換流站一端帶電交流刀閘分閘引起高壓直流差動保護誤動作事故分析

鄧本飛

（中國南方電網超高壓輸電公司昆明局，昆明 650217）

0 前言

某二回直流輸電系統換流站發生了極2閉鎖事故。均是在交流場一端帶電刀閘拉開的時候，極2直流差動保護87DCM動作導致，直流輸電系統興仁換流站屬于高壓直流電壓500 kV，輸送功率3000 MW的典型常規換流站，分為正負兩極，極2為負極先投運。交流場為500 kV電壓，共8個1倍半接線間隔，帶有3大組交流濾波器。

500 kV交流場為典型的一倍半接線，在第一和第二串分別為高壓直流極1和極2出線。三大組濾波器分別從第一、第二、第三串引出，從第一大組交流濾波器母線上引出了一臺500 kV高壓站用變。

圖1 興仁換流站直流場設備

高壓直流部分，是典型的常規直流方式。換流變網側套管連接交流場，其閥側套管伸入閥廳連接換流閥。換流閥整流后通過油浸式平波電抗器和低壓穿墻套管連接到直流場。直流場為典型的對稱的雙極接線形式，每極帶有2組直流濾波器。

換流站全站的總體布局，呈現一個東西方向的長方形。西側是狹長形布置的500 kV一倍半接線交流場，從其側面端部的第一和第二串出線，連接換流變。交流場和換流變之間是間隔50m距離的廣場。極1和極2閥廳，以及控制樓，是布置成一個長條形的矩形整體，在交流場和直流場之間形成一個20多米高的分隔建筑物。

1 故障情況

在直流系統極2處于不運行狀態，拉開交流場一端帶電的串內隔離開關，每次直流差動保護都會動作；拉開交流濾波器小組一端帶電的刀閘，直流差動保護偶爾會動作。

圖2 跳閘信號局部放大圖

通過現場的驗證試驗，充分證明了極2直流差動保護誤動是由于拉開交流場一端帶電的刀閘所導致的。

2 直流差動保護及數據采集處理

圖3 直流差動保護邏輯圖

直流差動保護是采集高壓直流母線上的直流電流IDH與采集的低壓直流母線上的直流電流IDN做減法比較，超過0.05 pu即150 A，延時5 ms動作出口。

裝置具體實現是這樣的，直流差動保護的采樣頻率為2 kHz，當超過門檻值150 A，計數器就加20，否則減1；當計數器數值大于100時保護出口，當計數器數值等于0 時復歸保護并將計數器清零。

3 誤動機理分析

根據該直流差動保護的具體實現原理，可以知道該保護的幾種動作情況：

1）保護動作最快的情況，連續有5個采樣點超過門檻值，也就是2.5 ms時間內，計數器計滿100，延時的5 ms內可以采樣10次，每次即使不超過門檻值計數器減1，計數器也無法清零，保護是必然動作的。

2）保護動作最慢的情況是，每20個采樣點只有1個采樣點超過門檻值，那么每20個采樣點（0.01秒）計數器加20減19，只剩1。總的需要100個同樣的過程，也就是1000 ms。

3）其它動作情況，動作快慢也就是介于這兩種情況之間。從錄波圖上可以看到，直流差動保護基本上在0.6秒左右出口。從錄波放大圖上可以看到，在0.04195秒內，采樣值超過門檻值8次以上，相當于平均每20個采樣點有2個左右采樣值超過門檻值。交流場一端帶電的刀閘拉開的時候，可以明顯看到電弧放電，整個過程時間達到11秒，是完全可能提供這樣的干擾源的。

從換流站平面圖可以看到，小組濾波器的刀閘和串內刀閘與直流差動保護采樣點的空間距離并不存在差異，但是卻存在結果的明顯差異。并且直流差動保護的電流互感器二次回路采用光纖回路傳輸。由此可以排除空間干擾或二次回路干擾的可能性，同時也可以排除所謂近場耦合和地網耦合的可能性。

拉開串內一端帶電的刀閘每次會引起直流差動保護動作，而拉開小組濾波器一端帶電的刀閘偶爾會引起直流差動保護動作的原因；它們主要存在的差異是小組濾波器的刀閘是串內引出到濾波器大組母線，然后再分到小組濾波器，它的電氣主回路要比串內的刀閘距離高壓直流系統遠得多（多了串內到濾波器母線、再到刀閘等多個接頭，回路阻抗增大不少），其刀閘拉開產生的電磁干擾信息處于直流差動保護動作的門檻值附近，進而出現偶爾動作偶爾不動作的情況。

綜合以上信息，可以得知：一端帶電的交流刀閘在拉開時出現的長達10秒左右的強烈電弧，進而產生的高頻電磁干擾，通過主回路傳導，甚至越過換流變回路拉開的刀閘的間隙，傳導到直流電流互感器。而直流電流互感器的羅戈夫斯基線圈，以及保護2 kHz的采樣頻率，正好可以捕捉到這些干擾信號，但是直流保護的高壓側和中性側互感器由于電氣回路的差異導致受到的干擾信號的差異性很大，進而導致直流差動保護誤動。

4 解決方法研究

對于這個情況下直流差動保護誤動的問題，從以下幾個方向探討。

1）隔離或消除干擾源。一端帶電的交流刀閘都存在需要拉開的情況，必然出現放電拉弧的，無法消除這種情況。

2）切斷傳播途徑。這個高頻的干擾信號，通過主接線回路傳導，并且可以通過刀閘斷口，無法實現。

3）增加保護延時。直流差動保護需要快速動作切斷故障，同時干擾源的持續時間太長，無法實現。

4）改變采樣方式。目前的直流互感器對于直流電流的采集和合適的，不好改變。

5）改變保護采樣取值方式。對于正常的故障直流電流，每個采樣點都會在某個值附近。從圖2跳閘信號局部放大圖，分析交流刀閘造成的干擾量，可以看到干擾量產生的是一些脈沖量，不連續也不呈周期性。與圖4、圖5直流側故障的波形截然不同。

圖4 整流側故障波形圖

圖5 中性母線故障波形圖

因此，干擾量波形的不連續性，是區分的關鍵，可以利用它閉鎖或者復歸保護。

目前改為采用要求啟動保護出口之前10個連續的采樣值均需要大于門檻值的方式。也就是，只要有采樣值小于門檻值，立即復歸保護，保護的動作時間固定為10 ms（10個采樣點5 ms，延時5 ms）。經過仿真和實際考驗，能夠針對故障正確動作，并且交流場刀閘拉開時不再誤動。經過對兩個極的直流差動保護改進后，換流站另一極投運后沒有在發生交流場一側帶電刀閘斷開出現直流差動保護動作的情況。

圖6 改進后的直流差動保護邏輯圖

5 結束語

高壓直流保護功能的設計，必須充分考慮交直流設備的相互電磁干擾問題，并且在現場需要進行相關項目的實際測試，以確保沒有電磁干擾的問題發生。在保護采樣環節的設計上要充分考慮干擾信號的影響，并重視電磁干擾在換流站的影響。