無通信時逆變站緊急閉鎖后整流側直流保護優化研究

殷丕盛，于 鵬，袁茂凱，苑 雙，吳布托

（國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

默蒂亞里—拉合爾直流輸電工程（以下簡稱默拉直流工程）是以建設—擁有—運營—移交（Build-Own-Operate-Transfer，BOOT）模式開發的直流輸電工程，是巴基斯坦規劃的南電北送通道之一，已納入中巴經濟走廊能源合作優先實施項目清單。默拉直流工程輸電線路［1］全長878 km，額定電壓±660 kV，輸送功率4 000 MW，該工程的建設可以滿足巴基斯坦南部電力遠距離送出的需要。

默拉直流工程在實驗前直流系統運行方式為極Ⅰ小功率大地回線方式運行，在實驗開始前將兩站的通信光纖拔掉，運行人員操作系統顯示站間通信故障，此時直流系統仍正常運行。實驗人員通過修改軟件，模擬逆變站中性母線接地過流保護動作，逆變站緊急閉鎖，并投入旁通對。之后整流站發生交流電網電壓跌落、直流線路低電壓保護和直流過電壓［2-3］保護相繼動作，最后整流站閉鎖。

根據直流保護［4］動作邏輯詳細分析本次事件，對直流保護動作邏輯提出合理的修改意見，對今后的直流輸電工程的設計和改造具有一定參考意義。

1 Y閉鎖及低電壓、過電壓保護

國內常規直流保護閉鎖邏輯［5-6］主要分為X、Y、Z 3 種閉鎖方式［7］。默拉直流工程采用相同的閉鎖邏輯。

閉鎖的動作類型第一種是移相，即改變觸發角，是所有保護閉鎖中最先采取的動作邏輯，可以有效減小故障產生的應力，如整流站在閉鎖的過程中先移相為逆變狀態，有利于能量的泄放；第二種是立即封脈沖，其目的是防止直流電流急劇上升，主要用于整流側的嚴重故障，當逆變側發生故障立即停發觸發脈沖，形成直流線路末端開路，容易引起直流過電壓；第三種是投旁通對，一個六脈動換流閥包含6 個單閥，每兩個單閥對應一相，當對應同一相上的兩個單閥同時導通我們稱之為旁通對，投旁通對的目的是在故障發生后能夠盡快將直流側能量泄放掉，隔離交/直流系統。

3 種閉鎖方式中，X 閉鎖［8］主要針對換流閥［9］故障，例如整流站發生的閥短路故障、換流變壓器閥側發生兩相短路故障、換流閥丟失觸發脈沖、進行空載加壓試驗（Open Line Test，OLT）時發生的故障等。X閉鎖還適用于觸發回路的故障，尤其是當旁通對不能夠正確選擇時；Y 閉鎖［10］針對的故障類型主要是對設備不產生嚴重應力的直流側故障［11］，如直流線路接地、金屬回線接地故障、雙極中性線區域接地故障、站內接地過電流直流場開關斷開不成功等故障，以及閥冷系統故障、交流系統故障引起的直流諧波增大、雙橋換相失敗等；Z 閉鎖［12］針對的故障類型主要是與直流側相關的過電流或接地故障，如換流閥過電流、直流場接地故障，以及接地極開路、直流低電壓或過電壓故障。

本次試驗是驗證兩個換流站在無通信的情況下逆變站Y 閉鎖后，整流站站閉鎖邏輯，Y 閉鎖動作時序如表1所示。

拉合爾換流站模擬故障發生后保護閉鎖邏輯正確動作，直接投旁通對，斷開換流變交流進線開關，當旁通對投入后直流線路在逆變站發生短路，造成直流線路電流增大，直流電壓跌落。在表1 中，當兩座換流站之間無通信時，逆變站在直流電流達到定值后，延時1 000 ms 封脈沖，此時旁通對停止觸發，造成直流線路在逆變站形成開路。閉鎖動作時序是針對故障站設計的相關動作邏輯，非故障站僅進行閉鎖，不投旁通對、跳交流進線開關。

