高压直流输电系统的继电保护策略研究

2022-02-24孙颖慧王怡雯

大科技 2022年7期

邵增，孙颖慧，王怡雯，于祥

（天津职业技术师范大学，天津 300000）

1 概述

高压直流输电系统由于其技术和经济上的特殊优越性，在中国远距离大容量输电系统和大区网络中的使用非常普遍，高压直流输电继电保护系统是由高压直流继电保护技术和各种高压直流继电保护装置组成，涵盖高压输电直流继电保护的设计、配置、整定、调试等相关技术，包含测量、通信、动作等具体的设备。直流输电系统的故障和非正常操作会引起一系列的严重后果，最直接的影响就是对电气设备产生了不可逆的伤害，甚至有可能造成了直流系统单极或双极闭锁事件，因此，继电保护策略在直流输电系统中起着重要的作用[1]。

2 高压直流电系统继电保护的作用和任务

在高压直流输电系统中运行的机械设备出现故障时，系统自动、快速地把故障的机械设备从控制系统中分离开来，从而最大限度地减少了对非故障机械设备的影响，减小了故障范围，完成这一任务的装置称作继电保护装置。高压直流输电系统继电保护的主要任务如下。

（1）及时、精确地检查直流电力输送控制系统的各种设备故障型，并自动、迅速、有选择性地把所有设备故障部件从直流电力输送控制系统中移除，使设备故障元件避免进一步受到损害，并确保其无故障部分尽快恢复正常工作。

（2）反应了直流输电系统的不正常工作状况。监测到直流输电系统不能正常工作后，按照运行的保护要求而动作并发出信号、减负载或跳闸切断电路等。继电保护系统通常不需要马上动作，而是按照对故障系统产生的危险程度规定了相应的延时措施，以防止因短暂干扰而引起的误动作。

3 高压直流输电系统的常见继电保护策略

3.1 换流区的保护

换流器区在直流输电系统工程中，具有由交流转换直流、直流转换交流的枢纽点功能，是直流系统电力输送控制系统中最关键的部件。换流器区的主要出现故障问题原因有以下4 种。

（1）逆变器的换向设备故障问题。

（2）换流器的主线切换电源间短接设备故障问题，以及换流器的交换侧与直流输出侧各个接地端子间短路设备故障问题、换流器的载流元件及接地端子间对地短接等。

（3）换流阀自然本体及系统的设备故障问题。

（4）由区内、区外设备故障或不正常工作状态所引起的换流器过电压水平、过电流。

根据不同的故障使用了不同的原理，具体包括差动保护组、谐波电流传动保护组、触发保护组、电流保护组、电流保护组、换流阀及本体保护组等。一种保护类型一般可以保护多种故障，针对一种故障的保护也可以由多种保护类型来完成[2]。

3.2 直流母线区的保护

直流母线区由高压直流母线与中性母线组成，是换流器与直流线路、换流器与接地极以及导线之间的重要衔接部分。直流母线区的主要故障种类包括：高压直流母线区对地的短路、高压直流母线对中性直流母线短路、中性直流母线对地短路等。在发生故障后，由于故障通道的引入，直流系统的等效电路以及相关电气量的变化规律与正常运行时有很大差异。如不及时采取有效措施，有可能造成相关设备的损坏，并导致事故的进一步扩大。对直流母线区的各种类型进行分析，明确各种故障的机理以及故障特征，并在此基础上进行合理的保护、配置和参数整定，是直流输电系统安全、平稳运行的重要保障。常见的直流母线区保护措施包括以下3 种。

（1）高压直流母线的差动机构保护措施，主要用于保证高压直流母线对地和对中性直流母线的短路故障。

（2）中性直流母线差动保护器，用于防护中性直流母线的对地短路故障。

（3）直流后备差动保护，同时对直流母线区的故障和换流器区接地故障进行保护，一般作为两个区域接地故障的总后备保护。

3.3 直流输电线路的保护

直流输电线路也是整个直流输电体系功率传递的主要路径。由于直流系统输电线路距离较远，所跨区域的地形、天气环境等复杂多变，因此出现故障问题的概率也较大。据实际运营情况统计表明，直流系统输电线路故障问题数量大约占全部直流输出系统故障总数的50%以上，是整个直流输出体系中最主要的故障问题类别。而直流系统输电线路在实际运营的过程中，可能出现的故障问题主要有极线开路（断线）、极对地短路问题、极线间短路问题等。若直流输出线路跨越交流线路，还可能发生交直流导线接触碰线的故障问题。直流输电线路防护体系主要有行波防护、微分欠压防护（低电压防护）、直流运输线路纵差防护和直流输出运输线路横差防护等。直流输出运输线路行波防护作为直流输电线路的主要保护措施，对直流输出运输线路上的故障问题产生了最迅速反应；而微分欠压防护则是行波防护的主要后备保护措施，在行波防护推出并运行时，将微分欠压防护作为直流输电线路的主要保护措施投入工作；直流输出运输线路纵差防护则作为行波防护和微分欠压防护的后备保护措施而设置，主要用来检查出现在输电缆保护路上的高阻或接地故障，在行波防护和微分欠压防护拒动时，纵差防护动作可以有效消除该线故障问题，避免故障范围扩大。

