青藏±400 kV直流联网工程继电保护配置与应用

胡勇，粟小华，李怀强，程逍，吕鹏飞，卢宇，张健康，霍超

（1．西北电网有限公司，陕西西安 710048；2.国家电力调度通信中心，北京 100031；3.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211100）

青海至西藏±400 kV直流联网工程是目前世界上海拔最高的超高压直流输电项目，也是国家电网系统2011年重点工程之一。该工程于2011年10月30日投入试运行，目前运行情况良好。工程起于青海750 kV柴达木换流站变电站，止于西藏拉萨市郊的220 kV拉萨换流站，直流线路全长达1 038 km，导线截面为4×400 mm2，额定电流1 500 A。本期建设容量600 MW，远期换流器并联扩建，最终建设规模1200MW。本期无功补偿按300 MW配置，柴达木站安装8×20 MV·A交流滤波器，拉萨站安装8×25 MV·A交流滤波器。同时，为提高西藏藏中电网可靠性，拉萨换流站安装有2组SVC设备[1-2]。每套SVC装设60 MV·A的相控电抗器（TCR）一组，三次和五次滤波器各一组，每组容量5 MV·A，每套SVC运行范围-40～20 MV·A。工程的建成投产，结束了西藏电网孤网运行的历史，有效地弥补了西藏电网迎峰渡冬期间的电力缺口，对于促进西藏地区经济社会发展和民族和谐具有重要意义。

相较于常规直流工程，青藏工程具有弱系统、高可靠性、并联扩建和高海拔等特点[3]，对继电保护的配置和应用提出了更高的要求。本文较为全面地介绍了青藏直流输电工程继电保护的配置和应用情况，并对有关技术改进和系统调试情况进行了阐述。

1 青藏直流工程继电保护配置情况

1.1 直流保护

根据有关规程要求[4-7]，结合后期阀组并联扩建计划，青藏直流系统按阀组配置双重化继电保护装置，2套保护交直流回路、通信通道及加工设备等相互独立，均包含阀区保护、极区保护、直流线路保护以及双极区保护等全部功能。每套保护装置设置有起动模块和保护模块，只有2个CPU模块都动作时，保护才动作出口，有关逻辑见图1。

图1 双重化保护配置示意图Fig.1 Sketch map of protections double configured

不同于以往工控机模式，本工程直流保护为装置化产品，且与控制系统相对独立，不共用主机。同时，结合直流保护标准化进程的推进，电压过应力保护、触发异常保护、晶闸管监视、开路试验保护、直流线路再启动等功能在控制主机中实现，继电保护装置中不再包含上述功能。根据西藏藏中电网安全稳定和安稳设备配合要求，双极运行时，单极直流线路故障，在第一次原压重启动失败、健全极转带功率成功的条件下，进行第二次原压再启动；单极运行情况下，按原压再起动一次设置。

1.2 换流变压器保护

换流变压器是直流输电系统中的重要设备，能够提供相位差为30°的12脉动交流电压，并提供换相电抗实现交直流系统的电器隔离。为了将换相过程中的短路电流限制在一定范围内，换流变压器的短路阻抗要大于一般变压器；同时具有较大的电压调节范围，本工程档位范围为+25/-5，每档可调1.25%。换流变压器的上述特点、直流系统特殊运行工况、直流偏磁以及对CT传变特性的影响[8]都需要继电保护在配置和整定方面予以充分考虑[9-10]。

柴达木和拉萨站换流变压器均按双重化配置电气量保护设备，装置按主、后备保护一体化设计。主保护方面配置换流变差动保护、换流变引线差动保护、绕组差动保护和零序差动保护，并配置不需整定的故障分量差动保护。绕组差动保护与变压器的磁平衡没有直接关系，不受励磁涌流判据的闭锁，具有较高的灵敏度和动作速度。网侧后备保护主要有开关过流、套管过流、零序过流、饱和保护等，以及两段式过电压保护和定时限、反时限过激磁保护；阀侧后备保护主要为阀星过流保护和阀角过流保护。

1.3 直流滤波器保护

直流滤波器是换流站的重要设备，可与平波电抗器一起组成双T型滤波系统，主要用于滤除直流系统中的12次谐波和其他各次倍频特征谐波。青藏直流工程中，直流滤波器保护与极控制保护系统独立，单独配置双重化继电保护装置，采用“启动+动作”的配置方案,主要包括差动保护、过流保护、不平衡保护以及电阻过负荷、电抗过负荷功能[11]。