表1 Y閉鎖動作時序

直流線路低電壓保護［13］的保護范圍是兩個換流站平波電抗器之間的設備，保護系統檢測直流線路電壓，當直流線路電壓UdL跌落達到定值后進行直流線路重啟［14］，保證在線路發生暫時性故障后快速恢復直流運行。在兩個換流站無通信的情況下，拉合爾換流站發生故障后無法發信到默蒂亞里換流站，默蒂亞里換流站不能立即閉鎖直流，只能根據檢測到的直流狀態進行相應的保護動作。當默蒂亞里換流站檢測到直流線路電壓跌落達到定值后，保護才動作。直流線路低電壓保護判據為：|UdL| ＜Uthreshold，保護定值［15］如表2所示。

表2 直流低電壓保護定值

直流過電壓保護［16］的保護范圍包括直流線路和換流器等設備，保護系統檢測極母線電壓，保護設備免受過電壓的危害。默蒂亞里換流站在直流線路重啟后，逆變站旁通對退出，相當于逆變站開路，造成系統產生了過電壓，過電壓保護動作，極Ⅰ執行X閉鎖［17］。

切換系統保護判據為

I段保護保護判據為：

II/III/IV段保護保護判據為：

式中：UdN為中性母線電壓；IDNC為直流電流；Uref和Iref分別為保護定值。直流過電壓保護相關定值［18］如表3所示。

表3 直流過電壓保護定值

2 事件分析

默拉直流工程極Ⅰ大地回線方式運行，功率控制模式為電流模式，電流整定值為303 A，功率傳輸方向由默蒂亞里至拉合爾。

實驗開始前將站間通信光纖拔掉，站間通信故障，在拉合爾換流站控制保護系統軟件中通過置數的方式模擬中性母線接地過流故障，保護系統報出中性線電容器過流保護Y 閉鎖動作，隨后極控發出Y 閉鎖，投入旁通對，跳開換流變進線交流斷路器，極Ⅰ閉鎖，保護邏輯正確動作。默蒂亞里換流站交流系統電壓由520 kV 跌落至325 kV，直流低電壓保護動作，直流線路低電壓重啟線路，直流過電壓保護動作，極ⅠX閉鎖。

對整流站網側交流電壓變低和相關保護動作情況進行分析。

2.1 整流站網側交流電壓變低

逆變站過流保護動作后，控制系統執行Y 閉鎖，在閉鎖換流閥時立即投入旁通對，形成逆變站直流短路；正常運行回路如圖1 所示，投入旁通對后運行回路如圖2所示。

圖1 正常運行時回路

圖2 逆變站投旁通對后回路

逆變站投入旁通對后，整流站波形如圖3所示。

圖3 逆變站投入旁通對后整流站波形

分析圖3波形可得：

1）逆變站閉鎖投入旁通對后，造成直流對地短路，造成直流電壓跌落，整流站直流電壓UdL降低，由660 kV降至0附近；

2）逆變站投入旁通對后，造成直流在逆變站短路，直流電流IdNC由303 A增大至最大值5 499 A；

3）直流電流增大后，整流站為了抑制直流電流增大，控制系統會調節觸發角α，造成觸發角α由15.3°增大至最大110°；

4）觸發角α增大后，系統消耗的無功功率Q增大，由46.8 Mvar增大至1 480 Mvar；

5）系統消耗無功功率Q增大后，交流濾波器［19］不能立即投入，消耗了整流站交流電網大量無功，造成交流電壓跌落，Uac_RMS由520 kV跌落至325 kV。

根據以上分析，整流站網側交流電壓降低為正常現象。

2.2 整流站線路低電壓保護動作

由表2可知，本次試驗低電壓保護定值為231 kV（0.35 pu），延時為700 ms（通信故障）。線路低電壓保護動作波形如圖4所示。

圖4 整流站直流線路低電壓保護動作波形

波形從上到下分別為直流電壓UdL、交流低電壓開關信號ACL_PP、線路重啟信號RESTAR，在圖4中可以看出，直流電壓UdL跌落達到低于保護定值Uthreshold（231 kV）后，經過ACL_PP 屏蔽后，保護開始計時，滿足保護動作延時700 ms 后發出線路重啟信號RESTAR，保護正確動作。