3.4 接地极线路区的保护

接地极线路主要作用是：①直流提供回路通道。②直流系统提供参考电位。接地极线路区与直流母线区以及电流互感器为界，主要设备包括接地极、接地极引线、接地极母线、站内接地网及单极金属回线运行方式下的金属回线，以及各种连接开关等。主要的故障种类分为接地极母线区故障、接地极引线短路电流故障、金属回线短接故障、以及接地极线区内的过电压问题等，在接地极线区内维护方式主要分为接地极母线差流维护、接地极输出电压不均衡维护、接地极过电压维护、站内接地网过电压维护、接地系统维护、金属回线纵线差保护、金属回线接地保护、接地阻抗监视等。

3.5 换流变压器的保护

换流变压器是直流输电项目工程中的重要核心部件，连接于交流母线与换流器之间，为换流器的正常工作提供交流电源，与换流器合作实现电能由交流到直流的转换。我国现有的高压直流输电系统中采用的换流变压器属大型电力变压器，一般为单相三绕组或者单相双绕组的自耦变压器结构。主要故障问题有以下6 种。

（1）换流变压器内绕组匝与层之间的短路保护故障问题。

（2）换流变压器内绕组温度接地保护故障问题。

（3）换流变压器外网侧的接地保护短路问题。

（4）换流变压器阀侧的交流连线相接故障问题。

（5）换流变压器引线相接故障问题。

（6）换流变压器引线相间故障问题。

3.6 交、直流滤波器的保护

换流器在进行交、直流变换的同时会在直流侧和交流侧产生大量谐波，既包括理想条件下由换流器固有属性引起的特征谐波，也包括非理想条件下由滤波器参数不对称、换流变压器饱和等因素产生的非特征谐波。这种谐波信号，不仅会对整个电力系统的设备安全和网络系统平稳进行造成危害，还可能对周围的通信网络系统造成严重影响。高压直流电力输送控制系统中，一般采用安装在交换配电母线上的交换过滤器，和安装在直流电压配电母线上的直流滤波器，用来控制流入交、直流电压控制系统中的谐波频率电流，将其控制在允许范围之内。由电阻、电容、电感器件组成的传统无滤波器是目前直流输电系统主要采用的交流滤波器形式，极少数的直流输电系统也部分采用了有源滤波器。滤波器一旦发生故障，如不及时进行故障隔离，不但会威胁到组成器件本身的安全，甚至还可能进一步造成故障扩大，引发直流系统的故障停运。因此，必须设计可靠、快速、灵敏且有选择性的交、直流滤波器保护，以保证设备和系统的安全稳定运行。直流滤波器故障会造成电容元件损坏、系统短路故障。交流滤波器发生故障后，若不及时进行故障清除或隔离，除了会造成滤波器组成器件及换流站其他一次设备的损坏，造成直流系统不必要的停运。

3.7 高速开关的保护

直流高速开关的作用是将直流电流快速地从一个电流通路转换到另一个通路，以实现直流系统运行方式的转换，隔离故障电路，保护相关设备的安全，保证系统健全部分继续运行。在高压直流系统中，最常见的高速直流系统控制开关主要有高速中性母线保护控制开关、高速接地保护控制开关、金属回路切换控制开关、金属回流控制开关等4 种型。其中，高速中性母线保护开关设置在直流中性母线保护的靠近接地保护线路一侧，用于将停运极的中性直流母线与运行极相隔离，以保证正常运行极能够继续稳定运行。一方面方便故障极的故障排除，另一方面尽量减少故障极对非故障极的干扰。金属回路开关又叫大地回路转换开关，设在极一和极二之间的公共中性线上，用于把电压由单极金属线电路转移至单极大地电路。金属回路转换开关置于极一和极二之间的公共接地极母线上，用于将电流由单极大地电路转移至单极的金属线电路。高速接地开关安装于极一、极二的公共接地极母线和站内接地网之间。针对高压直流一次电流没有自然过零点的特点，直流高速开关通过在传统交流断路器上加装辅助回路，产生谐振过零时电流，使电压过零时才能有效灭弧。直流系统中常用的直流高速开关有带无源辅助回路和带有源辅助回路两种类型[3]。