直流系統(tǒng)保護(hù)策略

直流系統(tǒng)保護(hù)策略

直接設(shè)計和保護(hù)區(qū)系統(tǒng)是直接供電工程的核心。其性能直接決定了直接相關(guān)項目的運營和直接相關(guān)設(shè)備的安全。在直流系統(tǒng)中,任何一部分發(fā)生故障都會影響整個直流輸電系統(tǒng)運行的安全可靠性。直流保護(hù)用于保護(hù)換流站各直流設(shè)備,在故障或異常工況下快速切除系統(tǒng)中的短路故障或不正常運行設(shè)備,防止其造成損害或干擾系統(tǒng)其他部分的正常工作,保證直流系統(tǒng)的安全運行。直流保護(hù)策略所要考慮的設(shè)備包括換流閥、直流場設(shè)備(包括平波電抗器、極母線、中性母線)、直流線路、接地極引線以及換流變壓器。1閥側(cè)接地故障及保護(hù)直流保護(hù)策略的設(shè)計和配置應(yīng)考慮直流系統(tǒng)在換流閥故障、換流站直流區(qū)域故障以及換流站交流區(qū)域故障下的暫態(tài)性能要求。這些故障主要是各種短路、接地故障以及過電流和過電壓,具體包括:①晶閘管閥故障。包括晶閘管元件、閥阻尼均壓回路、觸發(fā)部件、閥基電子設(shè)備以及閥的冷卻系統(tǒng)等,這一部分的保護(hù)通常就地配置,如可由閥基電子設(shè)備屏、閥冷控制保護(hù)屏提供。②換流橋故障。包括橋臂短路、橋閥短路、閥組過流、換相失敗、閥誤導(dǎo)通和不導(dǎo)通故障。③閥交流側(cè)故障。包括換流變壓器閥側(cè)繞組過電壓、換流變壓器閥側(cè)至閥廳內(nèi)的交流連線的接地或相間短路故障。④閥廳內(nèi)接地故障。包括閥組中點接地故障等。⑤極母線設(shè)備的閃絡(luò)或接地故障。極母線設(shè)備包括平波電抗器、直流濾波器等。⑥極母線直流過電壓、過電流以及持續(xù)的直流欠壓。⑦中性母線開路或接地故障。⑧站內(nèi)接地網(wǎng)過流。⑨直流線路金屬性短路,高阻接地故障或開路故障,交直流碰線故障。⑩金屬回線導(dǎo)體開路或接地故障。11接地極引線開路或?qū)Φ毓收?、接地極引線過負(fù)荷。12直流濾波器過流、過負(fù)荷、失諧,高壓電容器不平衡以及有源部分的故障(如果是有源濾波器)。13與直流系統(tǒng)相連的交流系統(tǒng)故障。包括換流站遠(yuǎn)端交流系統(tǒng)短路故障、換流母線故障、交流系統(tǒng)功率振蕩或次同步振蕩、交流系統(tǒng)持續(xù)的擾動、換流站內(nèi)交流母線電壓的欠壓和過壓等對直流系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動。14直流甩負(fù)荷、直流系統(tǒng)或設(shè)備在動態(tài)過程中發(fā)生故障等對直流系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動。15直流控制系統(tǒng)誤動對直流系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動。16換流變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)接地、相間短路、匝間短路故障。17換流變壓器過勵磁、直流偏磁等。此外,直流系統(tǒng)保護(hù)策略還要根據(jù)系統(tǒng)或設(shè)備情況對換流閥點火系統(tǒng)、晶閘管結(jié)溫、大點火角運行工況等提供必要的監(jiān)測。直流輸電系統(tǒng)發(fā)生的典型故障及其基本特點描述見表1。值得注意的是,在故障發(fā)生伊始,控制系統(tǒng)會迅速做出響應(yīng),對故障的發(fā)展有一定的抑制作用,因此采用不同控制系統(tǒng)時,直流系統(tǒng)的暫態(tài)性能也略有不同,這是直流輸電的特點之一。