HVDC换流站换流器桥差保护动作行为的仿真分析

翁汉琍，李雪华，潘本仁，杨国稳

（1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2.国家电网江西省电力科学研究院，江西 南昌 330096）

HVDC（High Voltage Direct Current）换流站换流器桥差保护的任务是当换流桥发生阀换相故障或触发故障时，作为后备保护跳开网侧断路器来保护直流系统［1］。

近年来，换流桥发生阀换相故障或触发故障时，桥差保护异常动作的相关案例已多次报道。例如：贵广线直流输电工程在运行中故障切除引发几次桥差保护异常动作［2］。而引起桥差保护异常动作的原因尚不明确。

在桥差保护动作性能分析方面，文献［1］分析了站内交流系统等故障造成换流站桥差保护异常动作的问题；文献［2］针对贵广I回直流输电工程在运行过程中因励磁涌流引发的几次桥差保护动作进行了事故分析；文献［3］分析了换流站换流变空载合闸时产生的励磁涌流使直流保护系统误动的情况并提出了新的算法；文献［4］针对HVDC单极—大地运行情况下结合换流变直流偏磁给出了相应的PSCAD／EMTDC模型；文献［5］中提到雷电对直流输电线路相关保护的影响。而关于直流系统保护运行已有大量文献进行分析、研究和仿真［6-11］，但对换流站内相关故障情况下桥差保护动作情况进行全面分析的文献很少［12-13］。基于此，笔者将考察换流站换流器桥差保护在不同故障点以及不同故障类型下的动作情况，并着重分析桥差保护出现异常动作的原因。

1 HVDC换流器桥差保护的保护机理

对于直流保护系统的后备保护，Y／Y，Y／△换流变换流侧桥差保护的完整判据［1］分别为

式（1）、（2）中Iset为保护的动作整定值；IacY是Y／Y换流变阀侧三相电流最大值；IacD是Y／△换流变阀侧三相电流最大值；其中

当故障发生时，取△桥和Y桥阀侧交流电流按式（1）、（2）判据条件进行判据，△IY或△ID大于整定值Iset，即满足式（1）或（2）任意一式即可，且差值持续时间Δt＞200ms后［2］，满足桥差保护动作条件，跳开网侧交流断路器对换流站直流系统进行保护。但值得注意的是，交、直流保护必须进行配合，交流保护系统未动作则由直流保护系统及时将故障切除。作为直流保护系统后备保护换流器配置的桥差保护，其功能主要是在换流桥发生阀换相故障和触发故障，且交流保护系统，直流主保护系统均未动作情况下，由桥差保护动作，跳开网侧交流断路器起到切除故障电流保护直流换流系统的安全。

2 换流站换流器桥差保护仿真模型

笔者对直流保护系统桥差保护动作性能进行仿真分析，通过PSCAD／EMTDC电磁暂态仿真软件，建立包括交流系统、换流变压器、整流／逆变器、平波电抗器、交直流滤波器、直流输电线路的HVDC输电模型。采用CIGRE标准高压直流输电控制系统模型并进行相应修改，搭建出HVDC换流站12脉动直流输电系统模型，仿真高压直流输电系统在正常运行及故障工况下换流器桥差保护的情况。HVDC换流站桥差保护仿真模型如图1所示；桥差保护的保护判据逻辑如图2所示。

图1 HVDC换流站桥差保护仿真模型Figure 1 Simulation model of bridge differential protection in HVDC converter station

图2 HVDC换流站桥差保护判据逻辑Figure 2 Criterion logic diagram of bridge differential protection in HVDC converter station

基于上述模型，对区内故障和区外故障分别进行仿真，其中，区内故障为整流侧换流变△桥阀侧故障和整流侧换流变Y桥阀侧故障；区外故障为换流器直流母线高压端接地短路故障和整流侧换流变网侧故障。区内整流侧换流变△桥／Y桥阀侧故障和区外整流侧换流变网侧故障类型包含：单相接地故障（AG，BG，CG）、两相相间接地故障（ABG，BCG，ACG）、两相相间不接地故障（AB，BC，AC）、三相相间接地故障（ABCG）和三相不接地故障（ABC）。

