无通信时逆变站紧急闭锁后整流侧直流保护优化研究

殷丕盛，于 鹏，袁茂凯，苑 双，吴布托

（国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118）

0 引言

默蒂亚里—拉合尔直流输电工程（以下简称默拉直流工程）是以建设—拥有—运营—移交（Build-Own-Operate-Transfer，BOOT）模式开发的直流输电工程，是巴基斯坦规划的南电北送通道之一，已纳入中巴经济走廊能源合作优先实施项目清单。默拉直流工程输电线路［1］全长878 km，额定电压±660 kV，输送功率4 000 MW，该工程的建设可以满足巴基斯坦南部电力远距离送出的需要。

默拉直流工程在实验前直流系统运行方式为极Ⅰ小功率大地回线方式运行，在实验开始前将两站的通信光纤拔掉，运行人员操作系统显示站间通信故障，此时直流系统仍正常运行。实验人员通过修改软件，模拟逆变站中性母线接地过流保护动作，逆变站紧急闭锁，并投入旁通对。之后整流站发生交流电网电压跌落、直流线路低电压保护和直流过电压［2-3］保护相继动作，最后整流站闭锁。

根据直流保护［4］动作逻辑详细分析本次事件，对直流保护动作逻辑提出合理的修改意见，对今后的直流输电工程的设计和改造具有一定参考意义。

1 Y闭锁及低电压、过电压保护

国内常规直流保护闭锁逻辑［5-6］主要分为X、Y、Z 3 种闭锁方式［7］。默拉直流工程采用相同的闭锁逻辑。

闭锁的动作类型第一种是移相，即改变触发角，是所有保护闭锁中最先采取的动作逻辑，可以有效减小故障产生的应力，如整流站在闭锁的过程中先移相为逆变状态，有利于能量的泄放；第二种是立即封脉冲，其目的是防止直流电流急剧上升，主要用于整流侧的严重故障，当逆变侧发生故障立即停发触发脉冲，形成直流线路末端开路，容易引起直流过电压；第三种是投旁通对，一个六脉动换流阀包含6 个单阀，每两个单阀对应一相，当对应同一相上的两个单阀同时导通我们称之为旁通对，投旁通对的目的是在故障发生后能够尽快将直流侧能量泄放掉，隔离交/直流系统。

3 种闭锁方式中，X 闭锁［8］主要针对换流阀［9］故障，例如整流站发生的阀短路故障、换流变压器阀侧发生两相短路故障、换流阀丢失触发脉冲、进行空载加压试验（Open Line Test，OLT）时发生的故障等。X闭锁还适用于触发回路的故障，尤其是当旁通对不能够正确选择时；Y 闭锁［10］针对的故障类型主要是对设备不产生严重应力的直流侧故障［11］，如直流线路接地、金属回线接地故障、双极中性线区域接地故障、站内接地过电流直流场开关断开不成功等故障，以及阀冷系统故障、交流系统故障引起的直流谐波增大、双桥换相失败等；Z 闭锁［12］针对的故障类型主要是与直流侧相关的过电流或接地故障，如换流阀过电流、直流场接地故障，以及接地极开路、直流低电压或过电压故障。

本次试验是验证两个换流站在无通信的情况下逆变站Y 闭锁后，整流站站闭锁逻辑，Y 闭锁动作时序如表1所示。

拉合尔换流站模拟故障发生后保护闭锁逻辑正确动作，直接投旁通对，断开换流变交流进线开关，当旁通对投入后直流线路在逆变站发生短路，造成直流线路电流增大，直流电压跌落。在表1 中，当两座换流站之间无通信时，逆变站在直流电流达到定值后，延时1 000 ms 封脉冲，此时旁通对停止触发，造成直流线路在逆变站形成开路。闭锁动作时序是针对故障站设计的相关动作逻辑，非故障站仅进行闭锁，不投旁通对、跳交流进线开关。