在進(jìn)行保護(hù)策略研究,特別是仿真時,除交直流系統(tǒng)模型外,應(yīng)當(dāng)采用相應(yīng)的控制系統(tǒng),并且具有合理的、符合工程要求的控制參數(shù)。2配置和操作保護(hù)功能2.1直流系統(tǒng)保護(hù)策略設(shè)計為了提高運行的可靠性,直流保護(hù)的配置原則和策略根據(jù)直流輸電的特點而確定。目前直流保護(hù)的冗余方案有2種:3取2邏輯(3取2方案)和主備通道快速切換(雙通道方案)。對于主備通道快速切換的直流保護(hù),在主通道發(fā)出跳閘命令之前,只要切換延時能夠接受便進(jìn)行一次通道切換。當(dāng)備用通道也同時檢測出故障并出口時,則保護(hù)發(fā)出跳閘命令。3取2方案為3個通道中至少2個通道檢測出故障就發(fā)跳閘命令。換流變壓器保護(hù)采用雙重化配置原則,任意一重保護(hù)檢測到故障時發(fā)跳閘命令。此外,為提高安全性,每個系統(tǒng)均有各自的自檢系統(tǒng)。當(dāng)檢測到控制保護(hù)硬件故障時,如果備用通道完好將要求通道切換。3取2方案則閉鎖該保護(hù)系統(tǒng)出口,其余系統(tǒng)按照“或”邏輯出口。直流系統(tǒng)保護(hù)策略的設(shè)計應(yīng)滿足下列要求:①能檢測到設(shè)備的故障和異常情況,并從系統(tǒng)中切除影響運行的故障設(shè)備。②保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)至少雙重化配置。③故障換流器對健全換流器的影響應(yīng)達(dá)到最小。④各保護(hù)區(qū)應(yīng)有重疊。通常每套保護(hù)均有一套后備保護(hù)。主保護(hù)速度快但保護(hù)區(qū)小,后備保護(hù)速度較慢、靈敏度較低,但保護(hù)區(qū)大一些。如有可能,后備保護(hù)應(yīng)盡可能使用不同的測量原理。⑤保護(hù)動作應(yīng)盡量避免雙極停運。⑥通道1和通道2保護(hù)的電源應(yīng)為獨立電源。⑦斷路器跳閘回路使用雙回路。⑧保護(hù)配置應(yīng)滿足保護(hù)試驗和維護(hù)時不影響換流器運行的原則。雙極保護(hù)配置的原則是在任何情況下避免不必要的雙極停運。雙極保護(hù)主要檢測下述故障:①影響雙極的交流系統(tǒng)故障;②與雙極設(shè)備有關(guān)的公共設(shè)備故障,如雙極中性母線故障、站接地故障、金屬回線設(shè)備故障、接地極引線故障和轉(zhuǎn)換開關(guān)故障等;③由單極故障引起的雙極故障,一個換流器故障時引起另一換流器保護(hù)動作。根據(jù)以上原則,極設(shè)備的保護(hù)應(yīng)當(dāng)按極獨立設(shè)置,并配置獨立的測量設(shè)備;雙極的公用設(shè)備采用雙極保護(hù),每一個極均有一套采用獨立測量回路的雙極保護(hù);每個極的極保護(hù)和雙極保護(hù)均不允許跳開另一極;雙極故障時,單個保護(hù)動作不應(yīng)導(dǎo)致雙極停運。只有在雙極臨時接地方式運行時,任何一個極發(fā)生故障都應(yīng)停運雙極,這樣做是為了避免故障電流流入站接地網(wǎng)。2.2換流閥、極保護(hù)、雙極保護(hù)三常高壓直流輸電工程中,直流保護(hù)配置的功能包括換流閥保護(hù)、極保護(hù)、雙極保護(hù)以及換流變壓器保護(hù)。直流保護(hù)功能按照四個部分配置,四個部分的第一套保護(hù)配置控制保護(hù)主機(jī)1,第二套保護(hù)配置在主機(jī)2中。