高壓直流輸電系統(tǒng)中的換流器閥短路保護(hù)

高壓直流輸電系統(tǒng)中的換流器閥短路保護(hù)

0高壓直流輸電系統(tǒng)閥短路故障模型中國(guó)面積如此之大。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球能源走廊將不可避免地導(dǎo)致長(zhǎng)期傳輸。相對(duì)于交流輸電,高壓直流輸電系統(tǒng)更適合遠(yuǎn)距離大功率輸電。目前,國(guó)內(nèi)已建成2個(gè)國(guó)際領(lǐng)先的±800kV特高壓直流輸電工程——云廣工程和向上工程,±1000kV特高壓直流輸電工程也已處于論證階段。換流器是直流輸電系統(tǒng)中最重要的元件,其故障形式和機(jī)理與交流系統(tǒng)中的一般元件有很大差別,而其中閥短路是換流器最嚴(yán)重的一種故障。為防止閥短路時(shí)換流閥遭受過(guò)應(yīng)力,高壓直流輸電工程中通常配置了閥短路保護(hù)作為換流器主保護(hù)。換流器交流側(cè)電流大于直流側(cè)電流是閥短路故障的主要特征。閥短路保護(hù)判據(jù)中用到了幾種不同類型的電流互感器,當(dāng)換流變壓器(簡(jiǎn)稱換流變)空載充電或交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)由于電流互感器暫態(tài)特性不一致而引起閥短路保護(hù)誤動(dòng)的現(xiàn)象。另一方面,由于晶閘管閥的單向?qū)ㄌ匦?整流側(cè)和逆變側(cè)在正常運(yùn)行時(shí)的點(diǎn)火角不同,兩側(cè)發(fā)生閥短路故障時(shí)有較大的差異,整流側(cè)閥短路比逆變側(cè)閥短路產(chǎn)生的后果嚴(yán)重得多,同時(shí),控制系統(tǒng)對(duì)兩側(cè)保護(hù)的影響也是不一樣的。因此,對(duì)閥短路保護(hù)不宜沿用傳統(tǒng)交流縱差保護(hù)的整定方法,對(duì)其動(dòng)作特性及其定值整定需作進(jìn)一步分析。本文基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(RTDS)建立了高壓直流輸電系統(tǒng)閥短路故障模型,以考察閥短路保護(hù)在各種情況下的動(dòng)作行為。仿真結(jié)果表明,按傳統(tǒng)方法配置的閥短路保護(hù)在逆變側(cè)閥短路時(shí)有可能拒動(dòng),而在換流變空載充電時(shí)有可能誤動(dòng)。本文提出了閥短路保護(hù)的新的配置方法,可以解決上述可靠性與靈敏性之間的矛盾。1閥短路保護(hù)的電液聯(lián)動(dòng)閥控制板的設(shè)計(jì)現(xiàn)代高壓直流輸電工程(如±500kV工程)通常一個(gè)極的基本運(yùn)行單元采用一個(gè)12脈動(dòng)換流器,如圖1(a)所示。國(guó)內(nèi)±800kV特高壓直流輸電工程采用每極雙12脈動(dòng)換流器串聯(lián)結(jié)構(gòu),使其具有更多運(yùn)行方式的選擇,可以提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和可用率,如圖1(b)所示?！?00kV工程和±500kV工程中閥短路保護(hù)的區(qū)別僅在于保護(hù)配置不同,并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別,故本文以單12脈動(dòng)換流器為例對(duì)閥短路保護(hù)進(jìn)行分析。閥短路保護(hù)的測(cè)點(diǎn)為:高壓極母線電流、中性母線電流、換流變閥星側(cè)三相電流、換流變閥角側(cè)三相電流,分別通過(guò)閥廳內(nèi)光電流互感器、零磁通電流互感器和交流互感器得到。閥短路是換流器閥內(nèi)部或外部絕緣損壞或被短接造成的故障,閥短路保護(hù)的目的是保護(hù)晶閘管換流器免受故障造成的過(guò)應(yīng)力。