高壓直流輸電系統的繼電保護策略研究

邵 增，孫穎慧，王怡雯，于 祥

（天津職業技術師范大學，天津 300000）

1 概述

高壓直流輸電系統由于其技術和經濟上的特殊優越性，在中國遠距離大容量輸電系統和大區網絡中的使用非常普遍，高壓直流輸電繼電保護系統是由高壓直流繼電保護技術和各種高壓直流繼電保護裝置組成，涵蓋高壓輸電直流繼電保護的設計、配置、整定、調試等相關技術，包含測量、通信、動作等具體的設備。直流輸電系統的故障和非正常操作會引起一系列的嚴重后果，最直接的影響就是對電氣設備產生了不可逆的傷害，甚至有可能造成了直流系統單極或雙極閉鎖事件，因此，繼電保護策略在直流輸電系統中起著重要的作用[1]。

2 高壓直流電系統繼電保護的作用和任務

在高壓直流輸電系統中運行的機械設備出現故障時，系統自動、快速地把故障的機械設備從控制系統中分離開來，從而最大限度地減少了對非故障機械設備的影響，減小了故障范圍，完成這一任務的裝置稱作繼電保護裝置。高壓直流輸電系統繼電保護的主要任務如下。

（1）及時、精確地檢查直流電力輸送控制系統的各種設備故障型，并自動、迅速、有選擇性地把所有設備故障部件從直流電力輸送控制系統中移除，使設備故障元件避免進一步受到損害，并確保其無故障部分盡快恢復正常工作。

（2）反應了直流輸電系統的不正常工作狀況。監測到直流輸電系統不能正常工作后，按照運行的保護要求而動作并發出信號、減負載或跳閘切斷電路等。繼電保護系統通常不需要馬上動作，而是按照對故障系統產生的危險程度規定了相應的延時措施，以防止因短暫干擾而引起的誤動作。

3 高壓直流輸電系統的常見繼電保護策略

3.1 換流區的保護

換流器區在直流輸電系統工程中，具有由交流轉換直流、直流轉換交流的樞紐點功能，是直流系統電力輸送控制系統中最關鍵的部件。換流器區的主要出現故障問題原因有以下4 種。

（1）逆變器的換向設備故障問題。

（2）換流器的主線切換電源間短接設備故障問題，以及換流器的交換側與直流輸出側各個接地端子間短路設備故障問題、換流器的載流元件及接地端子間對地短接等。

（3）換流閥自然本體及系統的設備故障問題。

（4）由區內、區外設備故障或不正常工作狀態所引起的換流器過電壓水平、過電流。

根據不同的故障使用了不同的原理，具體包括差動保護組、諧波電流傳動保護組、觸發保護組、電流保護組、電流保護組、換流閥及本體保護組等。一種保護類型一般可以保護多種故障，針對一種故障的保護也可以由多種保護類型來完成[2]。

3.2 直流母線區的保護

直流母線區由高壓直流母線與中性母線組成，是換流器與直流線路、換流器與接地極以及導線之間的重要銜接部分。直流母線區的主要故障種類包括：高壓直流母線區對地的短路、高壓直流母線對中性直流母線短路、中性直流母線對地短路等。在發生故障后，由于故障通道的引入，直流系統的等效電路以及相關電氣量的變化規律與正常運行時有很大差異。如不及時采取有效措施，有可能造成相關設備的損壞，并導致事故的進一步擴大。對直流母線區的各種類型進行分析，明確各種故障的機理以及故障特征，并在此基礎上進行合理的保護、配置和參數整定，是直流輸電系統安全、平穩運行的重要保障。常見的直流母線區保護措施包括以下3 種。

（1）高壓直流母線的差動機構保護措施，主要用于保證高壓直流母線對地和對中性直流母線的短路故障。

（2）中性直流母線差動保護器，用于防護中性直流母線的對地短路故障。

（3）直流后備差動保護，同時對直流母線區的故障和換流器區接地故障進行保護，一般作為兩個區域接地故障的總后備保護。

3.3 直流輸電線路的保護

直流輸電線路也是整個直流輸電體系功率傳遞的主要路徑。由于直流系統輸電線路距離較遠，所跨區域的地形、天氣環境等復雜多變，因此出現故障問題的概率也較大。據實際運營情況統計表明，直流系統輸電線路故障問題數量大約占全部直流輸出系統故障總數的50%以上，是整個直流輸出體系中最主要的故障問題類別。而直流系統輸電線路在實際運營的過程中，可能出現的故障問題主要有極線開路（斷線）、極對地短路問題、極線間短路問題等。若直流輸出線路跨越交流線路，還可能發生交直流導線接觸碰線的故障問題。直流輸電線路防護體系主要有行波防護、微分欠壓防護（低電壓防護）、直流運輸線路縱差防護和直流輸出運輸線路橫差防護等。直流輸出運輸線路行波防護作為直流輸電線路的主要保護措施，對直流輸出運輸線路上的故障問題產生了最迅速反應；而微分欠壓防護則是行波防護的主要后備保護措施，在行波防護推出并運行時，將微分欠壓防護作為直流輸電線路的主要保護措施投入工作；直流輸出運輸線路縱差防護則作為行波防護和微分欠壓防護的后備保護措施而設置，主要用來檢查出現在輸電纜保護路上的高阻或接地故障，在行波防護和微分欠壓防護拒動時，縱差防護動作可以有效消除該線故障問題，避免故障范圍擴大。