表1 Y闭锁动作时序

直流线路低电压保护［13］的保护范围是两个换流站平波电抗器之间的设备，保护系统检测直流线路电压，当直流线路电压UdL跌落达到定值后进行直流线路重启［14］，保证在线路发生暂时性故障后快速恢复直流运行。在两个换流站无通信的情况下，拉合尔换流站发生故障后无法发信到默蒂亚里换流站，默蒂亚里换流站不能立即闭锁直流，只能根据检测到的直流状态进行相应的保护动作。当默蒂亚里换流站检测到直流线路电压跌落达到定值后，保护才动作。直流线路低电压保护判据为：|UdL| ＜Uthreshold，保护定值［15］如表2所示。

表2 直流低电压保护定值

直流过电压保护［16］的保护范围包括直流线路和换流器等设备，保护系统检测极母线电压，保护设备免受过电压的危害。默蒂亚里换流站在直流线路重启后，逆变站旁通对退出，相当于逆变站开路，造成系统产生了过电压，过电压保护动作，极Ⅰ执行X闭锁［17］。

切换系统保护判据为

I段保护保护判据为：

II/III/IV段保护保护判据为：

式中：UdN为中性母线电压；IDNC为直流电流；Uref和Iref分别为保护定值。直流过电压保护相关定值［18］如表3所示。

表3 直流过电压保护定值

2 事件分析

默拉直流工程极Ⅰ大地回线方式运行，功率控制模式为电流模式，电流整定值为303 A，功率传输方向由默蒂亚里至拉合尔。

实验开始前将站间通信光纤拔掉，站间通信故障，在拉合尔换流站控制保护系统软件中通过置数的方式模拟中性母线接地过流故障，保护系统报出中性线电容器过流保护Y 闭锁动作，随后极控发出Y 闭锁，投入旁通对，跳开换流变进线交流断路器，极Ⅰ闭锁，保护逻辑正确动作。默蒂亚里换流站交流系统电压由520 kV 跌落至325 kV，直流低电压保护动作，直流线路低电压重启线路，直流过电压保护动作，极ⅠX闭锁。

对整流站网侧交流电压变低和相关保护动作情况进行分析。

2.1 整流站网侧交流电压变低

逆变站过流保护动作后，控制系统执行Y 闭锁，在闭锁换流阀时立即投入旁通对，形成逆变站直流短路；正常运行回路如图1 所示，投入旁通对后运行回路如图2所示。

图1 正常运行时回路

图2 逆变站投旁通对后回路

逆变站投入旁通对后，整流站波形如图3所示。

图3 逆变站投入旁通对后整流站波形

分析图3波形可得：

1）逆变站闭锁投入旁通对后，造成直流对地短路，造成直流电压跌落，整流站直流电压UdL降低，由660 kV降至0附近；

2）逆变站投入旁通对后，造成直流在逆变站短路，直流电流IdNC由303 A增大至最大值5 499 A；

3）直流电流增大后，整流站为了抑制直流电流增大，控制系统会调节触发角α，造成触发角α由15.3°增大至最大110°；

4）触发角α增大后，系统消耗的无功功率Q增大，由46.8 Mvar增大至1 480 Mvar；

5）系统消耗无功功率Q增大后，交流滤波器［19］不能立即投入，消耗了整流站交流电网大量无功，造成交流电压跌落，Uac_RMS由520 kV跌落至325 kV。

根据以上分析，整流站网侧交流电压降低为正常现象。

2.2 整流站线路低电压保护动作

由表2可知，本次试验低电压保护定值为231 kV（0.35 pu），延时为700 ms（通信故障）。线路低电压保护动作波形如图4所示。

图4 整流站直流线路低电压保护动作波形

波形从上到下分别为直流电压UdL、交流低电压开关信号ACL_PP、线路重启信号RESTAR，在图4中可以看出，直流电压UdL跌落达到低于保护定值Uthreshold（231 kV）后，经过ACL_PP 屏蔽后，保护开始计时，满足保护动作延时700 ms 后发出线路重启信号RESTAR，保护正确动作。

