高壓直流輸電系統換流器保護分析及研究

摘要：本文從常見的高壓直流電系統換流器故障分析出發，進一步分析換流器的故障保護，并在本文最后進一步探究換流保護控制策略，為以后高壓直流輸電系統的正常運行提供參考性意見。

關鍵詞：高壓致直流輸電系統;換流器;保護;動作

隨著社會經濟的加速發展，全社會的整體用電量也在不斷增加，為滿足社會經濟的發展的需要，充分保證高壓直流輸電系統的穩定，所以必須保證換流器的正常運轉。

一、常見的故障分析

區內故障保護動作、區外故障保護不動作是換流器的兩個基本保護原則。通常來說，換流器設備故障主要指的是區內故障，另外輸電保護系統需要按照相應的極來進行相應的配置工作，每極一組有12脈動換流器，各個極之間的脈動換流器保護區具有一定的相對獨立性。系統在運行過程中，換流器發生故障的某一特性和單極大地回線方式存在共通之處。

二、常見的故障保護分析

（一）閥組短路保護

閥組短路保護裝置能夠檢測各個閥之間的短路，以及接地故障、換流閥的相間短路等之類故障，以此避免換流閥出現故障[1]。根據閥組短路故障，換流器將會自動開啟保護設置，避免換流閥承受較大的壓力。

1.橋臂短路

若發生兩相橋臂短路，則會使交流側電流突然增加，甚至達到兩相短路電流的兩倍乃至三倍，此時直流電也會減少。這時，交流側一側的電流是直流額定電流的兩倍，換流器會進行自動保護的動作。

2.換相失敗保護

換相失敗保護裝置，能夠檢測因交流電網擾動造成的換流器換相失敗的問題，及時檢測問題，發現原因，減少交流電擾動的次數，避免換流器頻繁出現換相失敗，進而保證直流系統的安全性、穩定性。整流側發生短路時，接地故障點會使交流交流電流小于額定電流，在正流測正常運轉是，交流電流大于額定交流，通常來說，整流側接地發生故障時，換流器一般不會開啟保護動作[3]。

3.直流差動保護

在系統正常運行過程中，因為換流器出口高低壓測直流電電流是相同的，所以如果換流器出現接地故障，那么部分電流會直接通過接地點，而此時高低側電路是不相同，換流器將會開啟保護行為。一般來說，動作閥值在小于直流電差值的絕對值時，系統會自動開啟保護行為。如果高壓母線發生短路故障，高壓出口直流電、低壓側直流電的電流會增加，但是如果高壓側直流電增加，低壓側直流是零，系統也依舊會開啟自動保護行為，同時，如果高壓側電流增加，低壓側的電流是零，在判定此保護依據符合既定條件時，系統也會開啟保護行為;中性母線發生短路時，因低壓側分流，直流電流會減少，此時可以開啟保護行為。同樣，換流器內部短路也會是低壓側分流，系統依舊會開啟保護行為的。

4.直流/交流過電流保護

預防晶閘管損壞，能有效的避免換流器損壞狀況。其主要保護原理是，檢測直流換流器電流是都處于最大值，若故障電流已經超出了預定值，換流器將處于閉鎖狀態。需采用直流運行與主保護配合形式，設置保護定值。

在電流保護過程中，要測量換流變壓器閥側Y繞組、D繞組電流，通過采集兩者的最大值與平均值，比較兩者的差值[4]。若交流過電保護中，產生了控制障礙問題以及短時過載等障礙，交流保護將作為其他保護系統的備用保護，只有其他保護系統不開啟保護行為時，備用保護才會開啟保護行為。在逆變側、換流變橋側短路時會提升交流電量其他故障不會導致交流過流的產生，因此，換流變橋發生短路且處于不動作時，換流器才會開啟保護行為。

5.閥組差動保護

所謂的閥組差動保護是一種基于差流波形綜合判別的保護方法，通過綜合判別閥組差流的波形，并根據波形的差異、特征，進而識別所發生的故障是否在保護范圍內，然后通過判別綜合閥組之間的差動與救濟差動定值，調整閥組差動的延時。這種方法能夠避免間斷性差流影響，減少影響中的誤差，同時保護范圍內的故障能通過可靠的動作隔離故障。

6.橋差保護

橋差保護可以分為橋差電壓保護與橋差電流保護，橋差保護是用較平衡電橋、四臂電橋去平衡角線電流、電壓差。以保證電流差的穩定。換流器橋差保護的基本原理為：橋差保護所采用的是換流變閥繞組的TA的二次電流，在正常情況下，兩橋交流線上的電流是相等的，在發生故障時，換流變以及換流變閥側的電流根據預判的條件進行判別，如果滿足相關條件，換流器進行橋差保護，跳開網絡兩側的交流斷路器。

三、換流器保護控制策略

（一）單極故障控制策略

當保護系統在檢測出換流器的具體故障時，此時會向故障極發送一個關于故障相關信號，整流站在接受到故障的相關信號時，會立即發生一個變相160度，這時整流器處于逆變工作狀態，待直流電降低至零值，直流系統的開關就會斷開，交流側開關會直接跳開。

（二）雙極故障控制策略

如果系統的兩個極都出現故障，此時要及時停運兩個故障極。當輸電極未出現故障，為進一步提高輸電線路的使用效率，需要將開關倒閘門操作系統設置為金屬回線模式，這時的直流功率會下降到原來的七分之三，其輸電線路的使用效率也得到較大的提高。當直流保護系統檢測到兩個極的故障時，會立即啟動停止運行功能，此時發生故障的兩極會停止運行;同時系統的故障極也會進行信號的轉換與發送，通過電流控制整體值的重新設定，進而保證系統的平穩運作。

參考文獻：

[1]聶琪，胡浩亮，劉少波，等. 一種直流電壓互感器的低壓現場校驗方法[J]. 沈陽工業大學學報，2021，43（1）：12-16.

[2]李晨光，范菁. 特高壓直流換流閥TFM板發熱原因分析及改造[J]. 云南民族大學學報（自然科學版），2021，30（2）：169-173.

[3]國網四川省電力公司電力科學研究院. 一種直流電流互感器寬頻傳輸特性測試系統及方法：CN202010547695.0[P]. 2020-09-18.

[4]汪娟娟，黃夢華，傅闖. 交流故障下高壓直流運行特性及恢復策略研究[J]. 中國電機工程學報，2019，39（2）：514-523.

作者簡介：宋海彬（1987-02），男，漢，山東文登人，本科學歷，換流站正值班員，研究方向為高壓直流、柔性直流運行維護。