閥短路保護(hù)的區(qū)內(nèi)故障一般包括閥短路、換流器交流側(cè)相間短路、閥廳直流端出線間短路,如圖2所示的K1(1)~K1(4),K2,K3(1),K3(2)和K4故障,后文會(huì)進(jìn)一步分析到,閥短路保護(hù)動(dòng)作方程的不同,決定了是否能保護(hù)接地故障(K5)。2運(yùn)行故障特征分析2.1最佳故障電流的計(jì)算整流器閥短路時(shí),換流器交流側(cè)交替地發(fā)生兩相短路和三相短路,交流側(cè)電流激增,換流橋直流側(cè)電流下降。閥短路時(shí)的等值電路如圖3所示。整流器閥短路故障的嚴(yán)重性與整流器的觸發(fā)角α、運(yùn)行電流Id以及故障發(fā)生時(shí)刻有關(guān)。整流器處于空載狀態(tài)(Id=0)、α=0、換相結(jié)束后立即發(fā)生閥短路時(shí),將產(chǎn)生最大的故障電流。在額定工況下,一般直流工程的觸發(fā)角α約為15°,換相角μ約為20°,則可得出故障后交替發(fā)生的兩相短路和三相短路的短路電流的幅值Is2和Is3與額定直流電流Id的關(guān)系為:式中:E為交流側(cè)線電壓有效值;Lγ為換相電感?，F(xiàn)以閥V3為例分析故障后流過(guò)閥V3的最大可能電流。由文獻(xiàn)知:考慮到控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用,在實(shí)際的直流工程中,故障后短路電流迅速增大,控制系統(tǒng)將迅速增大α,一般可達(dá)到150°左右。設(shè)α=150°,代入式(3),可得:同理可推得其他閥所可能流過(guò)的最大故障電流大約會(huì)達(dá)到5~10倍Id,下文的RTDS實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)論。2.2直流工程關(guān)斷角的確定逆變側(cè)閥短路后,交流故障電流的大小與觸發(fā)角β有關(guān),設(shè)在ωt=0°觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)發(fā)生故障,可能出現(xiàn)的最大過(guò)電流為:式中:ωt∈[0°,60°]。額定工況下,一般直流工程的關(guān)斷角γ約為17°,α約為150°,β=π-α,則可得到:實(shí)際直流工程中,故障后逆變器的α將從正常運(yùn)行時(shí)的150°左右下降,但為防止電壓極性反轉(zhuǎn),一般會(huì)設(shè)置一個(gè)最小值,例如110°,則β將從正常運(yùn)行時(shí)的30°左右到70°左右動(dòng)態(tài)變化,則由式(5)可得出ikmax的最小值約為Id,最大值約為3Id。由上述分析可知,在高壓直流輸電系統(tǒng)中,相對(duì)于整流側(cè)閥短路,逆變側(cè)閥短路的短路電流要小得多,對(duì)閥短路保護(hù)的整定需要考慮這一特點(diǎn)。3表中朱夫保護(hù)操作的分析3.1換流閥差動(dòng)保護(hù)的數(shù)學(xué)模型閥短路保護(hù)基本原理是利用故障時(shí)換流器交流側(cè)電流大于直流側(cè)電流的故障特征作為保護(hù)判據(jù)。工程中在Y橋和D橋分別配置閥短路保護(hù),便于在保護(hù)動(dòng)作后迅速定位故障橋。保護(hù)判據(jù)的形式為:式中:id=iacY(iacD)-iDC為差動(dòng)電流,iacY和iacD分別為Y橋三相交流電流iacYj和D橋三相交流電流iacDj的絕對(duì)最大值(j=a,b,c),iDC為直流側(cè)電流;ires為制動(dòng)電流,ires=min(iDP,iDNC),iDP和iDNC分別為換流橋高壓極母線電流和直流中性線電流,正常運(yùn)行時(shí)總有iDP=iDNC成立;I0為保護(hù)的啟動(dòng)定值;k為比例系數(shù)。正常運(yùn)行時(shí),根據(jù)基爾霍夫定理和換相原理,非換相期間,直流電流等于導(dǎo)通閥中流過(guò)的一相交流電流瞬時(shí)值;換相期間,直流電流等于參與換相的閥中流過(guò)的兩相電流瞬時(shí)值之和,也等于另一相電流的相反值。