浙江電網特高壓直流輸電工程保護閉鎖策略

童 凱，宣佳卓，許 烽，陳 騫

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

在國家“加快推進大氣污染防治行動計劃12條重點輸電通道建設”的要求下，目前，浙江電網已建成四川溪洛渡左岸-浙江金華（以下簡稱賓金直流工程）、寧夏靈州-浙江紹興（以下簡稱靈紹直流工程）2條±800 kV特高壓直流輸電工程，擔負著“西電東送”及新能源輸送的任務，是西部電網與浙江電網互聯的關鍵通道。截止2017年3月，靈紹直流工程已安全運行1周年，賓金直流工程已累計向浙江電網輸送水電925億kWh，即將突破千億大關，有效緩解了浙江地區用電緊張局面和環保壓力，對于服務西部大開發戰略、促進節能減排和區域經濟協調發展具有重要意義[1-5]。

在直流輸電系統運行過程中，一旦發生故障和不正常運行情況，直流保護需要及時、準確地檢測直流輸電系統的所有故障類型，自動、快速、有選擇性地將故障元件從直流輸電系統中切除，使故障元件免于繼續遭到損壞，保證其他無故障部分迅速恢復正常運行[6-7]。

以下首先對直流保護多樣的動作策略進行介紹，其次主要就直流保護動作中的換流閥閉鎖動作進行說明，闡述不同閉鎖類型的條件和動作特征，最后通過現場試驗錄波，驗證保護閉鎖邏輯的正確性。

1 直流保護動作邏輯

直流輸電系統換流閥一次接線示意如圖1所示，直流保護除了能夠直接通過斷路器進行故障清除外，還可以通過控制系統直接清除故障。當直流系統中發生瞬時性的輕微故障或不正常運行工況，直流保護可以不跳開斷路器，僅通過控制系統的閉環控制策略，使直流系統重新恢復穩定運行；當直流系統發生永久性的嚴重故障時，雖然可以通過控制系統快速抑制故障的發展，但此時直流系統已無法恢復穩定運行，只能通過閉鎖系統、跳開斷路器隔離故障點。

圖1 換流閥一次接線示意

下面列舉幾項常見的直流保護動作策略：

（1）控制系統切換。將冗余的控制系統由值班系統切換至備用系統，避免控制系統異常造成相關的保護誤動作。

（2）移相。閥控以一定的速率增大觸發角，使整流側進入逆變狀態，逆變側運行于最小關斷角，從而熄滅直流電流。

（3）投旁通對。同時導通6脈動換流閥同相的2個換流閥，形成直流側短路，從而使直流電壓迅速降到零，并且快速隔離交/直流系統。

（4）閥閉鎖。閥控停止向換流閥發送觸發脈沖，換流閥在直流電流過零之后自然關斷。

（5）跳交流斷路器。

（6）啟動斷路器失靈。

（7）故障重啟。當直流線路發生瞬時故障時，通過整流側移相，將直流電流迅速下降到零，經過去游離時間后再逐步恢復整流側觸發角，避免直流系統停運。

（8）極隔離。

（9）極平衡。

（10）重合開關。直流保護發出跳開斷路器指令后，如果斷路器無法斷弧，保護會再發1個合閘指令重合斷路器，避免損壞一次設備[8-11]。

2 直流工程閉鎖策略

2.1 綜述

賓金直流工程采用許繼自主研發的新一代成套直流控制保護系統DPS-3000，系統主要由HCM3000直流控制保護平臺、DS3000運行人員控制系統、DFU410分布式測控裝置等子系統和裝置組成。靈紹直流工程控制保護系統采用南瑞繼保公司自主研發的新一代直流控制保護平臺PCS-9550。

系統針對不同的故障類型，采取不同的動作組合和時序形成不同的閉鎖類型，根據換流閥閉鎖時是否投旁通對，賓金直流工程將特高壓直流保護閉鎖分為X，Y，Z，S 4種。靈紹直流工程結合特高壓工程中2個串聯的12脈動閥組的特點，將直流保護性閉鎖分為換流閥層閉鎖和極層閉鎖。換流閥層閉鎖分為U閉鎖和V閉鎖2類，極層閉鎖分為X閉鎖、Y閉鎖和Z閉鎖3類。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。