3.4 接地極線路區的保護

接地極線路主要作用是：①直流提供回路通道。②直流系統提供參考電位。接地極線路區與直流母線區以及電流互感器為界，主要設備包括接地極、接地極引線、接地極母線、站內接地網及單極金屬回線運行方式下的金屬回線，以及各種連接開關等。主要的故障種類分為接地極母線區故障、接地極引線短路電流故障、金屬回線短接故障、以及接地極線區內的過電壓問題等，在接地極線區內維護方式主要分為接地極母線差流維護、接地極輸出電壓不均衡維護、接地極過電壓維護、站內接地網過電壓維護、接地系統維護、金屬回線縱線差保護、金屬回線接地保護、接地阻抗監視等。

3.5 換流變壓器的保護

換流變壓器是直流輸電項目工程中的重要核心部件，連接于交流母線與換流器之間，為換流器的正常工作提供交流電源，與換流器合作實現電能由交流到直流的轉換。我國現有的高壓直流輸電系統中采用的換流變壓器屬大型電力變壓器，一般為單相三繞組或者單相雙繞組的自耦變壓器結構。主要故障問題有以下6 種。

（1）換流變壓器內繞組匝與層之間的短路保護故障問題。

（2）換流變壓器內繞組溫度接地保護故障問題。

（3）換流變壓器外網側的接地保護短路問題。

（4）換流變壓器閥側的交流連線相接故障問題。

（5）換流變壓器引線相接故障問題。

（6）換流變壓器引線相間故障問題。

3.6 交、直流濾波器的保護

換流器在進行交、直流變換的同時會在直流側和交流側產生大量諧波，既包括理想條件下由換流器固有屬性引起的特征諧波，也包括非理想條件下由濾波器參數不對稱、換流變壓器飽和等因素產生的非特征諧波。這種諧波信號，不僅會對整個電力系統的設備安全和網絡系統平穩進行造成危害，還可能對周圍的通信網絡系統造成嚴重影響。高壓直流電力輸送控制系統中，一般采用安裝在交換配電母線上的交換過濾器，和安裝在直流電壓配電母線上的直流濾波器，用來控制流入交、直流電壓控制系統中的諧波頻率電流，將其控制在允許范圍之內。由電阻、電容、電感器件組成的傳統無濾波器是目前直流輸電系統主要采用的交流濾波器形式，極少數的直流輸電系統也部分采用了有源濾波器。濾波器一旦發生故障，如不及時進行故障隔離，不但會威脅到組成器件本身的安全，甚至還可能進一步造成故障擴大，引發直流系統的故障停運。因此，必須設計可靠、快速、靈敏且有選擇性的交、直流濾波器保護，以保證設備和系統的安全穩定運行。直流濾波器故障會造成電容元件損壞、系統短路故障。交流濾波器發生故障后，若不及時進行故障清除或隔離，除了會造成濾波器組成器件及換流站其他一次設備的損壞，造成直流系統不必要的停運。

3.7 高速開關的保護

直流高速開關的作用是將直流電流快速地從一個電流通路轉換到另一個通路，以實現直流系統運行方式的轉換，隔離故障電路，保護相關設備的安全，保證系統健全部分繼續運行。在高壓直流系統中，最常見的高速直流系統控制開關主要有高速中性母線保護控制開關、高速接地保護控制開關、金屬回路切換控制開關、金屬回流控制開關等4 種型。其中，高速中性母線保護開關設置在直流中性母線保護的靠近接地保護線路一側，用于將停運極的中性直流母線與運行極相隔離，以保證正常運行極能夠繼續穩定運行。一方面方便故障極的故障排除，另一方面盡量減少故障極對非故障極的干擾。金屬回路開關又叫大地回路轉換開關，設在極一和極二之間的公共中性線上，用于把電壓由單極金屬線電路轉移至單極大地電路。金屬回路轉換開關置于極一和極二之間的公共接地極母線上，用于將電流由單極大地電路轉移至單極的金屬線電路。高速接地開關安裝于極一、極二的公共接地極母線和站內接地網之間。針對高壓直流一次電流沒有自然過零點的特點，直流高速開關通過在傳統交流斷路器上加裝輔助回路，產生諧振過零時電流，使電壓過零時才能有效滅弧。直流系統中常用的直流高速開關有帶無源輔助回路和帶有源輔助回路兩種類型[3]。

4 結語

高壓直流輸電系統中的繼電保護裝置的存在是必不可少的，繼電保護系統裝備的安全性與平穩運行將影響到整個輸電系統，乃至整個電力系統，每個環節的故障或者非正常運行都會導致不可逆的損壞，因此，針對不同的環節和硬件應采取不同的繼電保護策略，快速、有效地保護系統的穩定運行。