特高壓柔性直流輸電閥區(qū)接地故障保護對策

柳林海

摘要：當特高壓柔性直流換流閥的全橋子模塊數(shù)目足夠時，換流閥具有阻斷故障電流的能力。保護動作后，交流聯(lián)絡(luò)線區(qū)域與上下橋臂之間的接地故障只能通過阻斷換流閥來隔離。本文對特高壓柔性直流輸電閥區(qū)接地故障保護進行了分類分析，提出了兩種保護對策。

關(guān)鍵詞：特高壓柔性直流換流閥;接地故障;處理策略

一、區(qū)接地故障分區(qū)及處理策略

根據(jù)特高壓柔性直流換流閥的特點，將特高壓柔性直流換流閥分為三個子區(qū)域：第一個區(qū)域包括交流連接線與上下橋臂之間的部分;第二區(qū)域包括換流閥與換流閥隔離開關(guān)Q1、Q2、Q3、Q4之間的部分;第三個區(qū)域包括換流閥隔離開關(guān)Q1和Q4與直流母線之間的部分，以及換流閥隔離開關(guān)Q2和Q3之間的部分，具體如圖1所示。

（一）第一區(qū)域接地故障

由于續(xù)流二極管的單向?qū)щ娦?，關(guān)斷裝置后，全橋子模塊的電流從電容器的正極流入，從負極流出，因此關(guān)斷裝置可以使電容器立即工作在充電狀態(tài)。當直流故障發(fā)生時，工作在充電狀態(tài)的電容器能使故障電路的電流迅速熄滅。

在圖1、F1、F2故障中，高壓換流閥閉鎖，故障電流熄滅后，故障點與其它連接線路及設(shè)備無回路，不影響低壓換流閥的動作及換流閥隔離開關(guān)Q1、Q2的動作。只要故障電流熄滅，旁路開關(guān)閉合，即使Q1和Q2沒有分開，低壓換流閥也可以恢復送電。同樣，也可以通過鎖定低壓變流閥來隔離F12和f13低壓變流閥故障。

（二）第二區(qū)域接地故障

由圖1可知，隔離開關(guān)Q1和Q2可以隔離第二區(qū)域的故障，包括F3、F4、F5、F6和F7;隔離開關(guān)Q3和Q4可以隔離第二個區(qū)域的故障F10、F11、F14、F15和F16。

（三）第三區(qū)域的接地故障

第三區(qū)接地故障為F8、F9、F17。這些故障不能通過阻斷換流閥或隔離隔離開關(guān)Q1、Q2、Q3和Q4來隔離。因此，當這些故障發(fā)生時，它們只能閉鎖極。

（四）接地故障處理策略

基于以上分析，本文提出了以下兩種特高壓柔性直流閥接地故障處理策略。

第一種是在保護檢測到圖1中的F1、F2、F12、f13故障時，閉鎖換流閥;檢測到任何其他接地故障閉鎖極。

第二種是保護檢測到圖1隔離開關(guān)Q1、Q2、Q3、Q4閥側(cè)F1、F2、F12、f13、F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11、F14、F15、F16故障后，鎖止換流閥，檢測F8、F9、F17鎖極。

二、第一種接地故障保護對策

（一）閥區(qū)測量設(shè)備配置

為了實現(xiàn)圖1中F1、F2、F12、f13故障時換流閥的閉鎖策略，需要配置相應的電流測量設(shè)備，以準確定位這些區(qū)域的故障。根據(jù)現(xiàn)行的柔性直流工程標準，只要配置橋臂電流測量設(shè)備和交流聯(lián)絡(luò)線測量設(shè)備，就可以滿足這一要求。

對于F8、F9、F17故障，只能采用閉鎖極策略。在配置測量設(shè)備時，需要閉鎖極的主保護來覆蓋這些區(qū)域。當故障F3、F4、F5、F6、F7（F10、F11、F14、F15、F16）采用閉鎖極策略時，在極母線和極中性母線的換流閥側(cè)配置電流測量裝置。

（二）接地故障保護配置

（1）交流連接母線差動保護：分相差動，檢測換流器與換流變壓器之間的故障，保護動作后閉鎖換流閥。

（2）橋臂差動保護：分相差動，檢測換流閥橋臂的接地故障，保護動作后閉鎖換流閥。

（3）橋臂電抗器差動保護：檢測橋臂電抗器及相連母線的接地故障，保護動作后閉鎖極。

（4）直流差動保護：檢測高、低換流閥區(qū)域所有的接地故障，保護動作后閉鎖極。

三、第二種接地故障保護對策

（一）閥區(qū)測量設(shè)備配置

國網(wǎng)特高壓常規(guī)直流工程只能對圖1中F1、F2、F3、F12、F13、F14接地故障執(zhí)行閉鎖換流閥的策略，而對于F4、F5、F6、F7（F10、F11、F15、F16）仍然采取閉鎖極的策略，將特高壓柔性直流識別換流閥接地故障的電流測量設(shè)備配置在隔離刀閘Q1、Q2、Q3、Q4換流閥側(cè)。

