基于开关函数的晶闸管整流器差动保护新方法

金恩淑,陈和平,夏国武

(1.东北电力大学电气工程学院,吉林 吉林 132012;2.国网通辽供电公司,内蒙古 通辽 028000)

0 引 言

近年来,高压直流(High Voltage DC,HVDC)输电技术快速发展,和传统交流系统相比有着高可靠性、高效率、低成本和简单性的优点。其中,换流器作为HVDC的交直流转换的枢纽,是直流输电系统的安全稳定运行的必要条件[1]。晶闸管换流器的优点是容量大、控制灵敏、成本低廉和技术成熟,常被用在HVDC直流系统中,其工作状态为多个换流阀按一定的顺序轮流导通,导通回路因故障时刻和故障位置的差异而不同,且故障类型种类繁多。因此,换流器的保护配置也更为重要和复杂[2]。而换流器保护存在着保护范围边界不明确,一种故障可能有多个保护动作等问题,这成为了换流器保护的弊端[3-7]。

目前,在工程实践中,换流器保护的主保护为直流差动保护[8-15],其研究现状主要集中在直流差动保护误动原因的分析以及保护的改进上。文献[8]利用电路解析,回路叠加等方法,将换流器不同类型的故障进行电路分类,对换流器交流侧故障的故障特性进行分析,指出了交流侧故障时保护边界不明确的问题。文献[9]分析了换流站内几种类型的交流侧故障的故障特征以及对直流保护的影响,但未具体说明对换流器直流差动保护的影响。文献[10]针对云广特高压直流系统发生的换相失败现象进行了详细的分析,提出了换相失败发生过程中,会导致高压端和低压端出现差流,直流差动保护会发生误动现象。文献[11]研究了区外故障时直流差动保护的动作情况,并对换流器区域内各个位置的故障进行了详细的分析,但未从原理上解决区外接地故障误动的问题。文献[12]分析了基于电流平衡思想的直流差动保护,提出了其判据的不严格性是导致误动于交流侧区外接地故障的原因。文献[13]对变压器阀侧单相接地故障进行了故障机理分析,并提出了差动保护判定此类型故障存在的问题。文献[14]对直流差动保护的动作特性进行了分析,并提出了辅助判据对其进行改进,但未从根本上解决保护存在的误动问题。文献[15]对柴达木换流站内存在的几处隐患进行分析,提出了增加保护延时和考虑系统运行方式等措施对直流差动保护进行了改进。综上所述,传统的直流差动保护存在着只能动作于换流器的接地故障,不能正确动作相间短路故障,且会误动于交流侧区外接地故障的问题。现有直流差动保护采用的改进方案只局限在优化上面,不能从根本上解决直流差动保护误动的问题。

本文以整流器为研究对象,提出了一种基于开关函数的整流站晶闸管换流器差动保护新方法。首先,分析了基于换流阀导通特性的开关函数模型,建立了交流三相电流和直流电流的平衡关系,以区分换流器的内部和外部故障;然后,利用交流侧电流互感器两侧接地故障时零序电流的差异,明确了换流器保护的交流侧边界。最后,通过PSCAD仿真将该保护和传统直流差动保护进行了比较,结果表明:该保护可有效解决传统直流差动保护拒动于区内相间短路故障及误动于变压器引出线接地故障的问题。

1 高压直流输电系统结构及特点

本文以工程中常见的CIGRE直流输电标准系统为研究对象,其主要结构分为:换流变,直流线路和换流器,如图1所示,系统模型为单极,采用接地回线的运行方式,直流电压等级为500 kV,直流额定电流为2 kA,换流器分为上下两个6脉桥,其换流变分别采用Y/Y接线和Y/△接线,整流站换流变的额定电压为345 kV/213.5 kV,控制方式采用恒电流和恒αmin。

图1 高压直流输电系统图Fig.1 HVDC transmission system diagram

2 换流器的故障类型及传统直流差动保护

2.1 故障类型及其分布

换流器的故障分为交流侧故障和直流侧故障,如图2所示,故障1～6分别表示交流侧故障;故障7、8、9、12、13、14分别表示直流侧故障;idH表示高压直流电流;idN表示中性直流电流;VD1～VD6表示D桥换流器上的六个换流阀,VY1～VY6表示Y桥换流器上的六个换流阀。

图2 换流器故障类型及分布Fig.2 Types and distribution of converter faults

2.2 直流差动保护原理及其存在的问题

换流器正常运行时,对换流器的保护区域应用基尔霍夫电流定律为公式(1),即

idH=idN

(1)

整流器区内发生接地短路故障时,将在直流差动保护区域内出现接地电流支路,idH和idN失去平衡关系,直流侧电流关系为公式(2),即

idN=idH+if

(2)

公式中:if为故障点接地电流。

则直流差动保护的动作方程为

(3)

