HVDC单极闭锁暂态特性的桥差保护动作分析*

彭光强，刘青松，陈伟，武霁阳，伍衡，邓军

(南方电网超高压输电公司检修试验中心，广州 510663)

0 引 言

交直流混合电力系统是我国经济社会发展的可靠保证，我国“西电东送、南北互供、全国联网”的电力发展战略对系统运行可靠性提出了更高要求。直流输电系统具有大容量、远距离、损耗小等优点。然而，直流系统一旦失稳，将导致紧急闭锁停运事件[1]，并导致大面积停电，造成严重的经济后果和社会后果。

±500 kV高肇直流工程是我国“西电东送”能源战略的重要工程，线路全长891 km，额定电流3 000 A，双极额定功率3 000 MW，2004年7月单极投运，同年10月双极投运。受端换流站共有换流变压器14台，其中在运12台，备用2台，均为单相双绕组结构。该站每极有6台换流变压器运行，其中Y/Y型接法3台，Y/△型接法3台，共同实现12脉波逆变功能。

直流输电系统在运行过程中，时常面临雷击、励磁涌流、触发角不平衡、功率转移、换相失败、单极闭锁等暂态工况[2]。以往的理论研究和工程经验对暂态工况导致极闭锁故障研究较少[3]，对直流系统暂态扰动机理和闭锁故障工程经验相结合的文献鲜有发表。在直流系统暂态工况下[4]，由于零序阻抗的变化或零序电压的变化，换流变中性点零序电流会出现暂态差异。由于Y/Y型和Y/△型换流变联结组别不同，三次谐波和非周期分量会在Y/△型换流变的角接绕组中环流[5]，导致换流变传变特性的暂态差异，严重时会导致换流变和套管CT的铁心饱和[6]，并引起控制保护信号异常，造成保护拒动或误动[7]，严重时导致极闭锁的紧急停运事件。

2017年7月14日，高肇直流肇庆站极1遭受雷击，换流阀片损坏并导致极1闭锁，高肇直流转为极2单极大地回线运行，极2换流变网侧中性点电流出现暂态偏置并缓慢衰减现象。30 s后，极2接地极线路遭受近区雷击，击穿线路杆塔招弧角并引起入地电流在此续流，导致极2换流变出现严重的直流偏磁故障，换流器桥差保护动作，极2闭锁并紧急停运。

针对高肇直流工程一起桥差保护动作导致单极闭锁的紧急停运事件，介绍了该事件发生的经过和保护动作原理，研究了直流输电工程双极转单极大地运行瞬间换流变压器的暂态响应特性[8]，阐述了造成本次动作时间的根本原因。最后，给出了整改措施和研究结论。

1 保护动作过程

1.1 保护动作原理

(1)角侧桥差保护(87CBD)动作原理

判据公式：Max(IacY，IacD)-IacD>Δ

I段：门槛值0.4 p.u.(1 200 A)，延时：200 ms；

II段：门槛值 0.07 p.u.(210 A)，延时：200 ms(Uac>0.8 p.u.)，700 ms(Uac<0.8 p.u.)

动作出口：I段降电流，II段闭锁。

87CBD保护采用积分原理。当Max(IacY，IacD)与IacD的差值超过额定电流的2.331%时，积分器进行正积分+20，小于该值则进行负积分-1。当总积分超过其动作定值(T=200 ms，对应积分值为4 000)时，保护动作出口。

(2)换流变中性线直流过流保护(50/51CTNY-2，50/51CTND-2)动作原理

50/51CTNY-2、50/51CTND-2判据公式：

INDCY>20 A orINDCD>20 A，T=30 s 。

(3)接地极电流平衡保护(60EL)动作原理

60EL单极大地GR和单极金属MR方式下动作判据： |Idee1-Idee2|>120 A & max(Idee1,Idee2)>550 A，T=1 s。其中，Idee1和Idee2为接地极线路的平衡电流。

1.2 极2闭锁过程

直流系统在双极稳态(图1)运行时[9]，换流变网侧中性点只有少量的零序电流，且幅值很小，如图2所示，其中，INY为Y/Y型换流变的网侧中性点电流，IND为Y/△型换流变的网侧中性点电流。

图1 直流输电系统稳态模型

图2 直流系统正常运行的中性点电流

2017年7月14日 13:24:32.726时，在双极转极2单极大地运行的暂态过程中，极2三套直流保护50/51CTND 2段保护告警动作。图3所示的录波波形可以看出，在极1闭锁的暂态过程中，IND电流表现为正向偏置并缓慢衰减的过程，幅值在10 A～110 A之间；INY没有明显变化。

