不平衡保護(hù)及過負(fù)荷保護(hù)進(jìn)行重點(diǎn)分析，并結(jié)合銀東直流系統(tǒng)曾發(fā)生的直流濾波器保護(hù)動(dòng)作事件，對(duì)查缺與處理過程進(jìn)行具體分析與總結(jié)。

1 直流濾波器保護(hù)配置

膠東站直流濾波器每極有兩組，分別為HP12／24次和HP6／42次諧波直流濾波器，直流濾波器保護(hù)采用HCM200數(shù)字多處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，每一組直流濾波器都有兩套保護(hù)，兩套保護(hù)位于同一個(gè)保護(hù)屏內(nèi)，實(shí)現(xiàn)雙重化保護(hù)。以HP12／24次諧波直流濾波器為例，主要包括差動(dòng)保護(hù)、電容器不平衡保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、失諧監(jiān)視等，保護(hù)功能配置如圖1所示。其中共有5組TA回路，高壓側(cè)TA1和電容器C1不平衡TA2都是光電流互感器，其他3組為電磁式電流互感器。

每一重直流濾波器保護(hù)系統(tǒng)具有獨(dú)立、完整的硬件配置和軟件配置，與其他各重保護(hù)之間在物理上和電氣上完全獨(dú)立，任意一重保護(hù)因故障、檢修或其他原因而完全退出時(shí)，不影響其他各重保護(hù)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行沒有影響。HCM200機(jī)箱的插件均為標(biāo)準(zhǔn)的插卡。測(cè)量回路采用傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)。保護(hù)出口信號(hào)在總出口加出口壓板。

圖1 HP12／24直流濾波器保護(hù)配置

2 直流濾波器保護(hù)原理及動(dòng)作后果

2.1 直流濾波器差動(dòng)保護(hù)

功能及保護(hù)區(qū)域。檢測(cè)直流濾波器和并聯(lián)電容器內(nèi)部任何接地故障。保護(hù)區(qū)域包括整個(gè)直流濾波器。

保護(hù)原理。差動(dòng)保護(hù)取量如圖2所示，測(cè)量的是直流濾波器高低壓側(cè)直流電流。在正常運(yùn)行時(shí)，電流是平衡的；當(dāng)發(fā)生直流濾波器和并聯(lián)電容器內(nèi)部任何接地故障，會(huì)出現(xiàn)直流分流而導(dǎo)致高低壓側(cè)直流電流不平衡。保護(hù)通過檢測(cè)差流來檢測(cè)直流濾波器接地故障，在直流濾波器發(fā)生接地故障時(shí)將直流濾波器退出運(yùn)行。

動(dòng)作判據(jù)及后果。檢測(cè)直流濾波器高壓側(cè)電流IT1和低壓側(cè)（中性線側(cè)）電流 IT4的差流，如果超過定值，保護(hù)動(dòng)作。其后備保護(hù)為第二套保護(hù)差動(dòng)保護(hù)、極母線差動(dòng)保護(hù)。

各段保護(hù)動(dòng)作后果如表1所示。

保護(hù)I段動(dòng)作判據(jù)為|IT1-IT4|＞0.5IT1+40 A；保護(hù)II段動(dòng)作判據(jù)為|IT1-IT4|＞0.5IT1+150A。

圖2 直流濾波器差動(dòng)保護(hù)取量

表1 直流濾波器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后果

2.2 直流濾波器不平衡保護(hù)

功能及保護(hù)區(qū)域。檢測(cè)直流濾波器高壓電容器組的故障。保護(hù)電容器C1免受由于故障電容器單元對(duì)完好電容器組造成的過應(yīng)力而使電容器單元雪崩損壞，保護(hù)考慮了制造誤差和電容元器件老化帶來的初始不平衡電流，程序中能自動(dòng)調(diào)整。保護(hù)區(qū)域?yàn)楦邏弘娙萜鳌?/p>

原理及動(dòng)作后果。直流濾波器不平衡保護(hù)取量如圖3所示。檢測(cè)直流濾波器IT2和IT4，如果IT2／IT4超過定值，則保護(hù)動(dòng)作。

保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為IT2／IT4＞Δ。

定值Δ的設(shè)置根據(jù)不平衡電流和濾波器電流來確定。后備保護(hù)為極母線差動(dòng)保護(hù)。若保護(hù)I段動(dòng)作，則延時(shí)10 s告警并發(fā)送事件順序記錄。

膠東換流站HP12／24保護(hù)I段動(dòng)作判據(jù)為

IT2／IT4＞Δ1，Δ1=0.9804%

圖3 直流濾波器不平衡保護(hù)取量

2.3 直流濾波器過負(fù)荷保護(hù)

功能及分類。監(jiān)測(cè)直流濾波器的過負(fù)荷，避免直流濾波器過應(yīng)力。過負(fù)荷保護(hù)分為高壓端電抗、低壓端電抗及電阻過負(fù)荷保護(hù)。

原理及動(dòng)作后果。過負(fù)荷保護(hù)取量如圖4所示。檢測(cè)直流濾波器各部分總的諧波電流，如果超過定值，保護(hù)動(dòng)作。保護(hù)動(dòng)作延時(shí)應(yīng)能躲過暫態(tài)過負(fù)荷的影響，以免誤動(dòng)。

圖4 直流濾波器過負(fù)荷保護(hù)取量

電阻過負(fù)荷保護(hù)反映電阻電流 50次及以下的總諧波有效值，保護(hù)為定時(shí)限特性，配置1個(gè)告警段和1個(gè)跳閘段，I段告警，II段跳閘。電抗過負(fù)荷保護(hù)反映電抗電流50次及以下的總諧波有效值，保護(hù)為定時(shí)限特性，配置1段告警段和2段跳閘段，I段告警，II段和III段跳閘。定值的設(shè)置根據(jù)濾波器過負(fù)荷能力確定。后備保護(hù)為直流濾波器差動(dòng)保護(hù)。

