特高壓柔性直流輸電閥區接地故障保護策略

楊建明 1，甘宗躍 ，董云龍 1，王海軍 ，黃劍湘 ，彭茂蘭

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

柔性直流輸電采用的是可關斷器件，沒有常規直流的換相失敗問題，更不存在一個直流工程換相失敗導致多個直流工程同時換相失敗或交流系統故障導致多個直流工程同時換相失敗問題［1-2］，極大地提高了包含多個直流工程電網的穩定性［3］。因此柔性直流在配電［4］和輸電領域取得跨越式發展，比如南澳柔直工程［5］、舟山多端柔性直流輸電工程［6］、廈門柔直工程［7］、渝鄂背靠背直流工程［8-9］、張北柔性工程［10］。

但是，傳統采用半橋子模塊的柔性直流在直流線路故障和閥區接地故障時需要閉鎖換流器并且跳開交流斷路器才能實現故障隔離。如果將全部采用半橋子模塊的換流閥應用于特高壓柔性直流，即使配置特高壓直流斷路器使得特高壓柔性直流具備穿越直流線路故障的能力［11-12］，但全部采用半橋子模塊的換流閥仍然無法產生零壓，不能實現在線投退換流閥。另外，在閥區發生非接地故障時也必須先跳進線斷路器才能合旁通開關BPS，否則合旁通開關BPS會造成交流系統短路。因此全部采用半橋子模塊的換流閥應用于特高壓領域時還存在一定的弊端。當特高壓柔性直流換流閥采用全橋子模塊的數目達到一定比例時，比如70%［13］，則換流閥不僅具備穿越直流線路故障的能力，而且能控零壓實現在線投退換流閥。本文所做研究不做特別說明都是針對含全橋子模塊的數目達到上述要求的特高壓柔性直流。

在特高壓直流輸電領域，雙換流閥串聯的結構給柔性直流保護提出了新的要求，閥區保護策略尤其是接地故障保護策略成為特高壓柔性直流工程化必須面對的新課題。然而，相關的特高壓柔性直流控制保護策略研究較少，都集中在特高壓混合多端直流的線路保護［14］及混合多端的控制策略［15-16］，沒有涉及特高壓柔性直流閥區保護策略特別是閥區接地故障保護策略。本文立足于閥區接地故障，著眼于故障處理、測量設備配置、保護配置及原理，參考南方電網和國家電網特高壓常規直流閥區接地故障的兩種不同的處理路線，分別提出了兩種可工程化的特高壓柔性直流閥區接地故障保護策略。

1 閥區接地故障分區及處理策略

圖1給出了特高壓柔性直流閥區典型的接地故障。根據特高壓柔性直流換流閥的特征，本文將特高壓柔性直流閥區分為3個子區域：第一區域包括交流連接線和上、下橋臂之間的部分；第二區域包括換流閥與換流閥隔離刀閘Q1、Q2、Q3、Q4之間的部分；第三區域包括換流閥隔離刀閘Q1、Q4與直流母線之間的部分和換流閥隔離刀閘Q2、Q3之間的部分。

1.1 第一區域接地故障

全橋子模塊在可關斷器件關斷后，因為續流二極管的單向導電性，電流都是從電容的正極性一側流入、負極性一側流出，所以關斷可關斷器件能使電容立即工作于充電狀態。直流故障發生時，工作于充電狀態的電容能使故障回路的電流很快熄滅。

圖1中的F1、F2故障在高壓換流閥閉鎖、故障電流熄滅后，故障點與其它連接線、設備沒有回路，因此不影響低壓換流閥的運行及換流閥隔離刀閘Q1、Q2的操作。只要故障電流被熄滅和旁路刀閘處于合位，即使Q1、Q2還未分開，低壓換流閥就可以恢復送電。同理，低壓換流閥的F12、F13故障也能通過閉鎖低壓換流閥被隔離。

1.2 第二區域接地故障

根據圖1容易得出，分隔離刀閘Q1、Q2可以隔離第二區域的故障包括F3、F4、F5、F6、F7；分隔離刀閘Q3、Q4可以隔離第二區域的故障F10、F11、F14、F15、F16故障。

1.3 第三區域接地故障

第三區域的接地故障包括F8、F9、F17，這些故障既不能通過閉鎖換流閥被隔離，也不能通過分隔離刀閘Q1、Q2、Q3、Q4被隔離，所以當這些故障發生時，只能閉鎖極。

