背靠背直流输电故障闭锁后过电压分析和优化

刘 乔 王俊生

背靠背直流输电故障闭锁后过电压分析和优化

刘 乔 王俊生

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

背靠背直流输电系统某些靠近接地点端发生直流母线接地故障时，系统闭锁后会出现过电压现象。本文分析其原因为故障点与接地点形成短路回路，引起阀短路保护先于极区接地保护动作。此类故障情况下，阀短路保护动作后执行立刻闭锁，在闭锁过程中造成直流系统过电压；而单独的直流母线接地故障执行正常闭锁，或者单独的阀短路故障执行立刻闭锁，均不会出现闭锁后的过电压现象。本文引入接地点电流作为辅助判据，提出两种优化方法。当发生相同的靠近接地点端直流母线接地故障时，控制系统有选择性地执行不同闭锁方式，可有效避免闭锁后出现直流系统过电压，有利于电力系统故障的可靠隔离，降低系统一次设备运行风险。

背靠背；直流输电；接地故障；过电压；闭锁

0 引言

背靠背直流输电系统是输电线路长度为零的直流输电系统。这种类型的输电系统主要用于两个非同步（不同频率或相同频率但非同步）运行的交流电力系统之间的联网或送电，也称为非同步联络站。背靠背直流输电系统的整流站设备和逆变站设备通常安装在一个换流站内，称为背靠背换流站。在背靠背换流站内，整流器和逆变器的直流侧通过平波电抗器相连，构成直流侧的闭环回路；其交流侧分别与电网的连接点相连，从而形成两个电力系统的非同步联网[1-4]。另外，换流站内的接地点一般配置在受端6脉动换流器桥中点，当某些直流母线靠近接地点端发生接地故障时，系统反送时故障点会与受端换流器桥中点接地点形成短路回路，现有的隔离这类故障采取的闭锁策略会导致系统出现过电压现象[5-9]。

本文针对背靠背直流输电系统靠近接地点端发生直流母线接地故障后的闭锁过程中容易出现直流系统过电压的现象，提出一种引入接地点电流作为闭锁时序辅助判据的新思路，以解决上述过电压问题[10-15]。

1 故障特征分析

某背靠背直流输电工程开展厂内系统仿真试验，分别进行功率1.0p.u.工况正送和反送直流母线接地故障试验，背靠背直流输电主接线及故障点示意图如图1所示，试验发现反送时F2和F4故障点会出现闭锁后过电压现象。

反送接地故障点F2试验波形如图2所示。由图2（a）可见，直流母线2电压d2在约0.41s后快速到-200kV左右（测量饱和，实际电压数值更高），且长时间保持过电压值，导致系统承受长时间的过电压；由图2（g）和图2（h）可以看出，在约0.41s时刻先执行了X闭锁再执行Y闭锁；由图2（c）和图2（d）可以看出，阀星侧电流远大于直流电流，阀短路保护动作；由图2（b）可以看出，站内接地电流接近10 000A，极区的接地保护动作；由于先执行X闭锁，图2（f）中约0.405s时刻，阀星、角侧6脉动触发脉冲信号变为0。

图1 背靠背直流输电主接线及故障点示意图

背靠背直流控制保护系统故障处理与常规高压直流系统一样，阀短路保护的闭锁方式为立刻闭锁（X闭锁），极区接地保护的闭锁方式为正常闭锁（Y闭锁）。

反送接地故障点F1试验波形如图3所示。由图3（a）可见，闭锁后直流母线2没有出现过电压；从图3（c）、图3（d）和图3（f）可以看出，本次试验阀短路保护未动作；从图3（b）和图3（g）可以看出，极区的接地保护动作执行了Y闭锁。

根据以上两次试验的结果进行分析，过电压问题应与闭锁方式的不同有关。为了明确闭锁后过电压现象与阀短路保护动作及产生X闭锁是否有直接关系，观察反送功率1.0p.u.工况图1中阀臂短路故障点F5和6脉动桥短路故障点F6。阀臂短路故障与6脉动桥短路故障均引起阀短路保护动作，并执行X闭锁，另外伴随直流过电流保护动作执行Y闭锁。