3 典型故障分析

2011-08-09T11∶03∶00，銀東直流功率4000 MW運(yùn)行，直流濾波器保護(hù)A、B系統(tǒng)報(bào)“極Ⅱ022LB不平衡保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作跳閘”。

3.1 運(yùn)行工況

事故發(fā)生前，銀東直流雙極大地回線運(yùn)行，直流系統(tǒng)輸送功率4000 MW；500 kV 1號(hào)、2號(hào)母線運(yùn)行正常，東嶗Ⅰ、Ⅱ線，東瑯Ⅰ、Ⅱ線，東澤Ⅰ、Ⅱ線運(yùn)行正常，交流濾波器及其他交流場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行正常；極Ⅰ、極Ⅱ各2組共4組直流濾波器運(yùn)行正常。

事故發(fā)生后，銀東直流雙極直流系統(tǒng)輸送功率4 000 MW，雙極大地回線運(yùn)行正常；500 kV交流場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行正常；極Ⅱ第二組直流濾波器跳閘，極Ⅰ兩組直流濾波器及極Ⅱ第一組直流濾波器運(yùn)行正常。

3.2 故障事件分析

事件記錄顯示，直流濾波器022LB的A、B兩套保護(hù)均動(dòng)作，且每套保護(hù)的“啟動(dòng)”和“動(dòng)作”均滿足條件。事件記錄簡(jiǎn)要如表2所示。

表2 不平衡保護(hù)動(dòng)作事件記錄

故障時(shí)刻不平衡電流波形如圖5所示。當(dāng)時(shí)銀東直流工程不平衡保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作策略為：IT2／IT4＞Δ3，T=10 ms，Δ3=1.282%。入地總電流為11 A，分析波形可知，t1時(shí)刻不平衡電流比值為 3.22%，t2時(shí)刻不平衡電流比值1.36%均大于定值1.282%，保護(hù)正確動(dòng)作。

圖5 故障時(shí)刻不平衡電流波形

當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)、交流系統(tǒng)出現(xiàn)重合閘時(shí)可能引起直流濾波器電容器不平衡保護(hù)動(dòng)作或報(bào)警，即直流濾波器不平衡保護(hù)動(dòng)作并不能完全可靠反映是電容器發(fā)生故障。縱使電容器出現(xiàn)多個(gè)單元短路故障，只要對(duì)站對(duì)應(yīng)直流濾波器組在運(yùn)行，便可在線退出運(yùn)行故障直流濾波器組［4-6］。結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)其他換流站也出現(xiàn)多次直流濾波器電容器不平衡保護(hù)誤動(dòng)，目前相應(yīng)規(guī)范已修改為直流濾波器不平衡保護(hù)只報(bào)警而不閉鎖直流系統(tǒng)。

4 結(jié)語

以銀東直流輸電工程為例，介紹直流濾波器保護(hù)基本配置和原理，針對(duì)直流濾波器差動(dòng)保護(hù)、不平衡保護(hù)及過負(fù)荷保護(hù)進(jìn)行重點(diǎn)分析，并結(jié)合銀東直流系統(tǒng)發(fā)生的直流濾波器保護(hù)動(dòng)作事件，對(duì)查缺與處理過程進(jìn)行具體的分析與總結(jié)，為今后直流輸電工程直流濾波器保護(hù)的設(shè)計(jì)與配置提供參考。

［1］趙畹君．高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［2］文繼鋒，陳松林，李海英，等．超高壓直流系統(tǒng)中的直流濾波器保護(hù)［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28（21）：69-72.

［3］程江平，周全.直流濾波器保護(hù)的研究和改進(jìn)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（4）：105-109.

［4］田培濤，黃金海，吳慶范，等.直流濾波器保護(hù)關(guān)鍵問題的研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（18）：144-149.

［5］宋臻吉，程寧，任眾楷，等.±660 kV膠東換流站直流濾波器不平衡保護(hù)配置及改進(jìn)建議［C］//山東電機(jī)工程學(xué)會(huì)2012年度學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2012．

［6］姚其新，胡斌，饒洪林.換流站直流濾波器電容器不平衡保護(hù)誤動(dòng)原因分析及建議［J］.湖北電力，2012，36（2）：13-14.

Protection Configuration and Typical Fault Analysis of DC Filter

DING Sha，SHI Dandan，YANG Weiguo，WANG Youhuan，ZHANG Jianmeng
（State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China）

As important equipment in converter stations，DC filter is the most effective equipment to suppress the DC side harmonics in HVDC transmission system.However，the DC filter often leads to HVDC pole blocking accidents because of its complex operating conditions，so the configuration of perfect and reliable protection is very important for DC transmission system.The protection configuration and principle of DC filter in Jiaodong converter station are introduced in this paper.The differential protection，unbalance protection and over load protection of DC filter are analyzed primarily.According to the DC filter protection action，the fault type and treating process are introduced，which provide references for the design and fault treatment of DC filter in HVDC projects in the future.

HVDC transmission system；DC filter protection；DC blocking；fault treatment

TM771

B

1007－9904（2017）02－0058－04

2016-10-26

丁 廈（1990），男，從事高壓直流運(yùn)維檢修等工作；

石丹丹（1989），女，從事高壓直流運(yùn)維檢修等工作；

楊韋國（1990），男，從事高壓直流運(yùn)維檢修等工作；

王友歡（1988），男，從事高壓直流運(yùn)維檢修等工作；

張建猛（1989），男，從事高壓直流運(yùn)維檢修等工作。