1.4 接地故障處理策略

特高壓常規直流閥區接地故障處理策略有兩種：

第一種是任何一個換流閥發生接地故障直接閉鎖極，這種策略只在極母線和極中性母線的換流閥側配置電流測量設備。

第二種當閥廳套管及內部發生接地故障時，故障閥閉鎖，非故障閥配合移相，并與極隔離、極連接配合［17］。當故障閥的隔離刀閘拉開以后（圖1中的Q1、Q2、Q3、Q4），非故障閥再恢復功率運行。這種策略要求每個換流閥的出線端和進線端都配置電流測量設備。

綜合上述分析，推薦以下兩種特高壓柔性直流閥區接地故障處理策略：

第一種：保護檢測到圖1中的F1、F2、F12、F13故障后閉鎖換流閥；檢測到其它任意接地故障閉鎖極。

第二種：保護檢測到圖1中隔離刀閘Q1、Q2、Q3、Q4閥側F1、F2、F12、F13、F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11、F14、F15、F16任意一個故障后閉鎖換流閥，檢測到F8、F9、F17閉鎖極。

2 第一種處理策略的測量設備及保護

2.1 閥區測量設備配置

實現圖1中F1、F2、F12、F13故障時采取閉鎖換流閥策略的前提是配置相應的電流測量設備精準定位這些區域的故障，按照目前柔性直流工程標準只要配置橋臂電流測量設備和交流連接線測量設備就能滿足此要求。

F8、F9、F17故障只能采取閉鎖極的策略，在配置測量設備時，需要有閉鎖極的主保護覆蓋這些區域。

故障F3、F4、F5、F6、F7（F10、F11、F14、F15、F16）采取閉鎖極的策略時，可以借鑒高壓常規直流閥區接地故障的測量設備配置方法，在極母線和極中性母線的換流閥側配置電流測量設備；而在圖1故障F9的位置增加一個電流測量設備作為高、低壓換流閥中壓側橋臂電抗器差動保護的公用測量設備；另外為了檢測旁通開關支路電流和計算換流閥的電流，需要在旁通開關支路增加電流測量設備，南方電網的烏東德特高壓混合直流工程的柔直站就是采用了這種電流測量設備配置，具體如圖2所示。

2.2 接地故障保護配置

根據柔性直流相關規范［18-19］和圖2所示的測量設備配置，特高壓柔性直流閥區接地故障保護第一種配置方法如下：

圖2 特高壓柔性直流閥區測量設備配置1Fig.2 First valve area measurement configuration method of UHV flexible DC transmission

1）交流連接母線差動保護：分相差動，檢測換流器與換流變壓器之間的故障，保護動作后閉鎖換流閥。判據如式（1）所示，其中X代表交流A、B、C三相，Iset1代表定值。

2）橋臂差動保護：分相差動，檢測換流閥橋臂的接地故障，保護動作后閉鎖換流閥。判據如式（2）所示，其中Iset2代表定值。

3）橋臂電抗器差動保護：檢測橋臂電抗器及相連母線的接地故障，保護動作后閉鎖極。判據如式（3）所示。

4）直流差動保護：檢測高、低換流閥區域所有的接地故障，保護動作后閉鎖極，判據如下。

3 第二種處理策略的測量設備及保護

3.1 閥區測量設備配置

國網特高壓常規直流工程只能對圖1中F1、F2、F3、F12、F13、F14接地故障執行閉鎖換流閥的策略，而對于F4、F5、F6、F7（F10、F11、F15、F16）仍然采取閉鎖極的策略，這是因為識別換流閥接地故障的電流測量設備配置在閥廳的出線端和進線端。這樣的配置不能最大范圍地避免極閉鎖。因此，推薦將特高壓柔性直流識別換流閥接地故障的電流測量設備配置在隔離刀閘Q1、Q2、Q3、Q4換流閥側，另外增加旁通開關支路的電流測量設備，取消特高壓常規直流的IdN測量設備。綜上所述，本文提出的特高壓柔性直流閥區第二種電流測量設備配置如圖3所示。

圖3 特高壓柔性直流閥區測量設備配置2Fig.3 Second valve area measurement configuration method of UHV flexible DC transmission

