基于高壓直流輸電系統的保護設計探討

衣海東

摘 要：近年來，基于全控型器件的電壓源換流器的高壓直流輸電系統在我國得到了廣泛的應用，隨著高壓直流輸電系統的電壓等級和容量不斷提升，短路容量也不斷提高，因此對系統保護的動作性能有了更高的要求，本文基于直流輸電系統的保護種類和保護分區原理，結合目前直流繼電保護的配置方案，對直流輸電系統的保護設計進行了探討和分析。

關鍵詞：高壓直流;全控型;換流器

0 引言

基于高壓直流輸電系統獨特的優點，近年來，高壓直流輸電系統在我國遠距離大容量輸電和大區聯網中得到了廣泛的應用。截至2019年11月，中國已建成并投運二十多條特高壓輸電線路，隨著特高壓直流輸電系統電壓等級的不斷提升，其短路容量也不斷增大，這對直流系統的保護也有了更高的要求。

高壓直流輸電系統保護（以下簡稱直流系統保護）用于檢測發生在直流輸電系統中換流站、直流輸電線路及相關交流系統的故障，并發出相應的處理信號和指令，以保護直流輸電系統免受過/低電壓、過電流、過熱和過大電動力的危害，防止系統事故進一步擴大[1]。本文主要對直流輸電系統的保護特點、種類和分區進行了探討和分析。

1 直流輸電系統保護種類

直流輸電系統發生故障或者不正常運行情況時，系統的觸發角、電壓、電流、阻抗和功率及諧波等電氣量都將發生異常變化，工程中一般利用正常運行時的電氣量與非正常運行時的電氣量進行比較、判斷，來對系統進行保護，根據不同電氣量、參數或者運行特性的原理，直流系統分為過/低電壓保護、過電流保護、行波保護、諧波保護、觸發角保護、差動保護（含縱差保護、橫差保護及其他差動原理保護）等等[2]。

直流輸電系統中如果按照被保護對象的不同可以分為交流側保護、直流側保護和直流線路保護三大類，其中，直流側保護和直流線路保護又稱為直流保護。

（1）交流側保護

主要包括換流變壓器保護和交流濾波器保護等。

（2）直流側保護

主要包括換流器保護、極母線保護、極中性母線保護、雙極中性母線保護接地極引線保護、直流濾波器保護以及平波電抗器保護。

（3）直流線路保護

直流線路保護系統主要由行波保護、低電壓保護、縱差保護和橫差保護等保護構成，其中行波保護為主保護，低電壓保護為其后備保護，縱差保護和橫差保護為上兩者的后備保護。

2 直流輸電系統保護特點

直流輸電系統的保護必須根據實際工程區別配備，主要是由于其跟直流控制系統、交流系統繼電保護和其他換流站等有密切的關系[1～3]。

（1）與直流控制系統關系密切

一般地，在直流系統故障時或者異常運行狀況下，首先將通過控制系統對故障進行抑制，主要是基于控制系統的快速性，所以直流系統保護應與直流控制系統的功能和參數應正確協調配合。

（2）與交流系統繼電保護關系密切

對于直流輸電系統，由于其兩側（整流側和逆變側）分別通過換流變壓器和交流輸電系統相連，所以，交流系統故障時或者異常運行狀況下，都會對直流輸電設備產生影響。

（3）兩端換流站的保護控制關系密切

直流輸電線路縱差保護的部分判據需要根據兩站極間通信傳輸數據，以獲取對側站的信息，當輸電線路發生故障時，保護必須故障及時切除，以避免兩側設備受到過應力影響。

直流輸電系統保護還跟設備集成、微機化、多重冗余配置和技術方案等方面的因素有關[5]。

3 直流輸電系統保護分區

直流輸電系統根據其系統結構配置可以劃分為以下三個保護劃分方案，方案一和方案二保護配置方案分別圖1和2所示[2]。

方案三和方案二保護分區基本相同，不同之處在于，方案三中直流濾波器區為單獨保護分區，不在保護4內。

4 總結

本文針對直流輸電系統的保護種類和保護分區原理進行了探討，并對不同保護分區方案進行了總結分析。隨著我國高壓直流輸電系統電壓的不斷提升，短路電流的不斷增大，以及多端直流系統的不斷形成，對控制和保護設備的性能要求也必將不斷提高。

參考文獻

[1]中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司.高電壓直流設計手冊[M].中國電力出版社，2017.

[2]中國南方電網超高壓輸電公司，華南理工大學電力學院.高壓直流輸電系統繼電保護原理與技術[M].中國電力出版社，2013.

[3]趙成勇.柔性直流輸電建模和仿真技術[M].中國電力出版社，2014.

[4]耿建風.柔性直流輸電系統應用技術[M].中國電力出版社，2013.

[5]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].中國電力出版社，2016.