背靠背直流輸電故障閉鎖后過電壓分析和優化

劉 喬 王俊生

背靠背直流輸電故障閉鎖后過電壓分析和優化

劉 喬 王俊生

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

背靠背直流輸電系統某些靠近接地點端發生直流母線接地故障時，系統閉鎖后會出現過電壓現象。本文分析其原因為故障點與接地點形成短路回路，引起閥短路保護先于極區接地保護動作。此類故障情況下，閥短路保護動作后執行立刻閉鎖，在閉鎖過程中造成直流系統過電壓；而單獨的直流母線接地故障執行正常閉鎖，或者單獨的閥短路故障執行立刻閉鎖，均不會出現閉鎖后的過電壓現象。本文引入接地點電流作為輔助判據，提出兩種優化方法。當發生相同的靠近接地點端直流母線接地故障時，控制系統有選擇性地執行不同閉鎖方式，可有效避免閉鎖后出現直流系統過電壓，有利于電力系統故障的可靠隔離，降低系統一次設備運行風險。

背靠背；直流輸電；接地故障；過電壓；閉鎖

0 引言

背靠背直流輸電系統是輸電線路長度為零的直流輸電系統。這種類型的輸電系統主要用于兩個非同步（不同頻率或相同頻率但非同步）運行的交流電力系統之間的聯網或送電，也稱為非同步聯絡站。背靠背直流輸電系統的整流站設備和逆變站設備通常安裝在一個換流站內，稱為背靠背換流站。在背靠背換流站內，整流器和逆變器的直流側通過平波電抗器相連，構成直流側的閉環回路；其交流側分別與電網的連接點相連，從而形成兩個電力系統的非同步聯網[1-4]。另外，換流站內的接地點一般配置在受端6脈動換流器橋中點，當某些直流母線靠近接地點端發生接地故障時，系統反送時故障點會與受端換流器橋中點接地點形成短路回路，現有的隔離這類故障采取的閉鎖策略會導致系統出現過電壓現象[5-9]。

本文針對背靠背直流輸電系統靠近接地點端發生直流母線接地故障后的閉鎖過程中容易出現直流系統過電壓的現象，提出一種引入接地點電流作為閉鎖時序輔助判據的新思路，以解決上述過電壓問題[10-15]。

1 故障特征分析

某背靠背直流輸電工程開展廠內系統仿真試驗，分別進行功率1.0p.u.工況正送和反送直流母線接地故障試驗，背靠背直流輸電主接線及故障點示意圖如圖1所示，試驗發現反送時F2和F4故障點會出現閉鎖后過電壓現象。

反送接地故障點F2試驗波形如圖2所示。由圖2（a）可見，直流母線2電壓d2在約0.41s后快速到-200kV左右（測量飽和，實際電壓數值更高），且長時間保持過電壓值，導致系統承受長時間的過電壓；由圖2（g）和圖2（h）可以看出，在約0.41s時刻先執行了X閉鎖再執行Y閉鎖；由圖2（c）和圖2（d）可以看出，閥星側電流遠大于直流電流，閥短路保護動作；由圖2（b）可以看出，站內接地電流接近10 000A，極區的接地保護動作；由于先執行X閉鎖，圖2（f）中約0.405s時刻，閥星、角側6脈動觸發脈沖信號變為0。

圖1 背靠背直流輸電主接線及故障點示意圖

背靠背直流控制保護系統故障處理與常規高壓直流系統一樣，閥短路保護的閉鎖方式為立刻閉鎖（X閉鎖），極區接地保護的閉鎖方式為正常閉鎖（Y閉鎖）。

反送接地故障點F1試驗波形如圖3所示。由圖3（a）可見，閉鎖后直流母線2沒有出現過電壓；從圖3（c）、圖3（d）和圖3（f）可以看出，本次試驗閥短路保護未動作；從圖3（b）和圖3（g）可以看出，極區的接地保護動作執行了Y閉鎖。