2.2 X閉鎖策略

主要針對換流閥短路、單橋持續換相失敗、丟失脈沖等不應該投入或者無法正常投入旁通對的情況下的閥閉鎖。

賓金直流工程整流側故障執行X閉鎖時，整流側立即移相閉鎖，并向對站發送保護動作信號。逆變側接收到整流側的保護動作信號后執行正常閉鎖邏輯（即Y閉鎖），觸發角移相至90°，投旁通對，合旁路開關，發閉鎖命令。靈紹直流工程整流側閥組故障執行U閉鎖，立即停故障閥組的觸發脈沖，跳換流變開關，合旁路開關BPS，非故障閥組移相；逆變側收到保護動作信號后移相至90°，在觸發角和直流電壓合適時投入旁通對，合旁路開關BPS，合上后閉鎖閥組。極層故障執行X閉鎖（極單閥組運行時，U閉鎖自動轉換成極層的X閉鎖），整流側立即閉鎖換流閥，跳交流進線開關，不允許投入旁通對；逆變側收到對站的保護動作信號以后，執行Y閉鎖，移相至90°，200 ms后投旁通對，合旁路開關BPS，合上后閉鎖。

逆變側故障執行X閉鎖時，賓金直流工程逆變側立即移相至164°，延時100 ms發閉鎖命令，并向對站發送保護動作信號。整流側接收到對側保護動作信號后執行正常閉鎖邏輯（即Y閉鎖），立即移相，根據直流電流大小延時發閉鎖命令。靈紹直流逆變側閥組故障執行U閉鎖，交流開關跳開后投入旁通對，合旁路開關BPS，發閉鎖命令；整流側收到保護動作信號執行移相至90°，在觸發角和直流電壓合適時投入旁通對，合旁路開關BPS，合上后閉鎖閥組。極層故障執行X閉鎖，立即跳交流開關，開關跳開或延時70 ms后投入旁通對，合旁路開關BPS，BPS合上時閉鎖；整流側收到保護動作信號后立即移相，60 ms后執行Y閉鎖，當電流小于一定值時，延時20 ms閉鎖，否則投旁通對，合旁路開關，BPS合位時閉鎖。

2.3 Y閉鎖策略

主要針對閥區域、直流線路接地故障、站內接地過流、直流開關斷開不成功等對設備不產生嚴重應力的故障。

賓金直流工程整流側故障執行Y閉鎖，當極或最后1組閥閉鎖時，整流側立即移相，延時50 ms后根據直流電流大小選擇是否投旁通對，約200 ms后閉鎖；當單閥組閉鎖時，立即投旁通對，合旁路開關，約20 ms后直接閉鎖。逆變側接收到對側保護動作信號后執行正常閉鎖邏輯（即Y閉鎖），移相至90°，投旁通對，合旁路開關，根據是否是極或最后1組閥閉鎖，采用不同的延時執行閉鎖指令。靈紹直流逆變側閥組故障執行V閉鎖，立即投旁通對，合旁路開關BPS，同時跳交流開關；逆變側收到保護動作信號執行移相至90°，在觸發角和直流電壓合適時投入旁通對，合旁路開關BPS，合上后閉鎖閥組。極層故障執行Y閉鎖（極單閥組運行時，V閉鎖自動轉換成極層的Y閉鎖），立即移相，跳交流開關，20 ms后直流電流小于一定值時直接閉鎖觸發脈沖，直流電流仍較大則投入旁通對，合BPS，BPS合位時閉鎖換流閥；逆變側收到對站的保護動作信號以后，執行Y閉鎖，移相至90°，200 ms后投旁通對，合旁路開關BPS，BPS合位時閉鎖。