2.2.1火炬監(jiān)測結(jié)果第1套保護(hù)配置包括閥短路保護(hù)、換相失敗預(yù)測、換相失敗保護(hù)、電壓應(yīng)力保護(hù)、點火不正常保護(hù)、晶閘管閥監(jiān)視、直流過流保護(hù)、大角度監(jiān)視。第2套包括閥短路保護(hù)、換相失敗保護(hù)、直流過電壓保護(hù)、后備的直流過流保護(hù)、閥直流差動保護(hù)。2.2.2直流線路保護(hù)極保護(hù)包括高壓極母線、中性母線、直流濾波器、平波電抗器以及直流線路保護(hù)。第1套保護(hù)配置包括直流極母線差動保護(hù)、直流極差動保護(hù)、接地極引線開路保護(hù)、直流濾波器電容器不平衡保護(hù)、直流濾波器差動保護(hù)、直流線路保護(hù)、中性母線開關(guān)保護(hù)、直流線路縱差保護(hù)、開路線路試驗監(jiān)視、直流濾波器失諧監(jiān)視以及平波電抗器本體保護(hù)。第2套包括直流諧波保護(hù)、直流中性母線差動保護(hù)、接地極引線開路保護(hù)、直流濾波器過負(fù)荷保護(hù)、直流欠壓保護(hù)、潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)、后備中性母線開關(guān)保護(hù)。2.2.3過負(fù)荷保護(hù)情況雙極保護(hù)包括雙極中性母線和接地極引線保護(hù)。第1套保護(hù)配置包括雙極中性母線差動保護(hù)、轉(zhuǎn)換開關(guān)保護(hù)(NBGS、GRTS、MRTB)、金屬回線縱差保護(hù)、接地極引線過負(fù)荷保護(hù)。第2套包括站接地過流保護(hù)、后備轉(zhuǎn)換開關(guān)保護(hù)(NBGS、GRTS、MRTB)、金屬回線橫差保護(hù)、金屬回線接地故障保護(hù)、接地極引線不平衡監(jiān)視。2.2.4換流變壓器保護(hù)主要參數(shù)換流引線和換流變壓器保護(hù)包括換流引線差動保護(hù)、換流引線和換流變壓器過流保護(hù)、換流引線和換流變壓器差動保護(hù)、換流變壓器差動保護(hù)、換流變壓器過流保護(hù)、換流變壓器熱過負(fù)荷保護(hù)、換流變壓器繞組差動保護(hù)、換流引線過壓保護(hù)、換流變壓器中性點偏移保護(hù)、換流變壓器零序電流保護(hù)、換流變壓器過勵磁保護(hù)、換流變壓器直流偏磁保護(hù)、換流變壓器零差保護(hù),單斷路器保護(hù)以及換流變壓器本體保護(hù)。上述配置的基本原則是每極的保護(hù)采用雙重冗余系統(tǒng)。在每重系統(tǒng)(或稱通道)中,對同類故障盡量采用不同原理的2種保護(hù)分置于不同主機(jī);對于重要的故障且不能采用不同原理的2種保護(hù)時,在不同主機(jī)中使用同原理的2套保護(hù)。2.3冗余控制系統(tǒng)切換保護(hù)動作直流保護(hù)動作的執(zhí)行與直流控制有著密切的關(guān)聯(lián),在很多情況下會首先啟動控制功能,達(dá)到保護(hù)設(shè)備和保證直流安全運行的目的。如通過控制系統(tǒng)切換清除控制系統(tǒng)本身的故障(如測量故障引起的過電壓,控制系統(tǒng)故障引起的脈沖丟失等),通過功率回降避免設(shè)備過負(fù)荷,通過調(diào)節(jié)分接頭防止控制系統(tǒng)失效引起設(shè)備過應(yīng)力,通過極間的電流平衡防止接地網(wǎng)過流,通過再起動邏輯使故障線路充分去游離,重新正常運行等。不同程度的故障下,保護(hù)動作的執(zhí)行方式有所不同。對于嚴(yán)重的、并需要快速閉鎖脈沖或無法正確選擇旁通對的故障,應(yīng)立即閉鎖點火脈沖,斷開交流斷路器(如整流側(cè)橋臂短路或丟失脈沖故障);對于較為嚴(yán)重的故障,應(yīng)立即移相,以抑制故障電流的發(fā)展,之后閉鎖換流器,跳閘,這類故障包括連續(xù)的換相失敗、直流側(cè)接地故障以及其他原因引起的直流過流等;對于輕微故障(例如單次換相失敗、直流諧波略高以及可控硅元件損壞,數(shù)量沒有超過冗余值),系統(tǒng)只給出報警。