3.2 接地故障保護配置

根據柔性直流相關規范［18-19］和圖3所示的測量設備配置，特高壓柔性直流閥區接地故障保護第二種配置方法如下：

1）交流連接母線差動保護：與第一種配置方法相同。

2）橋臂差動保護：與第一種配置方法相同。

3）橋臂電抗器差動保護：檢測橋臂電抗器及相連母線的接地故障，保護動作后閉鎖換流閥，判據如式（5）所示。

4）高、低閥連接線差動保護：檢測圖1所示的F9接地故障，僅雙閥運行時投入，保護動作后閉鎖極，判據如下。

5）極母線差動保護：檢測圖1所示F8接地故障，保護動作后閉鎖極，判據如下。

6）極中性母線差動保護：檢測圖1所示F17接地故障，保護動作后閉鎖極，判據如下。

4 保護的靈敏度分析

故障點的位置決定了保護的靈敏度，下文分別對第1節所述的3個子區域的故障點進行分析。

4.1 第一區域接地故障保護的靈敏度分析

特高壓柔性直流高壓換流閥換流變閥側在正常運行時對地電壓是600 kV的直流電壓和閥側交流電壓的組合，而低壓換流閥對地電壓是200 kV的直流電壓和閥側交流電壓的組合，所以圖1中F1、F2、F12、F13故障能產生很大故障電流，保護的靈敏性很高。

4.2 第二區域接地故障保護的靈敏度分析

在單極運行時，極中性母線處的電壓會因為入地電流和接地極線路電阻而抬高至幾十千伏，圖1所示的F14、F15、F16故障會產生較大的直流電流，能滿足保護靈敏性的要求。F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11故障點的正常運行電壓遠遠高于極中性母線處的電壓，因此保護也沒有靈敏性問題。

在雙極都雙換流閥運行時，極母線電壓是800 kV、而高、低換流閥連接線區電壓是400 kV，因此故障點F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11產生的故障電流足以保證保護的靈敏性。極中性母線處電壓等于地電位，橋臂電抗器外側的F15、F16接地故障點電壓與地電位的電壓差等于極中性母線電抗器的電壓，流過橋臂電抗器和極中性母線電抗器的直流電流在電抗器兩端不能產生電壓差，所以故障點幾乎沒有直流分量的電流，而且三相橋臂電抗器對稱，故障點也沒有交流分量。故障點沒有故障電流導致保護失去靈敏性，但是對設備沒有危害，直流系統仍然繼續運行，可以不用考慮保護靈敏性問題。同理，在雙極都高換流閥運行時，F5、F7也不用考慮保護靈敏性問題。極中性母線側橋臂電抗器與換流閥之間的接地故障點F14與地電位的電壓差等于橋臂電抗器和極中性母線電抗器的電壓之和，雖然流過橋臂電抗器和極中性母線電抗器的直流分量在故障點產生不了直流電流，但是三相橋臂電抗器不對稱會產生交流分量［20］，如圖4所示。

圖4 雙極平衡運行時F14故障波形Fig.4 Waves of fault F14 under bipolar balance mode

圖4顯示在直流電流2 000 A運行時，F14故障導致IdH、IdN之間出現峰值150 A左右的電流差值。表1給出了按照現有保護整定標準整定的某工程直流差動保護定值，在直流電流2 000 A的工況下，直流差動保護I段的定值將大于1 000 A、II段定值大于400 A，因此直流差動保護檢測不了F14故障。而F14包含了橋臂電抗器安裝在戶外的特高壓柔性直流輸電系統閥廳穿墻套管接地故障，所以必須解決直流差動保護靈敏性不夠的問題。另外，雙極都只有高閥運行時，F3與上述的F14類似。

表1 直流差動保護定值Table 1 DC differential protection settings

表1中p.u.表示標幺值。

4.3 第三區域接地故障保護的靈敏度分析

第三區域F8的電壓始終接近于直流極母線的電壓，在故障發生后能產生很大的故障電流，相關的保護靈敏度很高。而F9的故障特征與第二區域的F5、F7相同，F17的故障特征與第二區域的F15、F16相同。

5 諧波差動保護

根據以上的分析，雙極平衡運行工況下，只有高換流閥運行時的接地故障F3和有低閥運行時的接地故障F14產生的接地故障電流非常小，直流差動保護（第一種配置）和橋臂電抗器差動保護（第二種配置）存在靈敏度不足的問題。下文提出諧波差動保護解決此問題。

5.1 故障電流特性

當F3或F14故障發生時，三相對稱的MMC拓撲可等效為無故障的橋臂電抗器參數不對稱的MMC拓撲，其故障點的電流等于橋臂電抗器參數不對稱的MMC拓撲三相之間的交流環流，如圖5所示。