直流滤波器高压电容器内部存在均压电阻，不易发生雪崩击穿，同时参考近几年国产直流滤波器高压电容器的实际运行情况，取消跳闸段，只保留一段报警段，具体见2.2分析。保护设备基于南瑞继保先进的UAPC平台研制，能够适应常规互感器和电子式互感器的接入。

1.4 交流滤波器保护

柴达木环流变电站与拉萨换流站分别安装有8组交流滤波器设备，分别接于两站的330 kV系统和220 kV系统，交流滤波器保护[12]均按小组进行双重化配置。交流滤波器中的高端电容器，承受了大部分的母线电压，容易在电容器损坏后发生雪崩，造成爆炸。继电保护采用带有自动补偿方式的稳态不平衡元件和带有浮动门槛的暂态不平衡元件，共同构成交流滤波器的电容器不平衡保护，既提高了灵敏度，又能在各种复杂运行方式下不误动。交流滤波器内部发生接地短路时，故障电流较小，为提高差动保护灵敏度，选取低端电流作为制动电流。装置中同时配置了变化量差动保护，提高了区内经过渡电阻接地时差动保护的灵敏度。

另外，交流滤波器保护还配置有热过负荷保护、过流和零序过流以及失谐检测等功能。以交流滤波器大组母线为单元，配置有交流滤波器大组母线保护，主要实现过电压和断路器失灵保护功能。

1.5 SVC保护

根据西藏电网特点和电压控制分析，SVC投运是直流系统运行的必要条件。作为重要设备，SVC按滤波器和TCR支路分别配置继电保护。三次滤波器和五次滤波器分别配置单套RCS9631C保护，主要功能有过电流、过电压、低电压、不平衡等保护功能。TCR支路配置单套RCS9611C保护，主要功能有过电流、过负荷、低周等保护功能。为消除死区，TCR与支路开关间引线也配置单套RCS9611C保护。

1.6 最后断路器跳闸装置

柴达木、拉萨换流站站内最后断路器跳闸功能由控制系统实现。同时，规程[13]要求逆变站交流出线均接至同一个对端交流站，且交流出线不多于两回情况下，对端交流站应配置具有最后断路器跳闸功能的装置。本工程中，拉萨换流站大部分时间运行于逆变模式，有2条交流出线，且均接至220 kV夺底变电站，根据规程要求需要配置站间最后断路器跳闸功能。实际工程中，220 kV夺底变配置了双重化的最后断路器跳闸装置，实现最后断路器跳闸的判别，并将信号传送至拉萨换流站。拉萨换流站配置双重化的最后断路器跳闸接收装置，通过直流控制系统闭锁直流系统。结构示意图如图2所示。

图2 最后断路器跳闸功能结构示意图Fig.2 Structure profile of tripping for the last circuit breaker

2 继电保护应用情况

考虑到工程具体特点，同时结合其他直流工程中出现的有关问题[14]及分析情况，在具体实践中对于继电保护的一些应用进行了调整和规范。

2.1 取消直流功率反向保护

直流功率反向保护主要设计用来防止因控制系统异常造成的功率反转故障，通过判断在较短时间内电压是否反转来实现。实际运行中，因未能躲过线路再启动去游离时间及二次测量装置测量异常等问题，国内直流工程发生了几次直流功率反向保护误动事件。同时，国内直流运行中从未发生过功率反转情况。考虑到控制系统可靠性的不断提高，运行中反映出来的问题以及对其认识的不断深入，根据直流保护标准化规范，青藏工程未配置功率反向保护。

2.2 取消直流滤波器不平衡保护跳闸功能

直流滤波器除了具有滤除直流侧谐波功能外，还承担着抑制直流侧谐振的作用，工程实际中，不允许无直流滤波器运行。直流滤波器高压电容器电压设计裕度较大，即使在3个电容单元同时损坏的情况下，其余电容器过电压水平仍不会超出裕度。并且由于直流滤波器高压电容器中配置有均压电阻，电容器的均压不取决于电容值，而取决于电阻值，在不考虑所有元件熔丝全部不动作的情况下，部分电容单元的损坏一般不会造成电容器的雪崩击穿，直流滤波器仍可运行，可以给值班人员提供宝贵时间进行调整。

根据以上分析，在青藏直流工程中，直流滤波器不平衡保护取消了跳闸功能，只保留一段报警段。

2.3 退出35 kV母线备自投功能

拉萨站35 kV侧安装有SVC设备和站用电系统，接线见图3。根据设计要求，当运行的SVC和35 kV站用电联接于同一段35 kV母线时，需切除站用电；每段35 kV母线下的SVC设备之间具有联锁关系，当2组滤波器全部失去时，TCR闭锁。无功变故障都将使与之相联的35 kV母线失电，为了避免35 kV滤波器部分放电即带电，损坏电容器，需确保失电母线处的滤波器支路跳开后再合母联开关。滤波器经过约10 min放电时间方可再次投入，而后TCR才能解锁。因此，采用备自投功能后既不能提高35 kV站用变的可用率，也不能显著提高SVC的可用率。同时，综合考虑站用电备自投的配合时序，35 kV母线设置备自投后，会延迟10 kV母线备自投动作时间，不利于提高10 kV站用电系统和辅助系统的可靠性。因此，根据实际应用分析，退出35 kV母线备自投功能。