因此,上述判據(jù)中采取交流側(cè)三相電流的絕對(duì)最大值與直流電流構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)。直流側(cè)電流iDC選取的不同,決定了保護(hù)所針對(duì)的故障類型的不同。當(dāng)發(fā)生閥短路保護(hù)的區(qū)內(nèi)相間短路時(shí),如前所述,交流電流增大,根據(jù)基爾霍夫定理,此時(shí)也總有iDP=iDNC成立,因此,保護(hù)判據(jù)中直側(cè)電流iDC取max(iDP,iDNC)或min(iDP,iDNC)并無(wú)差異。當(dāng)發(fā)生整流側(cè)換流閥接地故障時(shí),該側(cè)電流之間滿足如下關(guān)系:式中:iF為故障點(diǎn)流入地的電流。當(dāng)發(fā)生逆變側(cè)換流閥接地故障時(shí),該側(cè)電流之間滿足如下關(guān)系:由式(8)和式(9)可知,差流中取iDC=min(iDP,iDNC)才能反應(yīng)于換流閥接地故障。綜上所述,當(dāng)前直流工程中常用的閥短路保護(hù)的判據(jù)如下。1)不反應(yīng)于接地故障2)反應(yīng)于接地故障3.2閥短路保護(hù)的整定原則3.1節(jié)所述保護(hù)判據(jù)形式上為典型的過(guò)原點(diǎn)的比率差動(dòng)保護(hù),需要確定保護(hù)啟動(dòng)電流I0和比例系數(shù)k。目前,一些直流工程對(duì)于閥短路保護(hù)的整定沿用傳統(tǒng)的交流比率差動(dòng)保護(hù)原則。啟動(dòng)電流I0的整定原則是躲過(guò)正常工況下最大的不平衡差流,常取0.3~0.5(標(biāo)幺值)。比例系數(shù)k的整定考慮躲過(guò)區(qū)外最嚴(yán)重故障時(shí)兩測(cè)量回路產(chǎn)生的最大不平衡電流。交流互感器的測(cè)量誤差按0.5%計(jì)算,光電流互感器和零磁通電流互感器的測(cè)量誤差按0.3%計(jì)算,k一般取0.2。閥短路保護(hù)無(wú)延時(shí)。3.3逆變側(cè)回路與閥短路保護(hù)動(dòng)作的關(guān)系直流輸電系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)與保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)系密不可分,因此,在研究閥短路保護(hù)時(shí),有必要考慮控制系統(tǒng)的影響。閥短路故障后,控制系統(tǒng)的多種控制功能將協(xié)調(diào)動(dòng)作,主要有電流控制器、低壓限流控制器(VDCOL)、γ控制器、換相失敗預(yù)測(cè)等。整流側(cè)區(qū)內(nèi)故障時(shí),由于直流電壓迅速下降,VDCOL動(dòng)作將電流指令限制在最低水平,同時(shí)由于閥側(cè)電流迅速升高,電流調(diào)節(jié)器迅速提高α去降低電流,這樣換流器實(shí)際上運(yùn)行在逆變狀態(tài),直流電流逐漸下降到0。對(duì)閥短路保護(hù)動(dòng)作方程來(lái)說(shuō),直流電流的下降,降低了制動(dòng)電流,有利于保護(hù)動(dòng)作;但是,α增大后降低了交流短路電流,但如2.1節(jié)所述,整流側(cè)閥短路時(shí)交流短路電流很大,故控制系統(tǒng)的介入對(duì)保護(hù)影響不大,保護(hù)的靈敏度很高。逆變側(cè)區(qū)內(nèi)故障時(shí),直流系統(tǒng)會(huì)提供故障電流,直流電壓下降、直流電流上升,并將出現(xiàn)換相失敗。換相失敗會(huì)造成交流側(cè)開(kāi)路、直流側(cè)短路,故可能會(huì)出現(xiàn)差流為負(fù)值的情況,這種情況下閥短路保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。