浅谈换流站直流保护配置及动作策略

曹俊龙

（中南电力设计院，湖北 武汉 430071）

浅谈换流站直流保护配置及动作策略

曹俊龙

（中南电力设计院，湖北 武汉 430071）

高压直流输电应用越来越广泛，直流保护是保障直流输电系统可靠稳定运行的重要手段。本文介绍了高压直流系统保护的分区原则，并详细说明了各保护分区的保护及测点配置；直流输电系统的运行方式灵活多样，为了尽快清除故障、降低对设备、电网的不利影响，不同分区的保护策略不尽相同，本文介绍了闭锁、隔离、跳闸、与控制系统配合等保护动作策略。

直流保护；保护分区；保护测点；配置动作策略

0 引言

随着高压直流输电技术的发展，特高压直流输电广泛应用于更大功率、跨地区远距离的输电，实现了能源大范围的转移，有效地解决了我国能源资源与用电需求逆向分布的问题。《大气污染防治行动计划》明确了调整能源结构、促进清洁发展的方向。因此在清洁能源大规模集约开发的同时，发展特高压电网用于清洁能源的消纳，是应对雾霾的有效举措。2020年前后，我国电网将规划建设近40个包含跨省区、跨国的不同电压等级直流系统，届时我国将是世界上直流输电技术应用最广泛的国家。直流控制保护系统是直流输电的“大脑”，是直流输电系统的核心；其中直流保护系统的主要任务是在高压直流系统出现各种不同类型故障时，快速、可靠地切除故障，将故障和异常运行方式对电网的影响限制到最小范围。

随着高压直流保护技术的发展，逐渐呈现出如下特点：

（1）微机化。采用微处理机技术的直流保护具有集成度高、判断准确、便于定值修改、经济性好等优点。

（2）与直流控制系统的关系更加密切。特高压直流保护动作的主要措施，包括换流器紧急移相、投旁通对、闭锁触发脉冲、系统重启动、故障换流器切除等，均需要通过直流控制系统改变换流器的触发角或闭锁触发脉冲完成，两者关系密切。直流保护和控制的良好配合，既能快速抑制故障的发展，迅速切除故障，又能在故障消除后迅速恢复直流系统正常运行。

（3）冗余配置。为了提高直流输电系统运行的可靠性，保护装置均采用冗余配置。根据技术路线的不同，有些工程中保护出口采用“三取二”逻辑，能较好的提高保护动作的可靠性，有些工程则采用较为简单的双重化冗余方式，有一套保护出口即可，能降低保护拒动的风险，但不利于防止保护误动的发生。冗余配置有利于提高保护系统的可用性，尽量避免因保护系统故障而引发系统停运。

1 直流保护分区及测点配置

（1）直流保护分区。直流保护系统的范围和换流站的特点密切相关，主要覆盖换流器及阀厅设备、直流场设备、直流滤波器、直流线路、换流变压器、交流滤波器、接地极引线等。直流系统保护采取分区配置，通常将直流侧保护、交流侧保护和直流线路保护三大类，分为6个保护分区。根据以往直流运行及工程设计经验，不同的保护区域相互重叠，不允许出现保护死区。典型的高压直流保护分区如图1所示。在图1中，区域1为换流器保护区，区域2为直流极母线保护区，区域3为中性母线保护区，区域4为直流线路保护区，区域5为双极中性线和接地极线路保护区，区域6为直流滤波器保护区。

（2）直流保护测点配置。高压直流保护系统中的测点用于向保护系统提供必要的电气量或其他物理量信息。合理配置保护测点直接决定了保护系统能否有效检测出直流系统的故障状况和其他异常状况以及能否实现对整个直流系统的有效保护。在图1中给出了±500kV高压直流输电工程中直流保护系统测点的典型配置。相关电流、电压量的缩写对照见表1。

2 直流保护配置

（1）换流器保护。换流器保护主要覆盖12脉动换流器、换流变阀侧绕组和阀侧交流连线等区域，换流器区主要故障有：换流阀短路、换流器接地短路、丢失触发脉冲、换相失败、阀过电压等。因此，换流器区域主要保护配置如表2所示。

