淺談換流站直流保護配置及動作策略

曹俊龍

（中南電力設計院，湖北 武漢 430071）

淺談換流站直流保護配置及動作策略

曹俊龍

（中南電力設計院，湖北 武漢 430071）

高壓直流輸電應用越來越廣泛，直流保護是保障直流輸電系統可靠穩定運行的重要手段。本文介紹了高壓直流系統保護的分區原則，并詳細說明了各保護分區的保護及測點配置；直流輸電系統的運行方式靈活多樣，為了盡快清除故障、降低對設備、電網的不利影響，不同分區的保護策略不盡相同，本文介紹了閉鎖、隔離、跳閘、與控制系統配合等保護動作策略。

直流保護；保護分區；保護測點；配置動作策略

0 引言

隨著高壓直流輸電技術的發展，特高壓直流輸電廣泛應用于更大功率、跨地區遠距離的輸電，實現了能源大范圍的轉移，有效地解決了我國能源資源與用電需求逆向分布的問題?！洞髿馕廴痉乐涡袆佑媱潯访鞔_了調整能源結構、促進清潔發展的方向。因此在清潔能源大規模集約開發的同時，發展特高壓電網用于清潔能源的消納，是應對霧霾的有效舉措。2020年前后，我國電網將規劃建設近40個包含跨省區、跨國的不同電壓等級直流系統，屆時我國將是世界上直流輸電技術應用最廣泛的國家。直流控制保護系統是直流輸電的“大腦”，是直流輸電系統的核心；其中直流保護系統的主要任務是在高壓直流系統出現各種不同類型故障時，快速、可靠地切除故障，將故障和異常運行方式對電網的影響限制到最小范圍。

隨著高壓直流保護技術的發展，逐漸呈現出如下特點：

（1）微機化。采用微處理機技術的直流保護具有集成度高、判斷準確、便于定值修改、經濟性好等優點。

（2）與直流控制系統的關系更加密切。特高壓直流保護動作的主要措施，包括換流器緊急移相、投旁通對、閉鎖觸發脈沖、系統重啟動、故障換流器切除等，均需要通過直流控制系統改變換流器的觸發角或閉鎖觸發脈沖完成，兩者關系密切。直流保護和控制的良好配合，既能快速抑制故障的發展，迅速切除故障，又能在故障消除后迅速恢復直流系統正常運行。

（3）冗余配置。為了提高直流輸電系統運行的可靠性，保護裝置均采用冗余配置。根據技術路線的不同，有些工程中保護出口采用“三取二”邏輯，能較好的提高保護動作的可靠性，有些工程則采用較為簡單的雙重化冗余方式，有一套保護出口即可，能降低保護拒動的風險，但不利于防止保護誤動的發生。冗余配置有利于提高保護系統的可用性，盡量避免因保護系統故障而引發系統停運。

1 直流保護分區及測點配置

（1）直流保護分區。直流保護系統的范圍和換流站的特點密切相關，主要覆蓋換流器及閥廳設備、直流場設備、直流濾波器、直流線路、換流變壓器、交流濾波器、接地極引線等。直流系統保護采取分區配置，通常將直流側保護、交流側保護和直流線路保護三大類，分為6個保護分區。根據以往直流運行及工程設計經驗，不同的保護區域相互重疊，不允許出現保護死區。典型的高壓直流保護分區如圖1所示。在圖1中，區域1為換流器保護區，區域2為直流極母線保護區，區域3為中性母線保護區，區域4為直流線路保護區，區域5為雙極中性線和接地極線路保護區，區域6為直流濾波器保護區。

（2）直流保護測點配置。高壓直流保護系統中的測點用于向保護系統提供必要的電氣量或其他物理量信息。合理配置保護測點直接決定了保護系統能否有效檢測出直流系統的故障狀況和其他異常狀況以及能否實現對整個直流系統的有效保護。在圖1中給出了±500kV高壓直流輸電工程中直流保護系統測點的典型配置。相關電流、電壓量的縮寫對照見表1。

2 直流保護配置

（1）換流器保護。換流器保護主要覆蓋12脈動換流器、換流變閥側繞組和閥側交流連線等區域，換流器區主要故障有：換流閥短路、換流器接地短路、丟失觸發脈沖、換相失敗、閥過電壓等。因此，換流器區域主要保護配置如表2所示。