根據以上兩次試驗的結果進行分析，過電壓問題應與閉鎖方式的不同有關。為了明確閉鎖后過電壓現象與閥短路保護動作及產生X閉鎖是否有直接關系，觀察反送功率1.0p.u.工況圖1中閥臂短路故障點F5和6脈動橋短路故障點F6。閥臂短路故障與6脈動橋短路故障均引起閥短路保護動作，并執行X閉鎖，另外伴隨直流過電流保護動作執行Y閉鎖。

反送6脈動橋短路故障點F6試驗波形如圖4所示。由圖4（a）可見，在閉鎖后直流母線2電壓d2降至約-100kV，未出現過電壓現象（額定電壓±100kV）。

綜上所述，單獨的X閉鎖或單獨的接地點電流激增均沒有出現系統閉鎖后的直流過電壓現象，出現過電壓現象的工況是同時產生X閉鎖和接地點電流激增。

除上述試驗故障點外，再分析另外幾種工況和故障位置的閉鎖后直流過電壓情況。

圖1中直流受端6脈動橋中點接地，該接地點的存在是造成該類型背靠背工程與常規高壓直流故障特征不同的關鍵。由于上、下半橋對稱，從故障點F1～F4中選擇F1和F2展開分析。

正送F1和F2接地故障電流回路示意圖如圖5所示。圖5中，實線為F1點故障電流回路，可以看出流過VY_S1、VD_S1、d2、VD_S2及dGND測點的故障電流大致相等，d1、VY_S2測點不流過故障電流；虛線為F2點故障電流回路，可以看出流過VY_S1、VD_S1、d1、d2、VD_S2及dGND測點的故障電流大致相等，VY_S2測點不流過故障電流。S1端Y橋閥短路保護采用的差流VY_S1-max(d1,d2)在F1和F2故障下均為零，閥短路保護均不動作。

圖5 正送F1和F2接地故障電流回路示意圖

反送F1和F2接地故障電流回路示意圖如圖6所示。圖6中，實線為F1點故障電流回路，可以看出流過VY_S2、d1及dGND測點的故障電流大致相等，VD_S2、VY_S1、VD_S1及d2測點不流過故障電流；虛線為F2點故障電流回路，可以看出流過VY_S2和dGND測點的故障電流大致相等，VD_S2、VY_S1、VD_S1、d1及d2測點不流過故障電流。S2端Y橋閥短路保護采用的差流VY_S2-max(d1,d2)在F1點故障下為零，閥短路保護不動作；但是在F2點故障下，差流很大，閥短路保護動作。

圖6 反送F1和F2接地故障電流回路示意圖

以上4種故障回路中，前3種故障回路閥側電流與直流電流最大值大致相等，不會出現閥短路保護差流，保護最終通過接地點電流超過動作定值觸發極區接地保護動作，執行Y閉鎖，兩母線電壓均不產生閉鎖后的過電壓；圖6中反送F2故障回路4閥側電流激增，直流側電流為0，形成類似故障點F6的6脈動橋短路故障回路，但比其多經過一個站內接地點電流互感器（current transformer, CT），并伴隨接地電流激增的特點，觸發閥短路保護和極區接地保護相繼動作。因此，X閉鎖和接地點電流激增同時出現是導致閉鎖后直流母線電壓反向并持續過電壓的原因。

2 保護動作改進策略

通過第1節分析發現，閉鎖后出現過電壓問題是X閉鎖和接地點電流激增雙重原因所致，本文據此提出如下兩種直流保護動作改進策略。

策略1：在閥短路保護算法中修改原閥短路判據，增加dGND輔助判據，選擇性地輸出閥短路X閉鎖動作信號或閥短路Y閉鎖動作信號，在PAM跳閘矩陣中分別選擇執行X閉鎖或Y閉鎖，輔助判據邏輯示意圖如圖7所示；原閥短路保護動作僅輸出一種動作信號。