3 换流器桥差保护动作情况仿真及结果分析

仿真时长为0.6s，仿真过程中，故障发生在t=0.2s时刻。由于主要考察桥差保护作为后备保护的动作可靠性，因此，仿真中加入永久性故障，以模拟故障未被主保护切除。

3.1 整流侧换流变△桥阀侧故障（区内故障）

3.1.1 对于△桥阀侧发生AG故障

如图3所示，ΔIY或ΔID差值持续时间远小于200ms，桥差保护拒动。分析拒动原因：当△桥发生接地故障时，故障电流一部分通过接地点流入Y桥变压器中性点后流入线路中，另一部分则从故障点流入△桥侧变压器的△环中。因此，△桥和Y桥的TA采样值均为含有部分故障电流的值，当电流最大值相差不大时，有可能使保护不动作，从图3可看出桥差保护拒动（对于ABG，ABCG故障结果同AG，限于篇幅，不在此展开论述）。

图3 AG故障发生在△桥阀侧时的仿真结果Figure 3 The simulation results when AG fault occurs at the△bridge valve side

3.1.2 对于△桥阀侧发生AB故障

如图4所示，ΔIY＞Iset，ΔID=0，较大值持续时间Δt＞200ms，桥差保护正确动作。分析动作原因：发生在△桥阀侧的相间不接地故障时，TA的采样值是故障点前靠近换流变的电流值，而Y桥阀侧TA的采样值是通过换流器流经Y桥接地点的故障电流值，△桥和Y桥TA采样电流值不相同，故桥差保护正确动作。

图4 AB故障发生在△桥阀侧的仿真结果Figure 4 The simulation results when AB fault occurs at the△bridge valve side

3.2 整流侧换流变Y桥阀侧故障（区内故障）

3.2.1 对于Y桥阀侧发生AG故障

如图5所示，ΔIY=0，ΔID＞Iset，较大值持续时间Δt＞200ms，桥差保护正确动作。分析动作原因：发生在Y桥阀侧的相间接地故障时，TA的采样值是故障点流经Y／Y换流变接地点的电流值，而△桥阀侧TA的采样值是不含故障电流的电流值，△桥和Y桥TA采样电流值不同，故桥差保护正确动作（ABG，ABCG故障同AG故障）。

图5 AG故障发生在Y桥阀侧仿真结果Figure 5 The simulation results when AG fault occurs in the Y bridge valve side

3.2.2 对于Y桥阀侧发生AB故障

如图6所示，ΔIY=0，ΔID＞Iset，较大值持续时间Δt＞200ms，桥差保护正确动作。分析动作原因：发生在Y桥阀侧TA后的相间不接地故障时，TA的采样值是两故障相流经TA到Y／Y接地变压器构成回路的电流值，而△桥阀侧TA的采样值是没有故障电流的电流值，所以△桥和Y桥TA采样电流值不相同，故桥差保护正确动作。

图6 AB故障发生在Y桥阀侧仿真结果Figure 6 The simulation results when AB fault occurs at the Y bridge valve side

3.3 换流器直流母线高压端接地短路故障（区外故障）

在换流器直流母线高压端加入接地故障，仿真结果如图7所示，可知发生换流器直流母线高压端接地短路故障时，ΔIY＜Iset，ΔID＜Iset，较大值持续时间Δt＜200ms，桥差保护不动作，动作情况反应正确。

3.4 整流侧换流变网侧故障（区外故障）

对于整流侧换流变网侧母线发生AG故障，仿真结果如图8所示，可知区外故障的整流侧换流变网侧故障时，ΔIY＜Iset，ΔID＜Iset，较大值持续时间Δt＜200ms，故桥差保护不动作，动作情况反应正确。AG，AB，ABG，ABCG故障时，换流器桥差保护均不动作，动作情况反应正确（AB，ABG，ABCG故障结果同AG故障）。

图7 直流母线高压端接地短路故障仿真结果Figure 7 The simulation results when grounding fault occurs at the DC bus side

图8 整流侧换流变网侧发生AG故障仿真结果Figure 8 The simulation results when AG fault occurs at the network side of rectifier

4 结语

经过大量的仿真和分析，可知：

1）△桥、Y桥阀侧电流互感器采样值要存在故障电流差值，桥差保护才能正确动作；若故障电流同时流入或同时不流入△桥、Y桥TA，即TA采样值无差值或差值小于整定值，且故障持续时间未达到200ms，则桥差保护将不会动作，因此△桥阀侧发生接地故障时，桥差保护拒动。

2）对于区外故障的换流器直流母线高压端接地短路故障以及整流侧换流变网侧故障，换流器桥差保护均能可靠不动作，对故障情况反应正确。

3）根据相关报道［2，14］，换流变空载合闸产生的励磁涌流导致Y／△变压器二次侧△环中存在含有很大非周期分量的大零序环流，造成TA饱和，产生虚假差流，可能导致桥差保护误动。结合该文仿真分析结果，目前换流器桥差保护同时存在拒动和误动的可能，现阶段的桥差保护判据还不够完善，其动作性能提升的空间，有待进一步的研究。

［1］成敬周，徐政.换流站内的交流系统故障分析及保护动作特性研究［J］.中国电机工程学报，2011，31（22）：88-95.CHENG Jing-zhou，XU Zheng.Analysis of AC faults in converter station and characteristics of its relay protection［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31（22）：88-95.