非換相失敗期間,由于直流電流增大,差流不會(huì)很大,很難達(dá)到保護(hù)動(dòng)作定值。不過(guò),控制系統(tǒng)的VDCOL和γ控制器將會(huì)去降低直流電流,并逐漸將直流電流穩(wěn)定在一個(gè)適當(dāng)?shù)乃健Ｔ诖苏{(diào)節(jié)過(guò)程中,由于直流電流的下降,差流會(huì)增大,閥短路保護(hù)才有可能動(dòng)作?？梢?jiàn),逆變側(cè)發(fā)生閥短路故障后,控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用將有利于閥短路保護(hù)的動(dòng)作性能,但總體而言逆變側(cè)閥短路保護(hù)的靈敏度較低。電流互感器是繼電保護(hù)的一個(gè)重要組成部分,尤其是對(duì)差動(dòng)保護(hù)而言,電流互感器的暫態(tài)特性會(huì)影響保護(hù)的性能。閥短路保護(hù)用到的幾種互感器的暫態(tài)特性并不相同,尤其是交流互感器,早期有些直流工程現(xiàn)場(chǎng)出于經(jīng)濟(jì)上的考慮或安裝上的要求,還是使用P級(jí)互感器,這種互感器只能保證穩(wěn)態(tài)特性誤差,在暫態(tài)過(guò)程中的誤差比穩(wěn)態(tài)誤差大得多,當(dāng)換流變空載充電或發(fā)生區(qū)外短路時(shí),電流中含有非周期分量比較大,其直流偏磁作用很容易使電流互感器鐵芯進(jìn)入深度飽和狀態(tài),這將使電流互感器傳變特性嚴(yán)重惡化,產(chǎn)生虛假的差動(dòng)電流,有可能使閥短路保護(hù)誤動(dòng)作。4rtds模擬分析4.1rtds模擬法本文基于RTDS搭建了±500kV德(陽(yáng))—寶(雞)直流輸電工程的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?如圖4所示。RTDS對(duì)直流輸電系統(tǒng)各元件都進(jìn)行了詳細(xì)而準(zhǔn)確的模擬,包括換流閥、換流變壓器、直流線路、平波電抗器和交直流濾波器等。閥短路保護(hù)啟動(dòng)定值按傳統(tǒng)的0.5(標(biāo)幺值)設(shè)定,比率系數(shù)設(shè)定為0.2。分別仿真了系統(tǒng)運(yùn)行在額定狀態(tài)(額定電流3000A)和最小功率狀態(tài)(電流300A)時(shí)的情況。4.2側(cè)閥短路補(bǔ)償1和制動(dòng)電流ires閥側(cè)電流IVD、直流側(cè)電流IDP和IDNC、差流IFD和制動(dòng)電流Ires如圖5所示。故障后閥側(cè)最大電流約為10倍額定電流,而直流電流在控制系統(tǒng)的作用下逐漸下降至0,故這種情況下差流很大,而制動(dòng)電流較小,保護(hù)可靠動(dòng)作。2直流和直流電流在控制系統(tǒng)的作用下發(fā)生差流如圖6所示,故障后閥側(cè)最大電流約為6.7倍額定電流,而直流電流在控制系統(tǒng)的作用下逐漸下降至0,故這種情況下差流很大,而制動(dòng)電流較小,保護(hù)可靠動(dòng)作。4.3反變側(cè)閥短路模擬1直流電流隨電流增長(zhǎng)關(guān)系如圖7所示,D橋閥短路故障后出現(xiàn)換相失敗,閥側(cè)交流電流最大值約為2.1倍額定電流;由于整流側(cè)通過(guò)直流系統(tǒng)向短路點(diǎn)提供短路電流,故直流電流先增大至約1.7倍額定電流,而后才在控制系統(tǒng)的作用下逐漸減小,因而故障初期差流并不大,換相失敗期間甚至為負(fù)值,隨后在直流電流下降后才出現(xiàn)較大的差流,最大差流為1.7倍額定電流,在故障后約60ms差流超過(guò)制動(dòng)電流,滿足保護(hù)動(dòng)作方程,保護(hù)動(dòng)作。2電流和差流約定電流如圖8所示,Y橋閥短路故障后也出現(xiàn)換相失敗,閥側(cè)最大電流約為0.9倍額定電流,最大差流約為0.8倍額定電流,故障后約60ms保護(hù)動(dòng)作。