图3 中性点暂态偏置电流

13:24:33.227时，根据雷电定位系统及接地极线路杆塔检查结果，认为在换流站近区接地极线路#2塔遭受雷击，接地极线路形成接地故障，Idee1为2.505 kA，Idee2为0.476 kA，雷击击穿招弧角，入地电流在招弧角续流并在近区入地进入地网，导致极2的Y/Y型换流变和Y/△型换流变铁心饱和，详见图4。由于录波系统霍尔传感器的可测量范围为±250 A，IND表现为保持在250 A的直线，INY表现为直流偏磁饱和的尖顶波，且在250 A以上出现削峰现象。

图4 中性点直流偏磁饱和电流

13:24:34.082时，由于Y/△型换流变阀侧套管CT饱和特性不一致，导致阀侧电流IacD严重失真，与IacY相比逐渐偏小，随着时间的推移，此差值越来越大，如图5所示，随着Y桥电流和D桥电流差值持续存在，积分器持续进行正积分运算，在200 ms后积分达到保护动作值4 000，极2角侧桥差保护87CBD-2保护动作，极2闭锁。

图5 桥差保护87CBD用的电流

13:24:34.250时，由于接地极线路故障，Idee1和Idee2的差流很大，极2直流三套保护60EL I段动作。

2 原理分析

2.1 等值电路

根据图6所示的Y/△换流变T型等值电路。

图6 换流变T型等值电路

将二次侧归算到一次侧，列写Y/△换流变的微分方程[10]。

换流变一次侧(网侧)微分方程为：

(1)

式中un为一次绕组端电压；in为一次绕组电流；r1为一次绕组电阻；L1为一次绕组漏感；En为各绕组的感应电动势。其中，n分别为A、B、C。

根据Y/△换流变T型等值电路，将二次侧(阀侧)归算到一次侧，微分方程为：

(2)

式中um为二次绕组归算到一次绕组的端电压；im为流过二次绕组归算到一次绕组的电流；r2为二次绕组归算到一次绕组电阻；L2为二次绕组归算到一次绕组漏感；Em为二次各绕组归算到一次绕组的感应电动势。其中，m为ac、ba、cb。

由对称分量法可知，式(1)、式(2)有如下的边界条件：

(3)

结合式(3)的边界条件，求解式(1)、式(2)的微分方程，得到Y/△换流变网侧、阀侧暂态传递特性表达式。

2.2 正常运行的中性点电流机理

(1)Y/Y换流变T型等值电路二次侧阻抗支路为开路，传变电流经过的是一次侧阻抗支路和励磁阻抗支路；Y/△换流变T型等值电路二次侧阻抗支路为短路，传变电流经过的是一次侧阻抗支路和二次阻抗支路；

(2)在变压器铁心的额定工况下，励磁阻抗很大，一次侧和二次侧阻抗支路很小。所以，Y/Y换流变等值回路的总阻抗，大于Y/△换流变等值回路的总阻抗。中性点电流波形表现为Y/Y幅值较低，Y/△幅值较高，如图2所示；

(3)Y/△换流变角接绕组为三次谐波提供了内部环流通路，三次谐波在角接绕组内部环流。所以，在外端口的录波波形看来，Y/△换流变主要表现为工频分量，并叠加少部分其它谐波分量；Y/Y换流变波形为工频叠加三次谐波分量，如图2所示。

2.3 Y/△换流变中性点偏置电流机理

(1)按照对称分量法将系统分解为正序、负序和零序系统。在零序等值回路里，零序阻抗的变化或零序电压的变化，是导致中性点零序电流出现暂态偏置的原因。经过对大量暂态录波的统计分析认为，造成零序电压变化或零序阻抗变化的暂态激励源有可能来自阀侧，也有可能来自网侧；

(2)高肇直流工程在双极转极2单极大地回线运行的瞬间，按照直流系统暂态功率转移的控制策略，极2负荷从1.0 p.u.升高至1.4 p.u.并维持3 s，然后降至1.2 p.u.并维持2小时，如图7所示。在上述暂态过程中，Y/△换流变阀侧受到暂态扰动，导致阀侧三角形绕组出现三次谐波环流增加和非周期分量叠加的现象，并传变到网侧，导致网侧中性点电流出现暂态偏置并慢慢衰减的现象，衰减的时间和系统的时间常数有关；

图7 直流电流的暂态上升和下降过程

(3)Y/Y换流变T型等值电路二次侧阻抗支路为开路，暂态传变电流流过一次侧阻抗支路、励磁阻抗支路，二次阻抗支路不起作用。所以二次侧的暂态变化对Y/Y换流变一次侧中性点电流影响可以忽略，Y/Y网侧中性点仍然是正常波动的零序电流波形。

2.4 换流变中性点直流偏磁电流机理

在双极运行转极2单极大地运行的暂态过程中，极2接地极线路近区杆塔遭受雷击，原本应该在接地极极址入地的入地电流在杆塔雷击处续流，最大达到3 000 A。入地电流在近区进入大地并间接进入地网，导致站内Y/Y和Y/△换流变均出现明显的直流偏磁现象。