圖5 F3或F14故障時的等效電路Fig.5 Equivalent circuit while fault F3 or F14 happens

其中，A相上橋臂電抗、B相上橋臂電抗、C相上橋臂電抗與故障前一致，分別為Lpa、Lpb、Lpc，A相下橋臂電抗等于0，而B相下橋臂電抗、C相下橋臂電抗可按式（11）計算。

文獻［20］指出橋臂參數不對稱的MMC拓撲在采用對稱MMC拓撲的控制策略時交流環流中會出現與交流連接線的電流成比例的基頻分量并給出了相關的計算公式。忽略換流閥的損耗并根據交流側和直流側功率相等的條件不難得出在交流電壓和直流電壓都不變的前提下，環流中的基頻分量與直流側電壓也成比例關系。

本文按照表2所示的參數構建額定電壓800 kV、額定電流3 150 A特高壓柔性直流RTDS仿真系統，分別在直流電流500 A、1 000 A、2 000 A、3 000 A的工況下模擬了極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障F14（只有高換流閥運行時的故障F3與此類似），其故障電流如表3所示。

表2 仿真系統關鍵設備參數Table 2 The key device parameters of simulation system

表3 接地故障F14電流特性Table 3 The current characteristic of ground fault F14

表3中換流器高端電流和換流器低端電流以DC結尾的數值表示直流分量、以AC結尾的數值表示交流分量有效值，接地故障點的電流以有效值給出。其中數據驗證了極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障電流特性如下：

1）換流器高端電流和換流器低端電流都包含直流分量和交流分量，兩者差流直流分量占比很小、交流分量占絕對主導地位。

2）接地故障點電流有效值與運行的直流電流大約成正比關系，每500 A的直流運行電流能產生有效值約25 A的接地故障電流。

5.2 諧波差動保護原理

1）直流諧波差動保護

根據圖4所示的故障波形和5.1節的表3仿真數據，在第一種保護配置中增加直流諧波差動保護。為了提高保護的靈敏性，計算差流時考慮了直流分量及其他次諧波分量，即計算差流的綜合有效值。

式（12）中，Idifn表示Idif的第n次諧波分量；Rms表示綜合有效值計算；Icdqd表示差動啟動電流；Kres表示比率系數；Max表示取最大值。

2）橋臂電抗器諧波差動保護

在第二種保護配置中，增加橋臂電抗器諧波差動保護，判據如式（13）所示：

式（13）中，Idifn表示Idif的第n次諧波分量；Rms表示綜合有效值計算；Icdqd表示差動啟動電流；Kres表示比率系數；Max表示取最大值。

5.3 諧波差動保護整定

1）Kres

考慮躲過穩態工況時，兩測量回路產生的最大不平衡電流，假設測量精度IdH、IdN按1%計算，則測量回路產生的最大不平衡比率電流為0.02，Kres應大于0.02；同時應小于故障電流有效值與運行直流電流的比值，即25 A/500 A=0.05。

2）Icdqd

起動電流應小于最小電流運行工況下的故障電流減去比率部分的定值，以表2中的500 A電流運行工況為例：

假設Kres取0.03，則Icdqd應小于10.5 A；另外，Icdqd應大于最小電流運行工況下IdH、IdN差值的穩態不平衡電流。

3）動作時間

因為極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障電流較小，在故障不繼續發展的前提下，直流系統仍然能維持正常運行，所以按大于整個特高壓多端直流輸電系統所有保護的動作時間整定，作為后備保護。

5.4 仿真波形

本文按Kres=0.03、Icdqd=5 A、最小運行電流500 A給出了按第5.3節所述的整定原則整定的諧波差動保護定值與運行直流電流的關系如圖6所示。

圖6 直流諧波保護定值Fig.6 Settings of DC harmonic differential protection

圖7、圖8分別給出了在雙極額定電流3 125 A、最小運行電流500 A的工況下模擬極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障時諧波差動保護的動作波形。在額定運行電流和最小運行電流工況下，所提出的諧波差動保護都能準確地檢測故障，證明了所提出諧波差動保護原理和定值整定原則的正確性。諧波差動保護的提出彌補了雙極平衡運行方式下極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障原有保護靈敏性不足的缺陷。

圖7 額定電流時直流諧波差動保護動作波形Fig.7 Trip waves of DC harmonic differential protection under rated condition

圖8 最小運行電流時直流諧波差動保護動作波形Fig.8 Trip waves of DC harmonic differential protection under minimum current condition

