特高压柔性直流输电阀区接地故障保护对策

柳林海

摘要：当特高压柔性直流换流阀的全桥子模块数目足够时，换流阀具有阻断故障电流的能力。保护动作后，交流联络线区域与上下桥臂之间的接地故障只能通过阻断换流阀来隔离。本文对特高压柔性直流输电阀区接地故障保护进行了分类分析，提出了两种保护对策。

关键词：特高压柔性直流換流阀;接地故障;处理策略

一、区接地故障分区及处理策略

根据特高压柔性直流换流阀的特点，将特高压柔性直流换流阀分为三个子区域：第一个区域包括交流连接线与上下桥臂之间的部分;第二区域包括换流阀与换流阀隔离开关Q1、Q2、Q3、Q4之间的部分;第三个区域包括换流阀隔离开关Q1和Q4与直流母线之间的部分，以及换流阀隔离开关Q2和Q3之间的部分，具体如图1所示。

（一）第一区域接地故障

由于续流二极管的单向导电性，关断装置后，全桥子模块的电流从电容器的正极流入，从负极流出，因此关断装置可以使电容器立即工作在充电状态。当直流故障发生时，工作在充电状态的电容器能使故障电路的电流迅速熄灭。

在图1、F1、F2故障中，高压换流阀闭锁，故障电流熄灭后，故障点与其它连接线路及设备无回路，不影响低压换流阀的动作及换流阀隔离开关Q1、Q2的动作。只要故障电流熄灭，旁路开关闭合，即使Q1和Q2没有分开，低压换流阀也可以恢复送电。同样，也可以通过锁定低压变流阀来隔离F12和f13低压变流阀故障。

（二）第二区域接地故障

由图1可知，隔离开关Q1和Q2可以隔离第二区域的故障，包括F3、F4、F5、F6和F7;隔离开关Q3和Q4可以隔离第二个区域的故障F10、F11、F14、F15和F16。

（三）第三区域的接地故障

第三区接地故障为F8、F9、F17。这些故障不能通过阻断换流阀或隔离隔离开关Q1、Q2、Q3和Q4来隔离。因此，当这些故障发生时，它们只能闭锁极。

（四）接地故障处理策略

基于以上分析，本文提出了以下两种特高压柔性直流阀接地故障处理策略。

第一种是在保护检测到图1中的F1、F2、F12、f13故障时，闭锁换流阀;检测到任何其他接地故障闭锁极。

第二种是保护检测到图1隔离开关Q1、Q2、Q3、Q4阀侧F1、F2、F12、f13、F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11、F14、F15、F16故障后，锁止换流阀，检测F8、F9、F17锁极。

二、第一种接地故障保护对策

（一）阀区测量设备配置

为了实现图1中F1、F2、F12、f13故障时换流阀的闭锁策略，需要配置相应的电流测量设备，以准确定位这些区域的故障。根据现行的柔性直流工程标准，只要配置桥臂电流测量设备和交流联络线测量设备，就可以满足这一要求。

对于F8、F9、F17故障，只能采用闭锁极策略。在配置测量设备时，需要闭锁极的主保护来覆盖这些区域。当故障F3、F4、F5、F6、F7（F10、F11、F14、F15、F16）采用闭锁极策略时，在极母线和极中性母线的换流阀侧配置电流测量装置。

（二）接地故障保护配置

（1）交流连接母线差动保护：分相差动，检测换流器与换流变压器之间的故障，保护动作后闭锁换流阀。

（2）桥臂差动保护：分相差动，检测换流阀桥臂的接地故障，保护动作后闭锁换流阀。

（3）桥臂电抗器差动保护：检测桥臂电抗器及相连母线的接地故障，保护动作后闭锁极。

（4）直流差动保护：检测高、低换流阀区域所有的接地故障，保护动作后闭锁极。

三、第二种接地故障保护对策

（一）阀区测量设备配置

国网特高压常规直流工程只能对图1中F1、F2、F3、F12、F13、F14接地故障执行闭锁换流阀的策略，而对于F4、F5、F6、F7（F10、F11、F15、F16）仍然采取闭锁极的策略，将特高压柔性直流识别换流阀接地故障的电流测量设备配置在隔离刀闸Q1、Q2、Q3、Q4换流阀侧。