图1 高压直流保护典型分区

表1 直流测点电流、电压量缩写对照

表2 换流器保护配置

图2 换流器区保护测点

表3 极保护配置

换流器区保护的测点示意见图2。

（2）极保护。极保护主要覆盖极母线、极中性母线和中性线开关等区域。极区主要故障有：直流极短路、接地故障以及直流回路开路等。直流极母线区配置的主要保护见表3。

（3）直流线路保护。直流线路区域的主要故障有：金属性接地、高阻接地短路、与交流系统碰线等。直流线路区配置的主要保护见表4。

直流极母线区保护的测点示意见图3。

图3 直流极母线区保护测点

表4 直流线路区保护配置

直流线路保护区的测点见图4。

图 4 直流线路区保护测点

（4）双极中性线和接地极线路保护。双极中性线保护主要覆盖双极公用连接区域以及其中的开关设备。双极区的主要故障类型有：接地短路、断线等。双极中性线和接地极线路区配置的主要保护见表5。

表5 双 极中性线和接地极线路区保护配置

双极中性线和接地极线路保护区测点见图5。

另外，双极区装设有金属回线转换开关、金属回线开关和快速接地开关，针对这些开关可能出现无法断弧的故障，配置金属回线转换开关保护（82_ MRTB）、金属回线开关保护（82_MRS）和高速接地开关保护（82_HSGS）。这些开关保护的测点示意见图6。

图5 双极中性线和接地极线路区保护测点

图6 开关保护测点

（5）直流滤波器保护。直流滤波器保护范围包括直流滤波器高、低压侧之间的所有设备的保护，所配置的保护能保护所有元件免遭由于谐波电流超标或者由于过电压而产生的过应力见表6。

表6 直流滤波器区保护配置

直流滤波器区保护测点配置见图7。

图7 直流滤波器区保护测点

3 直流保护动作策略

直流输电系统运行方式灵活，故障时为了切除故障点或尽快恢复，把对设备、电网的影响降到最小，不同保护区域的保护动作策略是不尽相同的。如极区故障时主要影响是本极区域，相应保护应准确动作并隔离故障点。极线或接地接线路故障大部分为短时故障，因此当这些区域发生故障时相应保护尽可能通过重启功能清除故障。双极区发生故障时可能对双极运行产生不良影响，保护必须能准确判断故障类型，并尽可能将故障影响降至最低。

另外，直流保护动作的执行与直流控制有着密切的关联，在很多情况下会首先启动控制功能，如进行闭锁、移相、双极平衡、降电流等操作，达到保护设备和保证直流安全运行的目的。如通过控制系统切换清除控制系统本身的故障（控制系统故障引起的脉冲丢失等）。通过功率回降避免设备过负荷；通过调节分接头防止控制系统失效引起设备过应力；通过极间的电流平衡防止接地网过流；通过再起动逻辑使故障线路充分去游离，重新正常运行等。

不同程度的故障下，保护动作的执行方式有所不同。对于严重的并需要快速闭锁脉冲或无法正确选择旁通对的故障，应立即闭锁点火脉冲,断开交流断路器（如整流侧桥臂短路或丢失脉冲故障）；对于较为严重的故障,应立即移相，以抑制故障电流的发展，之后闭锁换流器、跳闸，这类故障包括连续的换相失败、直流侧接地故障以及其他原因引起的直流过流。对于轻微故障，例如单次换相失败、直流谐波略高以及可控硅元件损坏、数量没有超过冗余量，系统只给出报警。

4 结语

结合直流保护范围分区，本文主要对常规高压直流输电工程中直流保护的配置及测点设置进行了介绍。相邻的保护区域相互重叠，并且每一保护区域配置了多种不同原理的保护。由于故障类型不同，严重程度不同，各区域直流保护的动作策略也不相同，本文介绍了直流保护闭锁、隔离、重起等动作策略，有利于尽快清除故障，使系统恢复正常运行或将对设备、电网的影响降至最低。

[1]张文亮，周孝信，郭剑波等.±1000kV特高压直流在我国电网应用的可行性研究[J].中国电机工程学报，2007,27(28):1～5.

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TM721.1

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1671-0711（2016）11（下）-0055-04