逆變側故障執行Y閉鎖，整流側執行正常閉鎖邏輯，時序與整流側故障Y閉鎖類似，此處不再贅述。

2.4 Z閉鎖策略

主要針對換流閥過流、極母線中性母線接地、接地極開路、直流低電壓或過電壓等直流側相關的過流或接地故障，通過投旁通對迅速隔離交直流系統。

賓金直流工程整流側故障執行Z閉鎖，當極或最后1組閥閉鎖時，整流側立即移相，投旁通對，合旁路開關，否則不移相直接投旁通對，合旁路開關，然后等BPS或BPI合上后閉鎖；逆變側接收到對側保護動作信號后執行正常閉鎖。靈紹直流工程整流側故障執行Z閉鎖，立即跳交流進線開關，投入旁通對，合BPS，BPS合上后閉鎖換流閥；逆變側收到對站動作信號以后，執行移相至90°，投入旁通對，合BPS，BPS合上以后閉鎖換流閥。

逆變側故障執行Z閉鎖，賓金直流工程立即投旁通對，合旁路開關，等BPS或BPI合上后閉鎖；整流側在接收到對側保護動作信號后執行正常閉鎖邏輯。靈紹直流立即跳交流進線開關，投入旁通對，合BPS，BPS合上后閉鎖換流閥；整流側收到對站的保護動作信號以后，立即移相，60 ms后執行Y閉鎖，當直流電流小于一定值時，20 ms后閉鎖；當直流電流仍較大時，20 ms后投入旁通對，合BPS，BPS合上后閉鎖換流閥。

2.5 S閉鎖策略

主要針對會引起交流側產生較大電流的故障，時序與交流斷路器的斷開時間配合，避免大故障電流下斷開交流斷路器，是賓金直流工程特有的閉鎖方式。

整流側故障執行S閉鎖，立即移相，200 ms后閉鎖換流閥然后跳交流斷路器；逆變側接收到對側保護動作信息后執行正常閉鎖。

逆變側故障執行S閉鎖，移相至90°，收到交流斷路器分位earlymake信號后立即投旁通對，合旁路開關，等BPS或BPI合上后閉鎖；整流側在接收到對側保護動作信號后執行正常閉鎖邏輯。

3 試驗波形驗證

在賓金直流工程和靈紹直流工程系統調試階段，都要開展保護跳閘，X，Y，Z閉鎖試驗，試驗分別在兩側進行，以檢驗由不同地點手動發出的跳閘閉鎖能否正確動作以及保護動作跳閘時序是否正常。以下選取幾個現場試驗的典型波形，驗證保護閉鎖邏輯的正確性。

3.1 逆變側X閉鎖

賓金直流工程雙換流閥串聯運行，功率指令800 MW，直流電壓800 kV。系統穩態運行后，模擬逆變站X閉鎖，如圖2所示記錄了該換流閥的閉鎖過程。

圖2 逆變側X閉鎖錄波

由圖2可見，極1換流閥執行X閉鎖，立即移相至160°，跳交流進線開關，合BPS，100 ms后閉鎖，整個過程都沒有投入旁通對。

3.2 逆變側V閉鎖

靈紹直流工程極1定電流控制，雙換流閥串聯運行，電流指令500 A，直流電壓800 kV。系統穩態運行后，模擬逆變站CCP1換流閥V閉鎖，圖3記錄了該換流閥的閉鎖過程。

由圖3可見，CCP1換流閥V閉鎖，立即移相，發出合旁通開關BPS_CLOSE_ORD指令和跳交流進線開關TRIP_ACCB指令。待直流電流基本為零時閉鎖CCP1，CCP2調節觸發角恢復直流電流。這種閉鎖方式保證了CCP1的安全、快速和平穩退出。

4 結語

以賓金、靈紹2個±800 kV特高壓直流輸電工程為例，根據2個12脈動閥組串聯的接線方式，詳細闡述了特高壓直流保護閉鎖的分類和動作特征，賓金直流保護閉鎖分4種類型，根據是否是極或最后1組閥閉鎖，采取不同的策略；靈紹直流保護則按照閥層保護和極層保護，分別設計了2種和4種類型，采取不同的策略。但總的來說，2個工程具體到某個閉鎖類型，在觸發角控制和動作延時方面有所不同，區別并不是很明顯。

目前，通過現場試驗和運行實踐證實2種技術路線的保護閉鎖策略都可以有效的檢測到各種設備故障情況，并根據不同的保護動作采用相應的措施，在保護到換流閥設備的情況下最小程度地影響到整個工程的運行，保證直流輸電系統的安全可靠運行[12-18]。

圖3 逆變側V閉鎖錄波

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