圖1 高壓直流保護典型分區

表1 直流測點電流、電壓量縮寫對照

表2 換流器保護配置

圖2 換流器區保護測點

表3 極保護配置

換流器區保護的測點示意見圖2。

（2）極保護。極保護主要覆蓋極母線、極中性母線和中性線開關等區域。極區主要故障有：直流極短路、接地故障以及直流回路開路等。直流極母線區配置的主要保護見表3。

（3）直流線路保護。直流線路區域的主要故障有：金屬性接地、高阻接地短路、與交流系統碰線等。直流線路區配置的主要保護見表4。

直流極母線區保護的測點示意見圖3。

圖3 直流極母線區保護測點

表4 直流線路區保護配置

直流線路保護區的測點見圖4。

圖 4 直流線路區保護測點

（4）雙極中性線和接地極線路保護。雙極中性線保護主要覆蓋雙極公用連接區域以及其中的開關設備。雙極區的主要故障類型有：接地短路、斷線等。雙極中性線和接地極線路區配置的主要保護見表5。

表5 雙 極中性線和接地極線路區保護配置

雙極中性線和接地極線路保護區測點見圖5。

另外，雙極區裝設有金屬回線轉換開關、金屬回線開關和快速接地開關，針對這些開關可能出現無法斷弧的故障，配置金屬回線轉換開關保護（82_ MRTB）、金屬回線開關保護（82_MRS）和高速接地開關保護（82_HSGS）。這些開關保護的測點示意見圖6。

圖5 雙極中性線和接地極線路區保護測點

圖6 開關保護測點

（5）直流濾波器保護。直流濾波器保護范圍包括直流濾波器高、低壓側之間的所有設備的保護，所配置的保護能保護所有元件免遭由于諧波電流超標或者由于過電壓而產生的過應力見表6。

表6 直流濾波器區保護配置

直流濾波器區保護測點配置見圖7。

圖7 直流濾波器區保護測點

3 直流保護動作策略

直流輸電系統運行方式靈活，故障時為了切除故障點或盡快恢復，把對設備、電網的影響降到最小，不同保護區域的保護動作策略是不盡相同的。如極區故障時主要影響是本極區域，相應保護應準確動作并隔離故障點。極線或接地接線路故障大部分為短時故障，因此當這些區域發生故障時相應保護盡可能通過重啟功能清除故障。雙極區發生故障時可能對雙極運行產生不良影響，保護必須能準確判斷故障類型，并盡可能將故障影響降至最低。

另外，直流保護動作的執行與直流控制有著密切的關聯，在很多情況下會首先啟動控制功能，如進行閉鎖、移相、雙極平衡、降電流等操作，達到保護設備和保證直流安全運行的目的。如通過控制系統切換清除控制系統本身的故障（控制系統故障引起的脈沖丟失等）。通過功率回降避免設備過負荷；通過調節分接頭防止控制系統失效引起設備過應力；通過極間的電流平衡防止接地網過流；通過再起動邏輯使故障線路充分去游離，重新正常運行等。

不同程度的故障下，保護動作的執行方式有所不同。對于嚴重的并需要快速閉鎖脈沖或無法正確選擇旁通對的故障，應立即閉鎖點火脈沖,斷開交流斷路器（如整流側橋臂短路或丟失脈沖故障）；對于較為嚴重的故障,應立即移相，以抑制故障電流的發展，之后閉鎖換流器、跳閘，這類故障包括連續的換相失敗、直流側接地故障以及其他原因引起的直流過流。對于輕微故障，例如單次換相失敗、直流諧波略高以及可控硅元件損壞、數量沒有超過冗余量，系統只給出報警。

4 結語

結合直流保護范圍分區，本文主要對常規高壓直流輸電工程中直流保護的配置及測點設置進行了介紹。相鄰的保護區域相互重疊，并且每一保護區域配置了多種不同原理的保護。由于故障類型不同，嚴重程度不同，各區域直流保護的動作策略也不相同，本文介紹了直流保護閉鎖、隔離、重起等動作策略，有利于盡快清除故障，使系統恢復正常運行或將對設備、電網的影響降至最低。

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