根据以上分析，整流站直流线路低电压保护为正确动作。

2.3 整流站直流过压保护动作

整流站极控系统收到直流线路低电压保护动作后执行移相重启，整流站控制系统相关波形如图5所示。

图5 整流站控制系统波形

波形从上到下分别为直流电压UdL、IdNC直流电流、触发角α、强制移相FR、X 闭锁X_BLOCK，FR 为1表示线路Q强制移相重启，从直流线路电流跌落至0到线路重启信号发出时间大概为1.4 s，此时逆变站换流阀旁通对已经停止触发，直流线路在逆变站形成开路状态。整流站带线路重启，直流电流IdNC会很小，为了建立直流电流，系统会不断减小触发角，触发角减小造成直流电压迅速增大，当达到直流过压保护动作定值后保护动作，控制系统收到保护闭锁信号（X闭锁），整流站闭锁。

整流站过电压保护动作波形如图6所示。

图6 整流站直流过压保护动作波形

波形从上到下分别为直流电压UdL、直流电流IdNC、系统切换信号SS、X 闭锁信号X_Block，在上节已经介绍直流过电压保护保护定值，在图6 中可以看出，直流电压UdL满足保护中III 段定值Uthreshold（1.1 pu/726 kV），延时400 ms 后，发出切换系统信号SS，延时700 ms 后发出X 闭锁信号X_Block，保护正确动作。通过分析可知，整流站直流过压保护为正确动作。

为了保护直流系统在两个换流站之间通信故障的情况下，逆变站发生故障后整流站不发生过电压，对直流系统的控制策略进行分析，提出了改进方案。

3 改进方案

通过分析之前的直流工程，在德宝直流工程［20］调试过程中也出现过类似的过电压现象，其修改后的逻辑是在逆变站发生故障闭锁后，直流线路仍然重启，但是在线路重启的过程中首先建立电压，在直流电压的建立过程中，当直流电压达到一定的定值后，如果直流电流仍然无法建立，小于直流电流限定值时直流闭锁，避免了直流系统过电压。修改后的控制策略很好地避免了直流系统遭受过电压的风险。本文在充分考虑后发现直流线路如果发生永久性接地故障，在直流重启过程中会对设备造成二次冲击。目前在运直流站间通信可靠性高，在无通信情况下运行的极端恶劣的工况极少。为了避免在站间通信故障的特殊情况下，直流系统再次遭受冲击，将线路低电压保护在站间通信故障时不再进行线路故障重启，当直流线路低电压达到定值后，延时700 ms，直接进行Y 闭锁。优化后通过实时数字仿真系统（Real Time Digital System，RTDS）［21］进行仿真实验，模拟逆变站无通信过流保护动作，逆变站闭锁后，整流站直流线路低电压保护动作，保护动作后发出闭锁信号，整流站Y 闭锁，波形如图7所示。

图7 优化后整流站线路低电压保护动作波形

由图7 可知，直流电压UdL低于保护定值Uthreshold（231 kV）时，保护动作延时（700 ms）后发出闭锁信号（Y闭锁），保护正确动作。

仿真结果正确后再进行现场试验，控制系统相关波形如图8所示。

图8 优化后整流站控制系统波形

由图8 可以看出故障初始时，直流电压减小、直流电流增大，触发角升至110°，交流电压跌落，控制系统收到直流线路低电压保护动作Y 闭锁后，直接执行移相闭锁，整流站闭锁，直流电压直接变为零，由于是逆变站故障在整流侧闭锁过程中不会跳开交流开关和投旁通对。

4 结语

整流站网侧交流电压变低为正常现象，整流站直流线路低电压保护和直流过压保护均为满足保护定值后正确动作。

通过对直流线路低电压保护动作策略的修改，可以避免默拉直流工程在无通信情况下拉合尔换流站闭锁导致默蒂亚里换流站出现直流过电压情况。