直流滤波器保护配置及典型故障分析

丁 厦，石丹丹，杨韦国，王友欢，张建猛

（国网山东省电力公司检修公司，济南 250118）

直流滤波器保护配置及典型故障分析

丁 厦，石丹丹，杨韦国，王友欢，张建猛

（国网山东省电力公司检修公司，济南 250118）

直流滤波器作为换流站中的重要设备，是抑制高压直流输电系统直流侧谐波最有效的手段。直流滤波器运行工况较为复杂，导致的直流闭锁事故较多，因此为其配置完善、可靠的保护对整个直流输电系统极为重要。介绍胶东换流站直流滤波器保护配置和原理，针对直流滤波器差动保护、不平衡保护及过负荷保护进行重点分析。结合系统内发生的直流滤波器保护动作事件，对故障类型及处理过程进行介绍，为今后直流工程直流滤波器的设计配置与故障处理提供参考。

高压直流输电系统；直流滤波器保护；直流闭锁；故障处理

0 引言

与交流输电系统相比，高压直流输电系统具有长距离、大容量、损耗小等优点［1］。随着±800 kV扎鲁特—青州特高压直流工程顺利开工，落脚于山东的直流“外电入鲁”大动脉已达3条，对推动清洁发展、加快结构调整、拉动经济增长具有重大作用。

直流滤波器作为换流站中的重要设备，是抑制高压直流输电系统直流侧谐波最有效的手段。直流滤波器运行工况较为复杂，导致的直流闭锁事故较多，因此为其配置完善、可靠的保护对整个直流输电系统极为重要［2-3］。

以银东直流输电工程为例，介绍直流滤波器保护基本配置和原理，针对直流滤波器差动保护、不平衡保护及过负荷保护进行重点分析，并结合银东直流系统曾发生的直流滤波器保护动作事件，对查缺与处理过程进行具体分析与总结。

1 直流滤波器保护配置

胶东站直流滤波器每极有两组，分别为HP12／24次和HP6／42次谐波直流滤波器，直流滤波器保护采用HCM200数字多处理系统实现，每一组直流滤波器都有两套保护，两套保护位于同一个保护屏内，实现双重化保护。以HP12／24次谐波直流滤波器为例，主要包括差动保护、电容器不平衡保护、过负荷保护、失谐监视等，保护功能配置如图1所示。其中共有5组TA回路，高压侧TA1和电容器C1不平衡TA2都是光电流互感器，其他3组为电磁式电流互感器。

每一重直流滤波器保护系统具有独立、完整的硬件配置和软件配置，与其他各重保护之间在物理上和电气上完全独立，任意一重保护因故障、检修或其他原因而完全退出时，不影响其他各重保护，并对整个系统的正常运行没有影响。HCM200机箱的插件均为标准的插卡。测量回路采用传统的测量技术。保护出口信号在总出口加出口压板。

图1 HP12／24直流滤波器保护配置

2 直流滤波器保护原理及动作后果

2.1 直流滤波器差动保护

功能及保护区域。检测直流滤波器和并联电容器内部任何接地故障。保护区域包括整个直流滤波器。

保护原理。差动保护取量如图2所示，测量的是直流滤波器高低压侧直流电流。在正常运行时，电流是平衡的；当发生直流滤波器和并联电容器内部任何接地故障，会出现直流分流而导致高低压侧直流电流不平衡。保护通过检测差流来检测直流滤波器接地故障，在直流滤波器发生接地故障时将直流滤波器退出运行。

动作判据及后果。检测直流滤波器高压侧电流IT1和低压侧（中性线侧）电流 IT4的差流，如果超过定值，保护动作。其后备保护为第二套保护差动保护、极母线差动保护。

各段保护动作后果如表1所示。

保护I段动作判据为|IT1-IT4|＞0.5IT1+40 A；保护II段动作判据为|IT1-IT4|＞0.5IT1+150A。

图2 直流滤波器差动保护取量

表1 直流滤波器差动保护动作后果

2.2 直流滤波器不平衡保护

功能及保护区域。检测直流滤波器高压电容器组的故障。保护电容器C1免受由于故障电容器单元对完好电容器组造成的过应力而使电容器单元雪崩损坏，保护考虑了制造误差和电容元器件老化带来的初始不平衡电流，程序中能自动调整。保护区域为高压电容器。

原理及动作后果。直流滤波器不平衡保护取量如图3所示。检测直流滤波器IT2和IT4，如果IT2／IT4超过定值，则保护动作。

保护动作判据为IT2／IT4＞Δ。

定值Δ的设置根据不平衡电流和滤波器电流来确定。后备保护为极母线差动保护。若保护I段动作，则延时10 s告警并发送事件顺序记录。

胶东换流站HP12／24保护I段动作判据为

IT2／IT4＞Δ1，Δ1=0.9804%

图3 直流滤波器不平衡保护取量

2.3 直流滤波器过负荷保护

功能及分类。监测直流滤波器的过负荷，避免直流滤波器过应力。过负荷保护分为高压端电抗、低压端电抗及电阻过负荷保护。

原理及动作后果。过负荷保护取量如图4所示。检测直流滤波器各部分总的谐波电流，如果超过定值，保护动作。保护动作延时应能躲过暂态过负荷的影响，以免误动。

图4 直流滤波器过负荷保护取量

电阻过负荷保护反映电阻电流 50次及以下的总谐波有效值，保护为定时限特性，配置1个告警段和1个跳闸段，I段告警，II段跳闸。电抗过负荷保护反映电抗电流50次及以下的总谐波有效值，保护为定时限特性，配置1段告警段和2段跳闸段，I段告警，II段和III段跳闸。定值的设置根据滤波器过负荷能力确定。后备保护为直流滤波器差动保护。