此外,保護(hù)策略還根據(jù)故障的發(fā)展程度采用相應(yīng)的措施,如逆變側(cè)發(fā)生換相失敗,保護(hù)一旦檢測到故障,先發(fā)出冗余控制系統(tǒng)切換,如果換相失敗是由于控制系統(tǒng)故障引起的,則在系統(tǒng)切換后故障消失。對于直流線路接地故障,直流系統(tǒng)首先會移相去游離,如果故障是臨時的,則直流線路可以再起動成功,重新恢復(fù)送電,如果是永久故障,則閉鎖換流器,跳閘,故障極停運。三常直流輸電工程中用于清除直流故障和直流斷路器/開關(guān)故障可能的保護(hù)執(zhí)行動作包括:(1)冗余控制系統(tǒng)切換。一重控制保護(hù)系統(tǒng)(或稱主通道)工作,另一通道處在熱備用狀態(tài),當(dāng)檢測到工作通道故障時,將自動切換到備用通道,此時備用通道則作為工作通道,原故障通道轉(zhuǎn)為非備用通道,即必須手動操作才能將其轉(zhuǎn)為熱備用。運行過程中,熱備用狀態(tài)的控制保護(hù)系統(tǒng)將受到連續(xù)的監(jiān)視。一旦熱備用通道檢測到故障,則解除熱備用狀態(tài),以免在主通道檢測到故障時而自動切換到已經(jīng)故障的通道上。(2)移相和換流器閉鎖。發(fā)出移相指令后,系統(tǒng)延遲發(fā)出下一個控制脈沖。整流側(cè)的點火角增加,直到運行至逆變狀態(tài)。整流側(cè)電壓極性改變,從而熄滅直流電流。閉鎖換流閥的控制脈沖,在電流過零點,換流閥停止導(dǎo)通。如換流器閉鎖后,需要給直流回路提供一個電流通路,則采用旁通對。旁通對是6脈動橋中與交流系統(tǒng)同一相相聯(lián)且同時觸發(fā)的2個閥。旁通對通常在檢測到永久接地故障時投入。三常直流輸電工程采用的換流器閉鎖方式包括X、Y和Z3種形式。X閉鎖為整流側(cè)不帶旁通對閉鎖,逆變側(cè)在交流開關(guān)跳閘后閉鎖,并投旁通對;Z閉鎖指帶旁通對閉鎖;Y閉鎖有整流側(cè)閉鎖不投旁通對,而逆變側(cè)閉鎖投旁通對的條件限制。換流器閉鎖指令和發(fā)送至換流器閉鎖順序的信號通道都是冗余的。(3)移相去游離。整流器在移相后,換流器的觸發(fā)角一直在最大值運行。在發(fā)出恢復(fù)整流狀態(tài)指令后,換流器點火角逐漸減小,并最終達(dá)到正常運行值。此項保護(hù)動作順序用在清除線路干擾的情況,再起動的次數(shù)由運行人員預(yù)先設(shè)置。(4)交流斷路器跳閘。切斷交流電源,以免故障電流流到閥上和閥承受過電壓。任何跳閘命令都給兩個不同電源供電的跳閘回路的跳閘繞組勵磁。換流器極的嚴(yán)重故障均需采用這一措施。(5)起動斷路器失靈保護(hù)。和跳閘指令同時發(fā)出,如果斷路器拒動,斷路器失靈保護(hù)將跳下一個斷路器。(6)交流斷路器鎖定繼電器。和跳閘指令同時發(fā)送給交流斷路器,防止斷路器在運行人員檢查故障前閉合。鎖定繼電器需要運行人員手動復(fù)歸。(7)減功率。通常在換流閥或接地極引線過負(fù)荷時采用。其目的是盡快把輸送功率降低到設(shè)置的水平,以保持輸電系統(tǒng)的運行。(8)極線隔離。將直流母線與直流線路斷開,將中性母線與接地極引線斷開。用于正常的手動停運或需要切斷極線的保護(hù)動作。(9)極電流平衡。在正常運行時雙極電流是平衡的。但在一些運行人員控制的運行方式下,接地極可能會出現(xiàn)較大的電流。此時可采用手動方式或通過保護(hù)達(dá)到電流平衡。電流平衡命令與減功率性質(zhì)相同。功率命令由兩個極中電流較小的一極確定。該命令在雙極運行方式下檢測到接地極電流過高時發(fā)出。(10)轉(zhuǎn)換開關(guān)重合閘。