圖7 輔助判據邏輯示意圖一

策略2：在控制執行動作策略時修改X閉鎖邏輯，增加dGND輔助判據，選擇性地輸出X閉鎖指令或Y閉鎖指令，輔助判據邏輯示意圖如圖8所示。推薦在PAM跳閘矩陣后分別執行X閉鎖或Y閉鎖。

圖8 輔助判據邏輯示意圖二

策略1的優點是僅對閥短路保護進行優化，不會影響其他保護；缺點是改變了常規的閥短路保護判據，不利于保護標準化的執行。

策略2的優點是無需修改保護邏輯，缺點是所有動作結果為X閉鎖的保護都會受到優化方法的影響。目前，背靠背直流輸電工程中采用X閉鎖的僅有閥短路保護、單橋換相失敗保護和過電壓保護，試驗結果表明單獨的閥短路故障、單橋換相失敗及過電壓故障不會產生大的接地電流，即不會存在X閉鎖與接地電流激增同時出現的情況，因而增加dGND輔助判據，最終會選擇“否”支路，與沒有進行優化前閉鎖策略的執行結果等效。

定值set的選擇：反送0.1p.u.小功率情況下發生圖1中F2和F4點接地故障時，無本文優化方法的仿真結果顯示，閥短路保護動作但沒有出現閉鎖后的過電壓現象。因此，set可以選擇大于0.1p.u.的數值（以仿真結果為準）。

3 仿真驗證

為了驗證本文所提改進策略的可行性，以土耳其背靠背直流輸電工程實際參數為依據，以真實的直流控制保護系統和實時數字仿真（real time digital simulation, RTDS）形成實時閉環仿真系統?？乇３绦蛟诓捎酶倪M策略優化后，工況為反送1.0p.u.運行，在RTDS中觸發F2點接地故障，進行試驗驗證。系統參數見表1，改進策略后反送接地故障點F2試驗波形如圖9所示。

表1 系統參數

由圖9（a）可見，系統直流母線2電壓d2在約0.4s后均不超過-100kV，且很快降到0，沒有出現閉鎖后的過電壓。由圖9（b）、圖9（c）、圖9（d）、圖9（g）和圖9（h）可以看出，本次試驗閥短路保護及極區的接地保護均動作，但最終按照改進策略選擇執行了Y閉鎖。

如圖8所示，控制系統收到X閉鎖預指令后，判斷dGND不小于set（程序設置該定值為0.5p.u.= 1 500A），在圖9（b）中站內接地電流接近10 000A，遠大于1 500A，選擇執行Y閉鎖。圖9（f）中約0.405s時，閥星、角側6脈動觸發脈沖值繼續保持非零值，直至約0.475s時刻閥星、角側6脈動觸發脈沖值才變為0，以上結果也表明沒有執行立即閉鎖（X閉鎖）脈沖策略。

4 結論

本文分析了背靠背直流系統靠近接地點端發生直流母線接地故障的故障特征，提出了背靠背直流輸電系統避免閉鎖過程產生過電壓的優化方法，通過引入接地點電流作為閉鎖時序輔助判據改進保護動作策略。當系統反送靠近接地點端發生直流母線接地故障時，閥短路保護動作后選擇性地執行Y閉鎖，有效避免了直接執行X閉鎖引起的直流系統過電壓現象，有利于電力系統故障的可靠隔離。另外，該優化方法可根據接地點電流是否小于接地點電流門檻值來識別故障類型，若是則判定故障類型為閥區短路故障，否則判定故障類型為極區接地故障。

本文提出的優化方法不僅適用于背靠背直流輸電工程，通過拓展延伸還可以適用于采用偽雙極拓撲的雙端直流輸電工程。例如，目前國網正在建設的江蘇揚州—鎮江±200kV直流輸電工程，其采用類似背靠背直流系統的單12脈動換流器，各換流站的接地點配置在兩個6脈動換流器橋中點，在傳統背靠背直流輸電系統基礎上增加直流輸電線路，這一類兩端直流工程也可采用本文的改進策略。

[1] 陶瑜, 龍英, 韓偉. 高壓直流輸電控制保護技術的發展與現狀[J]. 高電壓技術, 2004, 30(11): 8-10.