（二）接地故障保護配置

（1）交流連接母線差動保護：與第一種配置方法相同。

（2）橋臂差動保護：與第一種配置方法相同。

（3）橋臂電抗器差動保護：檢測橋臂電抗器及相連母線的接地故障，保護動作后閉鎖換流閥。

（4）高、低閥連接線差動保護：檢測圖1所示的F9接地故障，僅雙閥運行時投入，保護動作

（5）極母線差動保護：檢測圖1所示F8接地故障，保護動作后閉鎖極后閉鎖極。

（6）極中性母線差動保護：檢測圖1所示F17接地故障，保護動作后閉鎖極。

四、保護的靈敏度分析

（一）第一區(qū)域接地故障保護的靈敏度分析

特高壓柔性直流高壓換流閥正常運行時，換流閥閥側(cè)對地電壓為600kV直流電壓與閥側(cè)交流電壓的組合，低壓換流閥對地電壓為200kV直流電壓與閥側(cè)交流電壓的組合。因此，圖1中的F1、F2、F12和F13故障會產(chǎn)生較大的故障電流，保護的靈敏度很高。

（二）第二區(qū)域接地故障保護的靈敏度分析

在單極運行時，由于接地電流和接地極的線路電阻，極中性母線處的電壓將上升到幾十kV。圖1所示F14、F15、F16故障會產(chǎn)生較大的直流電流，滿足保護靈敏度的要求。F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11故障點的正常工作電壓遠高于極中性母線的正常工作電壓，保護無靈敏度問題。

雙極雙換流閥運行時，極母線電壓為800kV，高低壓換流閥接線區(qū)電壓為400kV，故障點F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11產(chǎn)生的故障電流足以保證保護的靈敏度。

（三）第三區(qū)域接地故障保護的靈敏度分析

第三區(qū)F8電壓始終接近直流極母線電壓，故障發(fā)生后會產(chǎn)生較大的故障電流，相關(guān)保護靈敏度很高。F9與第二區(qū)F5、F7斷層特征相同，F(xiàn)17與第二區(qū)F15、F16斷層特征相同。

五、兩種保護對策的分析及對比

第一區(qū)配置100微秒級超高速接地保護，第二區(qū)和第三區(qū)配置毫秒級接地保護，實現(xiàn)接地故障保護之間的配合;測量設(shè)備的數(shù)量只有一個差別，成本只有幾十萬元;三區(qū)保護測量裝置的投切可根據(jù)換流閥隔離開關(guān)的位置進行選擇，廣泛應用于當前直流工程中。

上述三種情況對兩種處理策略的選擇影響不大，可以應用于工程實踐。其中，第一處理策略與南方電網(wǎng)特高壓常規(guī)直流閥區(qū)接地故障處理策略相似，烏東德特高壓多端混合直流工程柔性直流換流站采用第一處理策略;第二種處理策略類似于國網(wǎng)特高壓常規(guī)直流閥區(qū)接地故障處理策略，即發(fā)生閥組接地故障后，先將磁極鎖定，再將磁極重新連接，待磁極隔離后，重新啟動無故障閥組。因此，第二種處理策略可作為國家電網(wǎng)后續(xù)特高壓柔性直流工程建設(shè)的參考。

結(jié)語

本文根據(jù)換流閥接地故障的不同處理策略，將特高壓柔性直流輸電閥分為三個區(qū)域。阻塞的換流閥可以隔離第一個區(qū)域的接地故障，并且不影響另一個換流閥的操作。因此，本文建議在第一區(qū)發(fā)生接地故障時，只能采用閉鎖式換流閥。

當?shù)诙?、三區(qū)域的接地故障都閉鎖極時，利用極母線和極中性母線閥側(cè)的電流測量設(shè)備配置直流差動保護就能檢測所有閥區(qū)的接地故障。針對直流差動保護在極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障時存在靈敏性不夠的問題，增加直流諧波差動保護。當?shù)诙^(qū)域的接地故障只閉鎖換流閥、第三區(qū)域的故障閉鎖極時，文中提出了在每一個換流閥隔離開關(guān)的換流閥側(cè)配置電流測量單元的方法，并配置橋臂電抗器差動保護、換流閥連接線保護、極中性母線差動保護、極母線差動保護識別不同區(qū)域的故障。

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