公式中:Δ为保护门槛值,其整定原则为躲过换流器正常运行时额定直流电流值的0.3倍;实际工程中Δ的取值为

Δ=0.04idH+0.3idnom

(4)

公式中:idnom为额定直流电流,在CIGRE直流输电标准系统中为2 kA。在高压直流输电系统中的动作时间与直流侧的控制特性相互配合[16],一般取为5 ms。

由公式(2),换流器区内发生相间短路故障时,不会出现if,即直流差动保护不能保护相间短路故障。

正常运行时,根据换流阀的单向导通性,可得换流器交流侧电流和直流侧电流的关系:

(5)

公式中:j=a,b,c。

由公式(5),直流差动保护的边界超过了直流侧延伸至交流侧,即会误动于变压器引出线的接地故障。

综上所述,传统换流器直流差动保护的保护原理是利用直流侧高压端电流和中性端电流构成的,只能动作于接地故障[17],其保护区域为直流侧高压端母线和中性端母线上电流互感器之间的电气区域,且交流侧至换流变的二次绕组处,即包括直流侧但超出至交流侧,如图2所示,其中,区外接地故障5、6发生时,保护会误动。

3 换流器差动保护新方法

3.1 基于开关函数模型的保护主判据

由于传统直流差动保护利用的只是直流侧的电流,无法表示晶闸管换流器不同状态时换流器的电气特征。而基于调制原理形成的换流器开关函数模型,可以很好地表示晶闸管换流器的导通与关断状态,被广泛应用于分析换流器两侧的电气量的传递关系,由于其分析过程简洁以及计算精度高等优点,而常被应用在换流器的建模工作中[18-20]。图3为D桥交、直流电流示意图,iDa、iDb、iDc分别为交流侧D桥三相电流瞬时值,直流侧换流阀VD1～VD6依次触发,其开关函数周期都为2π,且相邻换流阀间隔π/3。

图3 D桥交、直流电流示意图Fig.3 Schematic diagram of AC and DC current in D bridge

根据开关函数的调制传输原理,换流器的交流三相电流可由直流电流推导得出,从而得到换流器交流三相电流与直流电流的平衡关系[21-22](非换相过程中)为公式(6),即

(6)

(7)

公式中:Si(i=1,2,3,4,5,6)分别为D桥6脉桥换流阀的相对电流开关函数;i1～i6分别为流经D桥6脉桥换流阀的电流。

对公式(6)左右两边同时取绝对值的和得公式(8),即

(8)

为简化分析,令

(9)

对于晶闸管换流器,换流阀按一定的顺序导通,对于不同的导通顺序组合,对应着不同的线性电路。在系统运行过程中,每个换流阀有两种状态:导通状态和不导通状态。并且,对于整流器来说,同一桥臂的两个阀不可能同时导通[23]。

根据上述导通原则,对于一个6脉桥换流器,共有6种导通状态:①阀V1和阀V6导通;②阀V1和阀V2导通;③阀V3和阀V4导通;④阀V3和阀V2导通;⑤阀V5和阀V4导通;⑥阀V5和阀V6导通。每种导通状态下H=2。

由上述开关函数,且直流侧电流idH的瞬时值均为正值,可以得到D桥晶闸管整流器的开关模式在正常运行期间产生直流和交流三相电流之间的匹配为

(10)

则,D桥晶闸管整流器发生区内故障时的保护判据为公式(11),即

(11)

公式中:K1为可靠系数取1.5;Iset1为保护整定值,其整定原则为:按照躲开直流侧高压端区外接地故障时的最大不平衡电流整定。

由于换流变引出线上没有明显的电气边界,电流互感器两侧发生接地故障时故障特征差异不明显,保护特征量无法对其进行区分,为使保护方案正确动作,下面将引入基于零序电流的保护辅助判据。

3.2 基于零序电流的保护辅助判据

当换流器区内发生接地故障时,如图4中f1所示,电流互感器测得的电流是流经换流变二次绕组最终流入故障接地点的电流,由D桥上的换流变二次侧为角形接线形式,无法为零序电流提供流通的路径。所以,电流互感器测得的D桥三相电流和接近于0,可得公式(12),即

(12)

图4 D桥交流侧接地故障示意图Fig.4 Schematic diagram of ground fault on AC side of D bridge

当换流器区外发生接地故障时,如图4中f2所示,电流互感器测得的电流是阀侧流入故障接地点的电流,因此,三相电流和不再为0,可得

(13)

公式中:K2为可靠系数取1.5;Iset2为保护整定值,其整定原则为:按照躲开换流变压器和换流器交流连接线上的阀侧单相接地故障的最大不平衡电流值整定。

3.3 保护流程图

图5 保护流程图Fig.5 Protection flow chart

Y桥换流器和D桥换流器的保护原理类似,所得结论相同,此处不再赘述。

4 仿真验证

为验证本文所提保护方法的有效性,本文采用图1所示的CIGRE直流输电标准系统参数的PSCAD模型,将本文所提保护方法和传统直流差动保护在不同工况下进行比较。仿真中,设置换流器故障开始时刻为0.5 s。其中,本文所提的保护方法主判据的门槛值Iset1取0.133 kA,辅助判据的门槛值Iset2取0.067 kA。