當(dāng)中性母線開關(guān)不能把電流切換到接地極引線時,為了保護(hù)極設(shè)備和站接地網(wǎng),中性母線開關(guān)失靈保護(hù)等將起動轉(zhuǎn)換開關(guān)的重合程序。(11)中性母線接地開關(guān)合閘。為了減少中性母線上的過電壓,接地極引線開路保護(hù)將起動中性母線接地開關(guān)的合閘程序。3交直流差動原理按照上述分析,不同故障具有不同的特點。通過檢測電壓/電流,三常直流輸電工程直流保護(hù)根據(jù)各種故障特征,采用相應(yīng)的保護(hù)原理。如換流閥保護(hù)(閥短路保護(hù)、換相失敗保護(hù))基于交直流差動原理;閥直流差動保護(hù)、極母線差動保護(hù)、中性母線差動保護(hù)、金屬回線橫差/縱差保護(hù)和換流變壓器差動保護(hù)等采用差動電流的原理;后備過流保護(hù)、換流變壓器過流保護(hù)等基于過流原理;電壓應(yīng)力保護(hù)、直流過壓保護(hù)、接地極引線開路保護(hù)等基于過壓、過應(yīng)力原理;直流過流保護(hù)、大角度運行監(jiān)視以及過負(fù)荷保護(hù)等建模計算相應(yīng)元件/設(shè)備的過負(fù)荷情況。此外還有一些保護(hù)的工作原理基于其實現(xiàn)的電路或邏輯,如點火不正常保護(hù)和潮流反轉(zhuǎn)保護(hù)等。以直流線路保護(hù)為例分析三常直流輸電工程直流線路保護(hù)配置、工作原理及保護(hù)之間的配合關(guān)系。3.1直流線路保護(hù)直流線路故障發(fā)生時,由于線路電容放電,短路點的故障電流會陡然升高,出現(xiàn)過沖。初始故障電流與線路波阻抗有關(guān),比穩(wěn)態(tài)電流值大很多。直流電流過沖的大小與平抗、電流調(diào)節(jié)器增益和時間常數(shù)、故障點距離、直流電壓和故障發(fā)生的時刻都有關(guān)系。定電流調(diào)節(jié)器的作用會將穩(wěn)態(tài)短路電流限制在一個較小的數(shù)值。直流線路故障一般通過電流的暫態(tài)分量和電壓變化量進(jìn)行檢測。經(jīng)典的直流線路保護(hù)是以電壓導(dǎo)數(shù)法為主保護(hù)、線路縱差保護(hù)、直流欠壓保護(hù)作為后備保護(hù);目前,許多工程的主保護(hù)也采用行波保護(hù),但各自的算法均不相同。三常直流輸電工程直流線路保護(hù)按照2套主保護(hù)(行波法和電壓導(dǎo)數(shù)法)進(jìn)行配置。行波法是直流線路故障的主保護(hù)之一。利用反行波計算公式b(t)=Z·i(t)-u(t)分別得到利用極母線電流計算得到的行波值和利用接地極引線電流計算得到的行波值。檢測波前之前采樣點和一定數(shù)量的采樣之后的樣點之間的差值,如果大于整定的閾值,保護(hù)動作。對于行波保護(hù),由于受到直流系統(tǒng)性能和參數(shù)的影響大,其算法和判據(jù)比較復(fù)雜,需要根據(jù)不同的系統(tǒng)工況和系統(tǒng)條件進(jìn)行詳細(xì)的校核和修正。電壓導(dǎo)數(shù)和電壓水平法也是直流線路故障的主保護(hù)之一?；诘脑硎侵绷鞴收舷轮绷麟妷涸诤芏痰臅r間內(nèi)下降到很低的水平。此保護(hù)可以在2～3ms內(nèi)檢測到故障,檢測部分由電壓導(dǎo)數(shù)部分、低電壓水平部分和電流差值部分共同決定電壓導(dǎo)數(shù)保護(hù)出口。如果直流線路通過阻抗短路,電壓變化率很低,導(dǎo)數(shù)部分可能不動作,可以通過電壓水平部分檢出。直流線路縱差保護(hù)測量并比較兩端換流站的線路電流,同時補(bǔ)償對站電流的采樣時延。保護(hù)基于差動原理,延時400ms。