反送6脉动桥短路故障点F6试验波形如图4所示。由图4（a）可见，在闭锁后直流母线2电压d2降至约-100kV，未出现过电压现象（额定电压±100kV）。

综上所述，单独的X闭锁或单独的接地点电流激增均没有出现系统闭锁后的直流过电压现象，出现过电压现象的工况是同时产生X闭锁和接地点电流激增。

除上述试验故障点外，再分析另外几种工况和故障位置的闭锁后直流过电压情况。

图1中直流受端6脉动桥中点接地，该接地点的存在是造成该类型背靠背工程与常规高压直流故障特征不同的关键。由于上、下半桥对称，从故障点F1～F4中选择F1和F2展开分析。

正送F1和F2接地故障电流回路示意图如图5所示。图5中，实线为F1点故障电流回路，可以看出流过VY_S1、VD_S1、d2、VD_S2及dGND测点的故障电流大致相等，d1、VY_S2测点不流过故障电流；虚线为F2点故障电流回路，可以看出流过VY_S1、VD_S1、d1、d2、VD_S2及dGND测点的故障电流大致相等，VY_S2测点不流过故障电流。S1端Y桥阀短路保护采用的差流VY_S1-max(d1,d2)在F1和F2故障下均为零，阀短路保护均不动作。

图5 正送F1和F2接地故障电流回路示意图

反送F1和F2接地故障电流回路示意图如图6所示。图6中，实线为F1点故障电流回路，可以看出流过VY_S2、d1及dGND测点的故障电流大致相等，VD_S2、VY_S1、VD_S1及d2测点不流过故障电流；虚线为F2点故障电流回路，可以看出流过VY_S2和dGND测点的故障电流大致相等，VD_S2、VY_S1、VD_S1、d1及d2测点不流过故障电流。S2端Y桥阀短路保护采用的差流VY_S2-max(d1,d2)在F1点故障下为零，阀短路保护不动作；但是在F2点故障下，差流很大，阀短路保护动作。

图6 反送F1和F2接地故障电流回路示意图

以上4种故障回路中，前3种故障回路阀侧电流与直流电流最大值大致相等，不会出现阀短路保护差流，保护最终通过接地点电流超过动作定值触发极区接地保护动作，执行Y闭锁，两母线电压均不产生闭锁后的过电压；图6中反送F2故障回路4阀侧电流激增，直流侧电流为0，形成类似故障点F6的6脉动桥短路故障回路，但比其多经过一个站内接地点电流互感器（current transformer, CT），并伴随接地电流激增的特点，触发阀短路保护和极区接地保护相继动作。因此，X闭锁和接地点电流激增同时出现是导致闭锁后直流母线电压反向并持续过电压的原因。

2 保护动作改进策略

通过第1节分析发现，闭锁后出现过电压问题是X闭锁和接地点电流激增双重原因所致，本文据此提出如下两种直流保护动作改进策略。

策略1：在阀短路保护算法中修改原阀短路判据，增加dGND辅助判据，选择性地输出阀短路X闭锁动作信号或阀短路Y闭锁动作信号，在PAM跳闸矩阵中分别选择执行X闭锁或Y闭锁，辅助判据逻辑示意图如图7所示；原阀短路保护动作仅输出一种动作信号。

图7 辅助判据逻辑示意图一

策略2：在控制执行动作策略时修改X闭锁逻辑，增加dGND辅助判据，选择性地输出X闭锁指令或Y闭锁指令，辅助判据逻辑示意图如图8所示。推荐在PAM跳闸矩阵后分别执行X闭锁或Y闭锁。

图8 辅助判据逻辑示意图二

策略1的优点是仅对阀短路保护进行优化，不会影响其他保护；缺点是改变了常规的阀短路保护判据，不利于保护标准化的执行。

策略2的优点是无需修改保护逻辑，缺点是所有动作结果为X闭锁的保护都会受到优化方法的影响。目前，背靠背直流输电工程中采用X闭锁的仅有阀短路保护、单桥换相失败保护和过电压保护，试验结果表明单独的阀短路故障、单桥换相失败及过电压故障不会产生大的接地电流，即不会存在X闭锁与接地电流激增同时出现的情况，因而增加dGND辅助判据，最终会选择“否”支路，与没有进行优化前闭锁策略的执行结果等效。