（二）接地故障保护配置

（1）交流连接母线差动保护：与第一种配置方法相同。

（2）桥臂差动保护：与第一种配置方法相同。

（3）桥臂电抗器差动保护：检测桥臂电抗器及相连母线的接地故障，保护动作后闭锁换流阀。

（4）高、低阀连接线差动保护：检测图1所示的F9接地故障，仅双阀运行时投入，保护动作

（5）极母线差动保护：检测图1所示F8接地故障，保护动作后闭锁极后闭锁极。

（6）极中性母线差动保护：检测图1所示F17接地故障，保护动作后闭锁极。

四、保护的灵敏度分析

（一）第一区域接地故障保护的灵敏度分析

特高压柔性直流高压换流阀正常运行时，换流阀阀侧对地电压为600kV直流电压与阀侧交流电压的组合，低压换流阀对地电压为200kV直流电压与阀侧交流电压的组合。因此，图1中的F1、F2、F12和F13故障会产生较大的故障电流，保护的灵敏度很高。

（二）第二区域接地故障保护的灵敏度分析

在单极运行时，由于接地电流和接地极的线路电阻，极中性母线处的电压将上升到几十kV。图1所示F14、F15、F16故障会产生较大的直流电流，满足保护灵敏度的要求。F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11故障点的正常工作电压远高于极中性母线的正常工作电压，保护无灵敏度问题。

双极双换流阀运行时，极母线电压为800kV，高低压换流阀接线区电压为400kV，故障点F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11产生的故障电流足以保证保护的灵敏度。

（三）第三区域接地故障保护的灵敏度分析

第三区F8电压始终接近直流极母线电压，故障发生后会产生较大的故障电流，相关保护灵敏度很高。F9与第二区F5、F7断层特征相同，F17与第二区F15、F16断层特征相同。

五、两种保护对策的分析及对比

第一区配置100微秒级超高速接地保护，第二区和第三区配置毫秒级接地保护，实现接地故障保护之间的配合;测量设备的数量只有一个差别，成本只有几十万元;三区保护测量装置的投切可根据换流阀隔离开关的位置进行选择，广泛应用于当前直流工程中。

上述三种情况对两种处理策略的选择影响不大，可以应用于工程实践。其中，第一处理策略与南方电网特高压常规直流阀区接地故障处理策略相似，乌东德特高压多端混合直流工程柔性直流换流站采用第一处理策略;第二种处理策略类似于国网特高压常规直流阀区接地故障处理策略，即发生阀组接地故障后，先将磁极锁定，再将磁极重新连接，待磁极隔离后，重新启动无故障阀组。因此，第二种处理策略可作为国家电网后续特高压柔性直流工程建设的参考。

结语

本文根据换流阀接地故障的不同处理策略，将特高压柔性直流输电阀分为三个区域。阻塞的换流阀可以隔离第一个区域的接地故障，并且不影响另一个换流阀的操作。因此，本文建议在第一区发生接地故障时，只能采用闭锁式换流阀。

当第二、三区域的接地故障都闭锁极时，利用极母线和极中性母线阀侧的电流测量设备配置直流差动保护就能检测所有阀区的接地故障。针对直流差动保护在极中性母线处桥臂电抗与换流阀之间的接地故障时存在灵敏性不够的问题，增加直流谐波差动保护。当第二区域的接地故障只闭锁换流阀、第三区域的故障闭锁极时，文中提出了在每一个换流阀隔离开关的换流阀侧配置电流测量单元的方法，并配置桥臂电抗器差动保护、换流阀连接线保护、极中性母线差动保护、极母线差动保护识别不同区域的故障。

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