直流輸電系統故障動作情況及閉鎖案例分析

王琦，周云濤，張飛宇

（國網江蘇省電力有限公司檢修分公司特高壓交直流運檢中心，江蘇南京，210000）

相比交流輸電系統，直流輸電系統在發生接地故障時，存在移相、去游離、再啟動等過程，控制保護動作情況更加復雜。對于剛接觸直流的運行人員，將這個過程詳細分解介紹很有必要。

1 直流系統組成及特點

直流輸電系統由兩端換流站、直流線路和接地極系統三部分構成，如圖1所示。換流站的作用是對交流、直流進行互相轉換，左、右兩端分別是送、受端交流系統。換流站1（整流側）中，交流被轉換成直流，并經過直流輸電線路輸送到換流站2（逆變側）；通過換流站2（逆變側）直流被轉換為交流。

圖1 直流輸電系統構成

與交流系統線路故障一樣，直流線路上的瞬時性故障經故障隔離、熄弧后，絕緣可以很快恢復，直流線路同樣可以恢復運行。與交流系統故障不同的是，直流線路(含接地極線路)故障沒有自然的電流過零點，直流電弧無法自行消除，不可能通過斷路器來切除故障，直流系統主要依靠控制整流側閥控系統實現切除故障和再啟動。

2 直流系統故障保護過程

■2.1 基本原理

直流系統通過合適的順序操作釋放直流線路上累積的能量，經過去游離過程等待絕緣恢復后使直流重新投入運行，這一過程在直流控制保護中稱為直流線路故障重啟。直流線路故障再啟動順序操作大致可以分為移相使電流降為0和等待絕緣恢復再啟動兩個階段，總體作用分別類似于交流系統中的跳閘與重合閘過程。

■2.2 操作順序流程

直流輸電系統故障重啟的順序操作一般可分解為以下幾個階段：移相（至逆變態）、釋放能量、去游離、移相（至整流態）、建立直流電流、故障清除判斷，典型順序操作過程簡況如圖2所示。

圖2 直流輸電系統故障重啟典型順序操作過程

（1）移相（至逆變態）

線路對地閃絡故障以后，相關保護動作，一旦確定為線路故障，整流側換流站迅速增大閥控系統觸發角，典型值為120～160°，系統由整流狀態移相至逆變狀態。該階段歷時Δt1。

（2）釋放能量

直流系統進入逆變態后，線路電流逐漸減小至0，該階段歷時Δt2。

（3）去游離

電流減小至0后，系統等待一段時間供短路弧道去游離，使絕緣再恢復。該階段歷時Δt3，Δt3由系統事先設定，典型值為 150～500ms。

（4）移相（至整流態）

等待系統去游離時長后，整流側換流站迅速減小閥控系統觸發角，典型值為15°左右，系統由逆變狀態逐漸移相至整流狀態。該階段歷時Δt4。

（5）建立直流電流

直流系統恢復至整流狀態后，逐步建立線路直流電流，恢復至故障前的輸送功率。該階段歷時Δt5。

（6）故障清除判斷

系統建立直流電流后完成第一次再啟動過程，此時判斷故障是否清除，若故障清除則再啟動成功，恢復送電，再啟動時間 T1 = Δt1+Δt2+Δt3+Δt4+Δt5（T1-Δt3 的典型值為100～150ms）；若故障未清除，故障電流仍存在，則根據事先設定的程序，準備進行第二次再啟動，并根據程序決定是否降低電壓，若降壓則通常降壓至額定電壓的70%或80%，再重復上述過程，如此循環。

直流線路保護動作有計數器記錄保護動作次數，30s內的保護動次數作累加計數，30s后動作計數器清零。上述順序操作中，允許再啟動次數、去游離時間通常根據直流線路的運行潮流等情況事先設定，而且可根據再啟動極分別設置。通常30s內允許再啟動不超過N次（N為1或2或3），若N次再啟動均不成功，則直流系統閉鎖停運。若N為2，通常第2次再啟動的去游離時間 >第1次再啟動的去游離時間；若N為3，通常第3次再啟動的去游離時間 ≥ 第2次再啟動的去游離時間 >第1次再啟動的去游離時間。

■2.3 再啟動設置

關于允許再啟動次數、去游離時間，國網和南方電網的幾個直流工程再啟動設置見表1。

表 1 直流工程再啟動設置

3 龍政直流閉鎖故障事件概況

20時38分49秒，龍政直流極2線路故障，經兩次全壓重啟、一次降壓重啟不成功后極2閉鎖，閉鎖執行過程中政平站發生極2換流變閥側中性點偏移保護動作導致換流變進線開關跳閘。

■3.1 線路故障重啟失敗分析

由故障錄波圖可以看出，龍政直流極1線路故障后行波保護動作、突變量保護動作，觸發線路重啟動邏輯，經兩次全壓、一次降壓重啟不成功，極閉鎖。

結合故障錄波及事件分析，本次線路故障后直流線路經兩次全壓、切換控制系統及一次降壓后不成功，極閉鎖，線路重啟邏輯執行正確。

■3.2 政平站換流變中性點偏移保護動作分析

政平站收到對站閉鎖指令后閉鎖極2，并投入旁通對。觸發旁通對將兩個換流閥（可控硅）同時導通，使故障電流有通路可走，給線路直流電流形成一個回路，以加快熄弧起到快速放電釋放故障電流的作用。如圖4中紅色回路，電流從B相通過。

圖3 旁通對投入分流回路圖

中性點偏移保護動作條件：①極閉鎖；②閥側零序電壓值大于定值；③延時5秒動作。

由于政平站極2投旁通對，解鎖Deblock_ind信號由1變為0 (DEBL_IND_N信號由0變為1)，滿足條件1。

極1直流電流經龍泉站和政平站極2換流器旁通對形成分流，極2旁通對處于持續導通狀態（電流約150A），相當于政平站極2 Y/Y及Y/D換流變閥側B相（換流變閥側已經是交流電）通過接地極形成單相（B相）接地，電壓三相不平衡，出現零序電壓，并大于了中性點偏移保護零序電壓定值。滿足條件2。

本次極2線路接地故障持續時間較長，超過6s，大于了延時5s的定值，滿足條件3。

綜上，導致極2 Y/Y及Y/D換流變中性點偏移保護動作出口，跳開5012、5013開關。

4 總結

直流輸電線路在發生永久性接地故障后，會經歷再啟動過程，相當于交流系統的重合閘。若再啟動失敗，引發極閉鎖，此時應研究線路故障閉鎖極時應該采用Y閉鎖還是Z閉鎖，最大程度的避免故障的擴大。

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