4.1 换流器区内故障

算例1 D桥交流侧,发生区内AB两相短路故障

传统直流差动保护的动作情况如图6(a),左图为高压直流电流idH,中性直流电流idN,右图为idH和idN间的差流及保护的动作信号。由图6(a)所示,故障发生后,电流idH和idH的波形变化相同,均先增大到1.8 kA后急剧减小到0.3 kA,由于是相间短路故障,差流值很小,接近于0,未超过门槛值,直流差动保护拒动。

图6 D桥交流侧,发生区内AB两相短路故障的电流、差流和动作信号Fig.6 The current,differential current and action signal of the A-B two-phase short-circuit fault in the area on the AC side of the bridge D

本文所提保护方法的动作情况如图6(b),左图为D桥三相交流电流的瞬时值iDa、iDb、iDc,idH,保护差流(KD1)和D桥零序电流(KD2),右图为KD1的动作信号trip1,KD2的动作信号trip2,整个保护的动作信号trip3。由图6(b)所示,故障发生后,iDa和iDb的幅值均在故障发生后的1/8个周期内急剧增大,iDc在故障发生后的1/4个周期内缓慢减小,但幅值和相位不同,因该故障为交流侧不对称性故障,iDa、iDb、iDc有轻微畸变。D桥零序电流小于其门槛值,差流在故障发生后1 ms时达到了0.89 kA,超过其门槛值,判定为换流器区内故障,本文所提保护动作。

算例2 直流侧高压端母线区内接地故障

传统直流差动保护的动作情况如图7(a)所示,左图为idH,idN,右图为idH和idN间的差流及直流差动保护的动作信号。和算例1相间短路故障不同的是,idH在故障发生后没有增大的过程,直接急剧减小到-0.7 kA后又增大,idN的值在故障发生后急剧增大到峰值6 kA后又减小,差流在故障发生后0.25 ms达到了0.92 kA,超过门槛值,直流差动保护动作。

本文所提保护方法的动作情况如图7(b)所示,左图为iDa、iDb、iDc,idH,保护差流(KD1)和D桥零序电流(KD2),右图为KD1的动作信号trip1,KD2的动作信号trip2,整个保护的动作信号trip3。在故障发生后,iDa、iDb、iDc均缓慢增大,但幅值和相位有所不同,D桥零序电流值小于其门槛值,差流在故障发生后1 ms达到2.25 kA,超过门槛值的11倍,判定为换流器区内故障,本文所提保护动作。

由上述分析可知,传统直流差动保护,无法反应相间短路故障,只能反应接地短路故障,本文所提保护对于相间短路故障和接地短路故障均可反应,但对于接地短路故障,动作速度比传统直流差动保护略慢。

4.2 换流器区外故障

交流侧发生D桥区外单相接地故障:

图7 高压母线区内接地故障时电流、差流和动作信号Fig.7 Current,differential current and action signals during ground faults in the high-voltage bus area

图8 D桥区外单相接地故障时电流、差流和动作信号Fig.8 Current,differential current and action signals for single-phase ground faults outside the D-bridge area

传统直流差动保护的动作情况如图8(a)所示,左图为idH,idN,右图为idH和idN间的差流及直流差动保护的动作信号。故障发生后,idH急剧减小到0后又缓慢增大,idN急剧增大后减小又增大,差流和idN变化相同,超过门槛值,直流差动保护1 ms后误动。

本文所提保护方法的动作情况如图8(b)所示,左图为iDa、iDb、iDc,idH,保护差流(KD1)和D桥零序电流(KD2),右图为KD1的动作信号trip1,KD2的动作信号trip2,整个保护的动作信号trip3。故障发生后,iDa、iDb、iDc均缓慢增大,但幅值和相位有所不同,D桥零序电流,差流的波形变化趋势相同,且值均超过门槛值,判定为换流器区外故障,本文所以保护可靠不动作。

由上述分析可知,变压器引出线发生接地故障时,传统直流差动保护会发生误动,而本文所提保护可靠不动作。

5 结 论

本文通过分析晶闸管换流器的导通特性,利用调制理论下的开关函数模型,得出新的换流器差动保护判据,并以零序电流作为辅助判据,提出了一种整流站晶闸管换流器电流差动保护新方法,利用PSCAD进行了仿真验证,结果表明:本文所提保护既解决了换流器保护交流侧电气边界模糊的问题,即在变压器引出线发生接地故障时可靠不动作,又能正确反应换流器内部的所有接地短路故障和相间短路故障,进而保证了换流器的安全可靠运行。