這種情況如果啟動(dòng)值大于0.5(標(biāo)幺值),保護(hù)很有可能拒動(dòng)。4.4逆變側(cè)閥短路保護(hù)誤動(dòng)的仿真結(jié)果為了考察換流變空載充電時(shí)勵(lì)磁涌流的影響,將換流變參數(shù)設(shè)置成飽和變壓器參數(shù),閥角側(cè)互感器三相特性選得不一致,然后進(jìn)行換流變空載充電實(shí)驗(yàn),如圖9所示?？蛰d充電時(shí)換流變產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流,閥角側(cè)互感器受到勵(lì)磁涌流中的非周期分量的影響而飽和,因而出現(xiàn)約1000A的差流。這種情況在RTDS實(shí)驗(yàn)時(shí)受到模型參數(shù)的影響,因而實(shí)驗(yàn)結(jié)果不具有普遍性,但現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)發(fā)生過(guò)類似事件,圖10為某換流站換流變空載充電時(shí)的波形,閥角側(cè)互感器受到勵(lì)磁涌流中非周期分量的影響而飽和,同時(shí)由于環(huán)內(nèi)三相電流互感器的暫態(tài)特性不一致,環(huán)外閥角側(cè)電流增大,而此時(shí)由于直流系統(tǒng)尚未解鎖,直流電流為0,因而出現(xiàn)約0.25(標(biāo)幺值)的差流,制動(dòng)電流啟動(dòng)值為900A(0.5(標(biāo)幺值)),雖然并未造成保護(hù)誤動(dòng),但這種現(xiàn)象應(yīng)引起足夠的重視。上述仿真結(jié)果表明:整流側(cè)閥短路比逆變側(cè)閥短路造成的后果嚴(yán)重得多,整流側(cè)閥短路時(shí)保護(hù)可快速可靠動(dòng)作,而逆變側(cè)發(fā)生閥短路時(shí),差動(dòng)電流較小,在某些情況(例如定值設(shè)置不當(dāng)?shù)?下可能會(huì)導(dǎo)致閥短路保護(hù)拒動(dòng)。另外,若閥短路保護(hù)啟動(dòng)定值按傳統(tǒng)交流差動(dòng)保護(hù)的0.3~0.5(標(biāo)幺值)整定,則換流變空載合閘時(shí),由于交流互感器飽和及三相電流互感器暫態(tài)特性不一致等因素影響,有可能導(dǎo)致閥短路保護(hù)誤動(dòng)。5保護(hù)的可靠性和靈敏性從前文分析可知,逆變側(cè)閥短路區(qū)內(nèi)故障的靈敏度較低,為了保證在小功率運(yùn)行時(shí)逆變側(cè)閥短路保護(hù)仍能動(dòng)作,一般將啟動(dòng)定值取得較低,典型值是0.5(標(biāo)幺值);另一方面,當(dāng)換流變空載充電時(shí),如果交流互感器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,則會(huì)出現(xiàn)較大差流,可能造成保護(hù)誤動(dòng)。本文針對(duì)這2種情況,提出如下保護(hù)配置和整定建議:1)對(duì)于新建直流工程,現(xiàn)場(chǎng)一般使用TPY級(jí)交流互感器,這種互感器可保證暫態(tài)過(guò)程中的誤差特性,保護(hù)的可靠性也有所保證,因而主要考慮提高保護(hù)的靈敏性,啟動(dòng)值可取得較低,例如0.5(標(biāo)幺值),使整流側(cè)和逆變側(cè)閥短路保護(hù)都具有較高的靈敏性。2)對(duì)于較早建設(shè)的直流工程,有的現(xiàn)場(chǎng)不是使用TPY級(jí)互感器,保護(hù)的可靠性和靈敏性需要統(tǒng)籌考慮,有2種方案可供選擇。方案1:首先確?？煽啃?則啟動(dòng)值必須抬高,例如2.0(標(biāo)幺值),這樣整流側(cè)仍有較高的靈敏性,但逆變側(cè)發(fā)生區(qū)內(nèi)閥短路故障時(shí),保護(hù)可能無(wú)法動(dòng)作。這種方案相當(dāng)