(1)入地电流在雷击处续流前，Y/△换流变网侧中性点电流已经出现了正向的暂态偏置，叠加直流偏磁电流后超出了霍尔单元的可测量范围(±250 A)，Y/△换流变中性点电流表现为250 A的直线；

(2)入地电流在雷击处续流前，Y/Y换流变仍保持为正常波动的零序电流，在叠加直流偏磁电流后，Y/Y换流变中性点电流表现为偏磁畸变的尖顶波，并在尖顶波超过250 A后出现了削峰现象，如图4所示；

(3)电容隔直装置投入动作时间(约5 s ～12 s)和隔直电容充电时间(约600 ms～6 000 ms)均比桥差保护动作时间(200 ms)和接地极线路平衡电流保护动作时间(500 ms或1 s)长，保护仍会率先动作导致闭锁。加装电容隔直装置起不到应有的隔离直流的效果。

3 PSCAD/EMTDC仿真验证

3.1 暂态偏置电流仿真

仿真用的HVDC系统主接线图如图1所示。仿真工况包括：不同ESOF时刻双极转单极、不同功率下双极转单极、输电线路长度、线路耦合、中性点电压变化、交流单相接地、重启动过程、换相失败等。

仿真结果表明：

(1)换流变档位变化，会导致Y/△换流变出现偏置电流。并且向上调档位，暂态电流为正向偏置；并且向下调档位，暂态电流为负向偏置;

(2)改变高坡站和肇庆站的地电位，发现Y/△换流变网侧中性点出现偏置电流；并且地电位改变的越大，偏置电流越明显；改变双方地电位的方向后，偏置电流也跟着反向偏置;

(3)双极转单极大地瞬间，在直流侧施加从1.0倍阶跃1.4倍的负荷直流电流，模拟工程实际中负荷的变化，如图8所示。Y/Δ换流变中性点电流会出现偏置现象，如图9。

图8 HVDC直流负荷电流阶跃变化比较

(4)直流重启动、换相失败(脉冲丢失)、交流侧单相接地短路故障、直流输电线路电磁耦合等工况，不会导致Y/△换流变网侧中性点出现偏置电流。

3.2 60EL保护动作整定仿真

60EL保护重启动延时动作原定值为整流站500 ms、逆变站1 s。针对高肇直流单极大地大功率运行工况(max(Idee1,Idee2) >550A)，综合考虑60EL保护出口时间、直流系统响应时间、87CBD动作时间、各回直流60EL保护定值及重启动策略等，将60EL保护重启动延时优化为400 ms，确保在接地极线路发生接地故障时60EL保护重启段先于87CBD保护动作，降低直流跳闸风险。

仿真验证表明，高肇直流60EL重启段延时优化为400 ms后，能避免接地极线路故障时87CBD先于60EL保护动作，且不会导致保护误动，如图10所示。图11中，二进制数值由0变为≥1时，保护发生动作。可以看到，角侧桥差保护先于接地极电流保护动作，延时优化整定起到了良好的工程效果。

图10 EMTDC仿真的保护动作整定

图11 保护动作情况仿真

4 结束语

(1)对南方电网公司所辖各直流工程暂态工况的统计发现，各直流在双极转单极大地回线运行的暂态工况下，Y/△换流变网侧中性点电流都会出现暂态偏置并缓慢衰减的现象。并且在双极转正极大地回线运行时，整流站正向偏置，逆变站负向偏置；在双极转负极大地回线运行时，整流站负向偏置，逆变站正向偏置；

(2)对直流功率变化、换相失败、换流变档位切换、地网电位变化等各种暂态工况下的仿真发现，在零序等值回路里，零序电压的变化或零序阻抗的变化，是导致Y/△换流变中性点零序电流出现暂态偏置的原因；

(3)综合分析造成换流变直流偏磁的原因，并评估了换流变耐受直流偏磁的能力。研究结果表明，本次直流偏磁直接原因是近区遭受雷击后，入地电流续流并在近区入地，是小概率事件，持续时间仅为ms级；直流偏磁的危害主要是时间的累积效应造成，换流变可以承受短时暂态过程的直流偏磁电流；

(4)对加装电容隔直装置可行性的分析结果表明，电容隔直装置投入动作时间(约5 s～12 s)和隔直电容充电时间(约600 ms～6 000 ms)均比桥差保护动作时间(200 ms)和接地极线路不平衡电流保护动作时间(500 ms或1 s)长，保护仍会率先动作导致闭锁。加装电容隔直装置起不到应有的隔离直流的效果；

(5)针对高肇直流单极大地大功率运行工况(max(Idee1,Idee2) >550 A)，高肇直流60EL重启段延时优化为400 ms后，可以确保在接地极线路发生接地故障时，60EL保护重启段先于87CBD保护动作，不会导致保护误动，降低了直流跳闸风险。