定值set的选择：反送0.1p.u.小功率情况下发生图1中F2和F4点接地故障时，无本文优化方法的仿真结果显示，阀短路保护动作但没有出现闭锁后的过电压现象。因此，set可以选择大于0.1p.u.的数值（以仿真结果为准）。

3 仿真验证

为了验证本文所提改进策略的可行性，以土耳其背靠背直流输电工程实际参数为依据，以真实的直流控制保护系统和实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）形成实时闭环仿真系统。控保程序在采用改进策略优化后，工况为反送1.0p.u.运行，在RTDS中触发F2点接地故障，进行试验验证。系统参数见表1，改进策略后反送接地故障点F2试验波形如图9所示。

表1 系统参数

由图9（a）可见，系统直流母线2电压d2在约0.4s后均不超过-100kV，且很快降到0，没有出现闭锁后的过电压。由图9（b）、图9（c）、图9（d）、图9（g）和图9（h）可以看出，本次试验阀短路保护及极区的接地保护均动作，但最终按照改进策略选择执行了Y闭锁。

如图8所示，控制系统收到X闭锁预指令后，判断dGND不小于set（程序设置该定值为0.5p.u.= 1 500A），在图9（b）中站内接地电流接近10 000A，远大于1 500A，选择执行Y闭锁。图9（f）中约0.405s时，阀星、角侧6脉动触发脉冲值继续保持非零值，直至约0.475s时刻阀星、角侧6脉动触发脉冲值才变为0，以上结果也表明没有执行立即闭锁（X闭锁）脉冲策略。

4 结论

本文分析了背靠背直流系统靠近接地点端发生直流母线接地故障的故障特征，提出了背靠背直流输电系统避免闭锁过程产生过电压的优化方法，通过引入接地点电流作为闭锁时序辅助判据改进保护动作策略。当系统反送靠近接地点端发生直流母线接地故障时，阀短路保护动作后选择性地执行Y闭锁，有效避免了直接执行X闭锁引起的直流系统过电压现象，有利于电力系统故障的可靠隔离。另外，该优化方法可根据接地点电流是否小于接地点电流门槛值来识别故障类型，若是则判定故障类型为阀区短路故障，否则判定故障类型为极区接地故障。

本文提出的优化方法不仅适用于背靠背直流输电工程，通过拓展延伸还可以适用于采用伪双极拓扑的双端直流输电工程。例如，目前国网正在建设的江苏扬州—镇江±200kV直流输电工程，其采用类似背靠背直流系统的单12脉动换流器，各换流站的接地点配置在两个6脉动换流器桥中点，在传统背靠背直流输电系统基础上增加直流输电线路，这一类两端直流工程也可采用本文的改进策略。

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Analysis and optimization of overvoltage after fault blocking in back-to-back DC transmission

LIU Qiao WANG Junsheng

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

When a DC bus ground fault occurs near the grounding point in a back-to-back DC transmission system, overvoltage may occur after the system is blocked. This paper analyzes the short-circuit circuit formed between the fault point and the grounding point, which causes the valve short-circuit protection to act before the pole grounding protection. In such a fault situation, the valve short-circuit protection action X block, causing overvoltage in the DC system during the blocking process. But the DC bus ground fault to act Y block, or the valve short-circuit fault to act X block, does not appear the overvoltage phenomenon after blocking. In this paper, the ground current is introduced as an auxiliary criterion, and two optimization methods are proposed. When the same DC bus ground fault occurs near the grounding side, the control system selectively performs different blocking mode. It can effectively avoid the DC system overvoltage after blocking, and is beneficial to the reliable isolation of power system faults and reduce the risk of the system’s primary equipment operation.

back-to-back; DC transmission; ground fault ; overvoltage; blocking

2023-10-18

2023-12-27

刘 乔（1987—），男，湖北省监利市人，硕士，主要从事特高压直流输电控制保护技术方面的研究工作。