[2] 趙畹君. 高壓直流輸電工程技術[M]. 北京: 中國電力出版社, 2004.

[3] 袁清云. 特高壓直流輸電技術現狀及在我國的應用前景[J]. 電網技術, 2005, 29(14): 1-3.

[4] 劉振亞. 特高壓電網[M]. 北京: 中國經濟出版社, 2005.

[5] 張穎, 邰能靈, 徐斌. 高壓直流輸電系統閥短路保護動作特性分析[J]. 電力系統自動化, 2011, 35(8): 97-102.

[6] 王俊生, 朱斌. 逆變側換流變閥側連接線單相接地動作策略分析[J]. 電力系統自動化, 2010, 34(23): 119-123.

[7] 張慶武, 王永平, 陳小軍, 等. 特高壓直流控制保護系統設計與開發[J]. 電力系統自動化, 2013, 37(21): 88-93.

[8] 陶瑜, 馬為民, 馬玉龍, 等. 特高壓直流輸電系統的控制特性[J]. 電網技術, 2006, 30(22): 1-4.

[9] 徐海軍, 阮思燁, 呂鵬飛. 高嶺背靠背直流50Hz和100Hz保護動作分析[J]. 電力系統保護與控制, 2010, 38(4): 54-57.

[10] 呂彥北, 盧東斌, 李林, 等. 直流線路故障時抑制交流過電壓的延時移相策略研究[J]. 電氣技術, 2023, 24(5): 76-81.

[11] 方乙君. 云霄背靠背換流站接地系統設計[J]. 電氣技術, 2023,24(10): 39-43.

[12] 賈軒濤, 熊飛, 張玉鐸. 某特高壓直流輸電工程直流電壓異常分析及解決措施[J]. 電氣技術, 2023, 24(11): 65-70.

[13] 肖龍, 李泰, 李艷梅, 等. 高壓直流輸電線路故障模擬與重啟動策略[J]. 電氣技術, 2023, 24(8): 70-73, 77.

[14] 龍磊. 特高壓混合多端直流系統故障退站后處置方法研究[J]. 電氣技術, 2023, 24(3): 44-51.

[15] 尹海濤, 賴皓, 潘立邦. 特高壓換流站極解鎖時過壓保護動作分析及改進措施研究[J]. 電工技術, 2020(8): 88-89, 92.

Analysis and optimization of overvoltage after fault blocking in back-to-back DC transmission

LIU Qiao WANG Junsheng

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

When a DC bus ground fault occurs near the grounding point in a back-to-back DC transmission system, overvoltage may occur after the system is blocked. This paper analyzes the short-circuit circuit formed between the fault point and the grounding point, which causes the valve short-circuit protection to act before the pole grounding protection. In such a fault situation, the valve short-circuit protection action X block, causing overvoltage in the DC system during the blocking process. But the DC bus ground fault to act Y block, or the valve short-circuit fault to act X block, does not appear the overvoltage phenomenon after blocking. In this paper, the ground current is introduced as an auxiliary criterion, and two optimization methods are proposed. When the same DC bus ground fault occurs near the grounding side, the control system selectively performs different blocking mode. It can effectively avoid the DC system overvoltage after blocking, and is beneficial to the reliable isolation of power system faults and reduce the risk of the system’s primary equipment operation.

back-to-back; DC transmission; ground fault ; overvoltage; blocking

2023-10-18

2023-12-27

劉 喬（1987—），男，湖北省監利市人，碩士，主要從事特高壓直流輸電控制保護技術方面的研究工作。