3 典型故障分析

2011-08-09T11∶03∶00，银东直流功率4000 MW运行，直流滤波器保护A、B系统报“极Ⅱ022LB不平衡保护Ⅱ段动作跳闸”。

3.1 运行工况

事故发生前，银东直流双极大地回线运行，直流系统输送功率4000 MW；500 kV 1号、2号母线运行正常，东崂Ⅰ、Ⅱ线，东琅Ⅰ、Ⅱ线，东泽Ⅰ、Ⅱ线运行正常，交流滤波器及其他交流场设备运行正常；极Ⅰ、极Ⅱ各2组共4组直流滤波器运行正常。

事故发生后，银东直流双极直流系统输送功率4 000 MW，双极大地回线运行正常；500 kV交流场设备运行正常；极Ⅱ第二组直流滤波器跳闸，极Ⅰ两组直流滤波器及极Ⅱ第一组直流滤波器运行正常。

3.2 故障事件分析

事件记录显示，直流滤波器022LB的A、B两套保护均动作，且每套保护的“启动”和“动作”均满足条件。事件记录简要如表2所示。

表2 不平衡保护动作事件记录

故障时刻不平衡电流波形如图5所示。当时银东直流工程不平衡保护Ⅱ段动作策略为：IT2／IT4＞Δ3，T=10 ms，Δ3=1.282%。入地总电流为11 A，分析波形可知，t1时刻不平衡电流比值为 3.22%，t2时刻不平衡电流比值1.36%均大于定值1.282%，保护正确动作。

图5 故障时刻不平衡电流波形

当直流系统出现扰动、交流系统出现重合闸时可能引起直流滤波器电容器不平衡保护动作或报警，即直流滤波器不平衡保护动作并不能完全可靠反映是电容器发生故障。纵使电容器出现多个单元短路故障，只要对站对应直流滤波器组在运行，便可在线退出运行故障直流滤波器组［4-6］。结合系统内其他换流站也出现多次直流滤波器电容器不平衡保护误动，目前相应规范已修改为直流滤波器不平衡保护只报警而不闭锁直流系统。

4 结语

以银东直流输电工程为例，介绍直流滤波器保护基本配置和原理，针对直流滤波器差动保护、不平衡保护及过负荷保护进行重点分析，并结合银东直流系统发生的直流滤波器保护动作事件，对查缺与处理过程进行具体的分析与总结，为今后直流输电工程直流滤波器保护的设计与配置提供参考。

［1］赵畹君．高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［2］文继锋，陈松林，李海英，等．超高压直流系统中的直流滤波器保护［J］．电力系统自动化，2004，28（21）：69-72.

［3］程江平，周全.直流滤波器保护的研究和改进［J］.电力系统保护与控制，2011，39（4）：105-109.

［4］田培涛，黄金海，吴庆范，等.直流滤波器保护关键问题的研究［J］.电力系统保护与控制，2015，43（18）：144-149.

［5］宋臻吉，程宁，任众楷，等.±660 kV胶东换流站直流滤波器不平衡保护配置及改进建议［C］//山东电机工程学会2012年度学术年会论文集，2012．

［6］姚其新，胡斌，饶洪林.换流站直流滤波器电容器不平衡保护误动原因分析及建议［J］.湖北电力，2012，36（2）：13-14.

Protection Configuration and Typical Fault Analysis of DC Filter

DING Sha，SHI Dandan，YANG Weiguo，WANG Youhuan，ZHANG Jianmeng
（State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China）

As important equipment in converter stations，DC filter is the most effective equipment to suppress the DC side harmonics in HVDC transmission system.However，the DC filter often leads to HVDC pole blocking accidents because of its complex operating conditions，so the configuration of perfect and reliable protection is very important for DC transmission system.The protection configuration and principle of DC filter in Jiaodong converter station are introduced in this paper.The differential protection，unbalance protection and over load protection of DC filter are analyzed primarily.According to the DC filter protection action，the fault type and treating process are introduced，which provide references for the design and fault treatment of DC filter in HVDC projects in the future.

HVDC transmission system；DC filter protection；DC blocking；fault treatment

TM771

B

1007－9904（2017）02－0058－04

2016-10-26

丁 厦（1990），男，从事高压直流运维检修等工作；

石丹丹（1989），女，从事高压直流运维检修等工作；

杨韦国（1990），男，从事高压直流运维检修等工作；

王友欢（1988），男，从事高压直流运维检修等工作；

张建猛（1989），男，从事高压直流运维检修等工作。