直流遠(yuǎn)動通信故障時該保護(hù)閉鎖,以防止保護(hù)誤動。直流欠壓保護(hù)作為直流線路保護(hù)的后備保護(hù)。通過測量直流電壓、直流電流和點火角檢測直流線路欠電壓。保護(hù)動作閾值250kV,延時4s。3.2電流變化率過大時二次故障di/dt直流線路保護(hù)策略應(yīng)考慮:①直流線路保護(hù)只在整流側(cè)有效。②為了區(qū)分站內(nèi)故障和直流線路故障,可以測量直流電流的時間變化率dI/dt。正的dI/dt(正向電流增加)表明故障點在IDL測量互感器線路側(cè);負(fù)的dI/dt值表明故障點在直流場內(nèi)。③應(yīng)考慮防止保護(hù)在下述情況下誤動:整流、逆變側(cè)發(fā)生交流故障;極起/停;逆變側(cè)換相失敗。④通信異常時,電壓水平部分將延時820ms動作,以與交流系統(tǒng)后備保護(hù)時間進(jìn)行配合。3.3線路再擊穿裝置費csa直流線路保護(hù)出口信號會起動再起動邏輯。再起動邏輯起動后,向控制系統(tǒng)發(fā)出移相去游離命令,系統(tǒng)將移相到164°,并保持一段時間,這段時間是系統(tǒng)的去游離時間(大約200～500ms),使閃絡(luò)故障經(jīng)過充分去游離,線路絕緣性能恢復(fù)到能夠承受正常電壓。移相去游離命令之后立即形成再起動命令,將角度拉到60°左右,進(jìn)行線路再起動,這種狀態(tài)維持一個較短的時間(4ms),防止線路開路引起峰值整流過電壓。如果再起動成功,恢復(fù)正常送電;如果不成功,可以進(jìn)行多次再起動,甚至降壓再起動,試圖將直流電壓降低水平運行,這也是直流輸電的優(yōu)勢之一。三常直流輸電工程全壓再起動次數(shù)為3次(去游離時間分別為150、200ms和300ms)、降壓再起動次數(shù)為1次。如果線路上發(fā)生了永久故障,保護(hù)跳閘。4實時互通及rtds的應(yīng)用直流保護(hù)直接涉及到交、直流系統(tǒng)的故障暫態(tài)性能,各保護(hù)的原理及其與全系統(tǒng)參數(shù)、直流控制的配合是進(jìn)行保護(hù)策略設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵。直流控制保護(hù)系統(tǒng)功能性能的研究和測試手段包括EMTDC和RTDS等。直流系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真程序EMTDC和實時系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真設(shè)備RTDS均基于數(shù)學(xué)模型對實際系統(tǒng)進(jìn)行模擬。EMTDC是離線的系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真分析工具。利用EMTDC可以方便快捷地研究直流故障特性以及保護(hù)在各種工況下的特性,在確定保護(hù)定值工作方面(特別是規(guī)模復(fù)雜,工況繁多的系統(tǒng))效率很高。EMTDC采用串行計算進(jìn)行系統(tǒng)仿真,雖然計算速度不能滿足實時要求,但這對于系統(tǒng)研究無關(guān)緊要。而其所模擬的系統(tǒng)規(guī)?；緵]有限制,這與實時仿真系統(tǒng)相比具有無比優(yōu)越性。RTDS是電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng),它利用多個高速數(shù)字處理器并行計算從而達(dá)到實時仿真的目的,能為電力系統(tǒng)提供實時的、安全的環(huán)境仿真現(xiàn)實中可能的故障,而不損壞設(shè)備,是測試控制保護(hù)方案的理想工具。利用RTDS對外部控制