6 兩種處理策略的分析及對比

第一種處理策略和保護配置方案有以下幾個特征：首先，交流連接線差動保護和橋臂差動保護檢測第一區域的接地故障，動作后只閉鎖換流閥；直流差動保護檢測第二區域和第三區域的接地故障，動作后閉鎖極。直流差動保護不僅檢測第二、三區域的接地故障，而且還能檢測第一區域的接地故障，因此實現第一區域接地故障只閉鎖換流閥的前提是交流連接線差動保護和橋臂差動保護的靈敏性比直流差動保護的靈敏性高，動作時間比直流差動保護的動作時間短。其次，第二區域的接地故障閉鎖極，永久損失整個極的功率。第三，電流測量設備數量比第二種處理策略少一個。第四，極區的極母線差動保護和極中性母線差動保護實現簡單。

第二種處理策略和保護配置方案的特征有：首先，交流連接線差動保護和橋臂差動保護檢測第一區域的接地故障，橋臂電抗器差動保護檢測第二區域的故障，極母線差動保護、換流閥連接線差動保護、極中性母線差動保護檢測第三區域的故障，保護區域相互之間沒有重疊，不需要考慮相互之間的配合。其次，第二區域的接地故障只閉鎖換流閥，永久損失的功率只有第一種配置策略的一半，但是分換流閥隔離刀閘Q1、Q2、Q3、Q4需要幾十秒的時間，這段時間內非故障換流閥處于解鎖但是移相的狀態，不傳輸功率，因此需要考慮電網系統的承受能力和安穩的配合。第三，電流測量設備比第一種方案多一個。第四，極母線差動保護和極中性母線差動保護需要根據運行換流閥的數量等情況進行電流測量設備的切換。

綜合上述分析，給出兩種處理策略的性能對比如表4所示。

表4 兩種故障處理對比Table 4 Comparison of the two fault clear strategies

接地故障保護之間的配合可以在第一區域配置百微秒級別的超高速接地保護，而在第二、三區域配置毫秒級別的接地保護來實現；測量設備的數量只相差一個，成本僅相差幾十萬元；而第三區域保護測量設備的切換可以根據換流閥隔離刀閘的位置來選擇，這在目前的直流工程中應用非常廣泛。上述3種情況對兩種處理策略的選擇影響較小，因此兩種處理策略都能應用于工程實際。其中，第一種處理策略與南方電網特高壓常規直流閥區接地故障處理策略類似，烏東德特高壓多端混合直流工程柔直換流站就是采用了第一種處理策略；而第二種處理策略與國家電網特高壓常規直流閥區接地故障處理策略類似，即某一閥組接地故障發生后先閉鎖極，然后在極隔離之后會重新極連接并重啟非故障閥組，所以第二種處理策略可供國家電網后續的特高壓柔性直流工程建設參考。

7 結語

本文根據換流閥接地故障處理策略的不同，將特高壓柔性直流輸電閥區分為3個區域。閉鎖換流閥可以隔離第一區域的接地故障，并且不影響另外一個換流閥的運行，因此本文推薦特高壓柔性直流輸電在第一區域發生接地故障時只閉鎖故障換流閥。

當第二、三區域的接地故障都閉鎖極時，利用極母線和極中性母線閥側的電流測量設備配置直流差動保護就能檢測所有閥區的接地故障。針對直流差動保護在極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障時存在靈敏性不夠的問題，增加直流諧波差動保護。

當第二區域的接地故障只閉鎖換流閥、第三區域的故障閉鎖極時，文中提出了在每一個換流閥隔離開關的換流閥側配置電流測量單元的方法，并配置橋臂電抗器差動保護、換流閥連接線保護、極中性母線差動保護、極母線差動保護識別不同區域的故障。針對橋臂電抗器差動保護在極中性母線處橋臂電抗與換流閥之間的接地故障時存在靈敏性不夠的問題，增加橋臂電抗器諧波差動保護。

最后，仿真驗證了所提出的直流諧波差動保護和橋臂電抗器諧波差動保護的靈敏性。這兩種諧波差動能可靠檢測橋臂電抗器安裝在戶外的特高壓柔性直流輸電系統的閥廳穿墻套管接地故障，避免穿墻套管長時間帶小接地電流運行和接地故障的進一步發展，對保證設備安全有著重要的意義。另外，比較了兩種處理策略的優缺點及選擇處理策略時應考慮的因素，為以后特高壓柔性直流工程的設計提供參考。