［2］瞿少君.励磁涌流导致的换流器桥差保护动作分析［J］.云南电力技术，2010，38（4）：86-87.QU Shao-jun.Excitation inrush current caused by the inverter bridge differential protection action analysis［J］.Journal of Yunnan Electric Power Technology，2010，38（4）：86-87.

［3］翁汉琍，林湘宁.换流变压器差动保护异常动作行为分析及对策［J］.中国电机工程学报，2009，29（31）：87-94.WENG Han-li，LIN Xiang-ning.Analysis and countermeasure of abnormal operation behaviors of the differential protection of converter transformer［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29（31）：87-94.

［4］林湘宁，相艳会，全江涛，等.HVDC单极—大地运行情况下换流变压器直流偏磁建模仿真［J］.电力科学与技术学报，2013，28（1）：31-35.LIN Xiang-ning，XIANG Yan-hui，QUAN Jiang-tao，et al.Simulation analysis of convert transformer DC-biasing under HVDC system in ground return operation［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2013，28（1）：31-35.

［5］束洪春，张广斌，朱子钊.±800kV直流输电线路雷电绕击电流波形反演恢复研究［J］.电力科学与技术学报，2014，29（2）：3-13.SHU Hong-chun，ZHANG Guang-bin，ZHU Zi-zhao.Inversion and restoration of lightning current waveform for shielding failure in±800kV UHVDC transmission lines［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2014，29（2）：3-13.

［6］罗德彬，汪峰，徐叶玲.国家电网公司直流输电系统典型故障分析［J］.电网技术，2006，30（1）：35-39.LUO De-bin，WANG Feng，XU Ye-ling.Analysis on typical faults in SGCC’s HVDC projects［J］.Power System Technology，2006，30（1）：35-39.

［7］杨杰，郑健超，汤广福，等.电压源换相HVDC站内交流母线故障特性及保护配合［J］.中国电机工程学报，2010，30（16）：6-11.YANG Jie，ZHENG Jian-chao，TANG Guang-fu，et al.Internal AC bus fault characteristics of VSC-HVDC system and protection coordination［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30（16）：6-11.

［8］张民，石岩，韩伟.特高压直流保护动作策略的研究［J］.电网技术，2007，31（10）：10-16.ZHANG Min，SHI Yan，HAN Wei.Research on action strategy of UHVDC protection［J］.Power System Technology，2007，31（10）：10-16.

［9］梅念，李银红，刘登峰，等.高压直流输电中阀短路保护的动作方程研究［J］.中国电机工程学报，2009，29（1）：40-47.MEI Nian，LI Yin-hong，LIU Deng-feng.Study on the operational equation for valve short circuit protections in HVDC projects［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29（1）：40-47.

［10］张海凤，朱韬析.整流侧交流系统故障对高压直流输电系统的影响［J］.继电器，2007，35（15）：24-27.ZHANG Hai-feng，ZHU Tao-xi.Influence of rectifier AC fault on HVDC transmission system［J］.Relay，2007，35（15）：24-27.

［11］袁清云.直流输电换流站换流器保护的配置及原理［J］.高电压技术，2004，30（11），13-14.YUAN Qing-yun.Arrangement and principal of converter protection of HVDC［J］.High Voltage Engineering，2004，30（11）：13-14.

［12］韩昆仑.高压直流输电系统换流器与线路保护动态特性分析与整定研究［D］.广州：华南理工大学，2013.

［13］刘洋.直流输电系统换流器接地故障特征分析及保护改进研究［D］.广州：华南理工大学，2011.

［14］刘敏，张楠，邹卓霖，等.直流保护系统CT饱和引起直流工程桥差保护误动分析及改进措施［J］.继电器，2007，35（21）：10-13.LIU Min，ZHANG Nan，ZOU Zhuo-lin，et al.Analysis of a unwanted trip of the bridge differential protection caused by CT saturation state and its improved ways［J］.Relay，2007，35（21）：10-13.