2.4 谐波保护应用及整定

图3 拉萨站35 kV配电装置接线图Fig.3 35 kV distribution connection diagram of Lhasa Substation

直流谐波保护通过检测直流电流中的谐波含量，反映各种原因造成的非正常运行工况，主要的有触发异常、交流系统异常[15-16]等。由于青藏直流系统输送容量控制严格，直流负荷电流较小，采用比率制动特性的谐波保护实际运行定值远小于其他直流工程。试运行期间，因750 kV变压器充电操作过程中产生大量二次谐波分量，且衰减时间长，传导至柴达木站并窜入直流输电系统，导致直流系统发生了极闭锁事件。图4是极闭锁时直流电流中的谐波含量。

图4 极闭锁时直流电流中谐波含量Fig.4 Harmonic content in DC current with pole blocked

为避免青藏直流双极同时停运，结合工程的运行实际，根据直流系统设计单位意见，控保系统厂家对青藏直流系统谐波保护配置和应用方案进行了完善，主要包括调整100 Hz保护谐波电流检测带宽，将150 Hz保护分离出来，对50 Hz和150 Hz保护按照区内、区外原则分别设置不同的定值，并按两极动作时间不同原则进行整定。这样就使得在极Ⅰ系统因谐波保护动作而闭锁后，极Ⅱ实现功率转代，直流负荷电流增大，其谐波保护定值相应提高。运行实践证明，该措施可在很大程度上避免双极同时闭锁事故。

3 系统调试情况

在柴达木与拉萨换流站系统调试成功完成的基础上，随着2011年10月13日青藏直流系统成功解锁，工程建设开始了最后系统调试阶段。本次系统调试项目共计28类，14大项126小项，涉及柴拉直流输电系统所属全部一、二次设备、辅助设备以及与其相关的交流场设备。2011年10月27日晚，大负荷试验成功完成，期间西北向西藏输送功率最大达150 MW，标志着系统调试的圆满结束。通过系统调试，所有调试设备经过层层把关，严格考验，确保其在高海拔、高严寒的青藏高原长周期安全稳定运行。同时，也反映出部分问题需要改进和进一步研究，主要有：

1）系统调试过程中，发生几起因电流互感器测量设备电源切换异常以及有关信号误展宽问题，导致直流系统意外闭锁的事件，虽及时进行了改进和完善，但事件仍值得后续工程借鉴。配套测量设备电源设计和运行管理方面还有待规范，装置内部正常及异常信号各环节的细节设计还需加强。

2）由于程序执行周期不一致以及个别程序设计上的微小瑕疵，在一定情况下会导致有关保护设备及最后断路器跳闸装置误动作。交流站控系统与直流集控系统之间的配合，信息在各个环节的流转等技术细节，都需要研发单位进一步完善。

3）拉萨站作为逆变站运行，本侧220 kV交流线路进行A相人工瞬时短路试验时，录波发现非故障相有较为明显的电压跌落现象。电压波形如图5所示，非故障相电压跌落至正常电压的30%左右。因此，故障情况下，直流系统换相失败与交流弱电网的相互影响有待进一步深化研究。

图5 A相短路试验中220 kV系统电压波形Fig.5 Voltage waveform of the 220 kV systems during the fault

4）站间无通讯情况下，逆变侧站内设备故障，整流站侧后备保护动作时间较长，安全自动装置对于功率转代的判别逻辑存在一定的盲区。西藏电网由于电网结构原因，对于安全自动装置的依赖度很高，直流控制保护系统与安全自动装置的配合需要进一步研究。

4 结语

随着西藏社会经济发展，用电负荷快速增长，但受电源和电网结构等方面因素制约，电力缺口大，安全稳定问题突出。青藏直流工程的投产，极大地解决了西藏电力供需矛盾，促进了地区经济社会的健康发展，也标志着全国联网局面的实现。同时，该工程具有的弱电网、高可靠性要求等不同于常规直流的特点，使得其在控制保护配置和应用方面具有独到之处，系统调试中出现的缺陷及问题，对于促进直流输电技术研究和控制保护系统研发具有重要的参考与借鉴意义。

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