根據以上分析，整流站直流線路低電壓保護為正確動作。

2.3 整流站直流過壓保護動作

整流站極控系統收到直流線路低電壓保護動作后執行移相重啟，整流站控制系統相關波形如圖5所示。

圖5 整流站控制系統波形

波形從上到下分別為直流電壓UdL、IdNC直流電流、觸發角α、強制移相FR、X 閉鎖X_BLOCK，FR 為1表示線路Q強制移相重啟，從直流線路電流跌落至0到線路重啟信號發出時間大概為1.4 s，此時逆變站換流閥旁通對已經停止觸發，直流線路在逆變站形成開路狀態。整流站帶線路重啟，直流電流IdNC會很小，為了建立直流電流，系統會不斷減小觸發角，觸發角減小造成直流電壓迅速增大，當達到直流過壓保護動作定值后保護動作，控制系統收到保護閉鎖信號（X閉鎖），整流站閉鎖。

整流站過電壓保護動作波形如圖6所示。

圖6 整流站直流過壓保護動作波形

波形從上到下分別為直流電壓UdL、直流電流IdNC、系統切換信號SS、X 閉鎖信號X_Block，在上節已經介紹直流過電壓保護保護定值，在圖6 中可以看出，直流電壓UdL滿足保護中III 段定值Uthreshold（1.1 pu/726 kV），延時400 ms 后，發出切換系統信號SS，延時700 ms 后發出X 閉鎖信號X_Block，保護正確動作。通過分析可知，整流站直流過壓保護為正確動作。

為了保護直流系統在兩個換流站之間通信故障的情況下，逆變站發生故障后整流站不發生過電壓，對直流系統的控制策略進行分析，提出了改進方案。

3 改進方案

通過分析之前的直流工程，在德寶直流工程［20］調試過程中也出現過類似的過電壓現象，其修改后的邏輯是在逆變站發生故障閉鎖后，直流線路仍然重啟，但是在線路重啟的過程中首先建立電壓，在直流電壓的建立過程中，當直流電壓達到一定的定值后，如果直流電流仍然無法建立，小于直流電流限定值時直流閉鎖，避免了直流系統過電壓。修改后的控制策略很好地避免了直流系統遭受過電壓的風險。本文在充分考慮后發現直流線路如果發生永久性接地故障，在直流重啟過程中會對設備造成二次沖擊。目前在運直流站間通信可靠性高，在無通信情況下運行的極端惡劣的工況極少。為了避免在站間通信故障的特殊情況下，直流系統再次遭受沖擊，將線路低電壓保護在站間通信故障時不再進行線路故障重啟，當直流線路低電壓達到定值后，延時700 ms，直接進行Y 閉鎖。優化后通過實時數字仿真系統（Real Time Digital System，RTDS）［21］進行仿真實驗，模擬逆變站無通信過流保護動作，逆變站閉鎖后，整流站直流線路低電壓保護動作，保護動作后發出閉鎖信號，整流站Y 閉鎖，波形如圖7所示。

圖7 優化后整流站線路低電壓保護動作波形

由圖7 可知，直流電壓UdL低于保護定值Uthreshold（231 kV）時，保護動作延時（700 ms）后發出閉鎖信號（Y閉鎖），保護正確動作。

仿真結果正確后再進行現場試驗，控制系統相關波形如圖8所示。

圖8 優化后整流站控制系統波形

由圖8 可以看出故障初始時，直流電壓減小、直流電流增大，觸發角升至110°，交流電壓跌落，控制系統收到直流線路低電壓保護動作Y 閉鎖后，直接執行移相閉鎖，整流站閉鎖，直流電壓直接變為零，由于是逆變站故障在整流側閉鎖過程中不會跳開交流開關和投旁通對。

4 結語

整流站網側交流電壓變低為正常現象，整流站直流線路低電壓保護和直流過壓保護均為滿足保護定值后正確動作。

通過對直流線路低電壓保護動作策略的修改，可以避免默拉直流工程在無通信情況下拉合爾換流站閉鎖導致默蒂亞里換流站出現直流過電壓情況。