基于高压直流输电系统的保护设计探讨

衣海东

摘 要：近年来，基于全控型器件的电压源换流器的高压直流输电系统在我国得到了广泛的应用，随着高压直流输电系统的电压等级和容量不断提升，短路容量也不断提高，因此对系统保护的动作性能有了更高的要求，本文基于直流输电系统的保护种类和保护分区原理，结合目前直流继电保护的配置方案，对直流输电系统的保护设计进行了探讨和分析。

关键词：高压直流;全控型;换流器

0 引言

基于高压直流输电系统独特的优点，近年来，高压直流输电系统在我国远距离大容量输电和大区联网中得到了广泛的应用。截至2019年11月，中国已建成并投运二十多条特高压输电线路，随着特高压直流输电系统电压等级的不断提升，其短路容量也不断增大，这对直流系统的保护也有了更高的要求。

高压直流输电系统保护（以下简称直流系统保护）用于检测发生在直流输电系统中换流站、直流输电线路及相关交流系统的故障，并发出相应的处理信号和指令，以保护直流输电系统免受过/低电压、过电流、过热和过大电动力的危害，防止系统事故进一步扩大[1]。本文主要对直流输电系统的保护特点、种类和分区进行了探讨和分析。

1 直流输电系统保护种类

直流输电系统发生故障或者不正常运行情况时，系统的触发角、电压、电流、阻抗和功率及谐波等电气量都将发生异常变化，工程中一般利用正常运行时的电气量与非正常运行时的电气量进行比较、判断，来对系统进行保护，根据不同电气量、参数或者运行特性的原理，直流系统分为过/低电压保护、过电流保护、行波保护、谐波保护、触发角保护、差动保护（含纵差保护、横差保护及其他差动原理保护）等等[2]。

直流输电系统中如果按照被保护对象的不同可以分为交流侧保护、直流侧保护和直流线路保护三大类，其中，直流侧保护和直流线路保护又称为直流保护。

（1）交流侧保护

主要包括换流变压器保护和交流滤波器保护等。

（2）直流侧保护

主要包括换流器保护、极母线保护、极中性母线保护、双极中性母线保护接地极引线保护、直流滤波器保护以及平波电抗器保护。

（3）直流线路保护

直流线路保护系统主要由行波保护、低电压保护、纵差保护和横差保护等保护构成，其中行波保护为主保护，低电压保护为其后备保护，纵差保护和横差保护为上两者的后备保护。

2 直流输电系统保护特点

直流输电系统的保护必须根据实际工程区别配备，主要是由于其跟直流控制系统、交流系统继电保护和其他换流站等有密切的关系[1～3]。

（1）与直流控制系统关系密切

一般地，在直流系统故障时或者异常运行状况下，首先将通过控制系统对故障进行抑制，主要是基于控制系统的快速性，所以直流系统保护应与直流控制系统的功能和参数应正确协调配合。

（2）与交流系统继电保护关系密切

对于直流输电系统，由于其两侧（整流侧和逆变侧）分别通过换流变压器和交流输电系统相连，所以，交流系统故障时或者异常运行状况下，都会对直流输电设备产生影响。

（3）两端换流站的保护控制关系密切

直流输电线路纵差保护的部分判据需要根据两站极间通信传输数据，以获取对侧站的信息，当输电线路发生故障时，保护必须故障及时切除，以避免两侧设备受到过应力影响。

直流输电系统保護还跟设备集成、微机化、多重冗余配置和技术方案等方面的因素有关[5]。

3 直流输电系统保护分区

直流输电系统根据其系统结构配置可以划分为以下三个保护划分方案，方案一和方案二保护配置方案分别图1和2所示[2]。

方案三和方案二保护分区基本相同，不同之处在于，方案三中直流滤波器区为单独保护分区，不在保护4内。

4 总结

本文针对直流输电系统的保护种类和保护分区原理进行了探讨，并对不同保护分区方案进行了总结分析。随着我国高压直流输电系统电压的不断提升，短路电流的不断增大，以及多端直流系统的不断形成，对控制和保护设备的性能要求也必将不断提高。

参考文献

[1]中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司.高电压直流设计手册[M].中国电力出版社，2017.

[2]中国南方电网超高压输电公司，华南理工大学电力学院.高压直流输电系统继电保护原理与技术[M].中国电力出版社，2013.

[3]赵成勇.柔性直流输电建模和仿真技术[M].中国电力出版社，2014.

[4]耿建风.柔性直流输电系统应用技术[M].中国电力出版社，2013.

[5]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].中国电力出版社，2016.