电力系统继电保护原理 第十二章 高压直流输电系统的保护

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– 如果电压的变化率和线路电压值超过设定值,保护 动作。
• 低电压保护属于后备保护,在两站失去通信的 情况下仍能正常工作。
• 纵联差动保护的判据为
| I dL I dL.oth |
• 式中:IdL 为直流线路电流;I dL.oth 为对站直流线路电流。
• 纵联差动保护比较来自整流站和逆变站的直流电流,如 果两站电流差值超过了设定值,保护动作。
– (1)极母线设备的闪络或接地故障。 • 极母线设备包括平波电抗器、直流滤波器等。
– (2)极母线直流过电压、过电流以及持续的直流欠压。 – (3)中性母线开路或接地故障。 – (4)站内接地网过流。 – (5)接地极引线开路或对地故障、接地极引线过负荷。 – (6)直流滤波器过流、过负荷、失谐,高压电容器不平衡以及有源部分
• 在研究保护策略时,除交直流模型外,必须结合相应的控 制系统。
第二节 直流输电系统保护原理与配置
一、直流线路故障过程
直流架空线路发生故障时,从故障电流的特征而论, 短路故障的过程可以分为初始行波、暂态和稳态三个阶段。 1、初始行波阶段
- 与交流输电线路故障时的波过程相似,直流输电线故障后,沿线路的 电场和磁场所储存的能量相互转化形成故障电流行波和相应的电压行 波。
• 横联差动电流保护属于后备保护,只适用于单极金属 回线方式。
三、直流系统保护的配置
(一) 直流系统保护设计原则
- (1)满足可靠性、灵敏性、选择性、速动性的基本要求。 - (2)在直流系统各种运行方式下,对全部运行设备都能提供完全
的保护。能检测到设备的故障和异常情况,并从系统中切除影响运行 的故障设备。 - (3)保护系统应至少双重化配置,每一保护区域具备充分冗余度。保 证保护不误动或拒动,如有可能,后备保护应尽可能使用不同的测量 原理。 - (4)相邻保护区应有重叠,保证无保护死区。采用分区保护、保护区 搭接的方式。 - (5)各保护之间配合协调,并能正确反映故障区域,保护动作尽量避 免双极停运。 - (6)与直流控制系统能密切配合,控制系统故障不引起保护跳闸。
• 纵联差动保护属于后备保护,主要反应高阻线路故障。 • 由于其所需的电流通过远程控制在两站之间传输,失去
通信时该保护被闭锁。
• 横联差动保护的判据为
| I dL.1 I dL.2 |
• 式中:I dL.1为极1线路电流;IdL.2 为极2线路电流。
• 横联差动保护是比较来自一个站内两极的直流线路电 流,如果两极电流差值超过了设定值,保护动作。
• 直流系统中不存在电压相角,则无此缺点。 – 交流系统中电压、电流行波的传输受母线结构变化的影响,
并且需要区别故障点传播的行波和各母线的反射波以及透射 波,难度较大;
• 由于高压直流线路结构简单,也不存在上述问题。
• 行波保护的判据为
du ; dt
U ;
I
• 如果直流线路发生接地故障,波会由故障点向两端换流 站发射。
– (3)阀交流侧故障。 • 换流变压器阀侧绕组过电压、换流变压器阀侧至阀厅内的交流连线的接地 或相间短路故障。
– (4)阀厅内接地故障。 • 阀组中点接地故障等。
2、直流开关场与接地极故障
• 包括直流极母线故障、中性母线故障、直流滤波器故障、直流接线方 式转换开关故障、平波电抗器本体故障、接地极及引线故障、站内接 地网故障等。
• (6)换流站的交流部分。
– 送电端和受电端的交流系统与直流输电系统有着密切 的关系,它们给整流器和逆变器提供换相电压。
– 送电端交流系统作为直流输电的电源,提供传输的功 率;
– 受电端交流系统则相当于负荷,接受和消耗由直流输 电线路送来的功率。
直流系统故障类型及特点
• 直流输电系统任何一个部分发生故障或者运行状态异常, 都会影响整个直流输电系统运行的可靠性和有关设备的安 全。
二、直流输电线路保护原理
• 直流线路发生故障时,桥阀控制极的控制可以快速地限制 和消除故障电流,同时由于定电流调节器的作用,故障电 流与交流线路相比要小得多。
• 对直流线路故障的检测不能依靠故障电流大小来判别,而 需要通过电流或电压的暂态分量来识别。
– 采用行波保护作为高压直流线路保护的主保护 – 采用低电压保护、横联差动保护、纵联差动保护等作为行波保护
– (1)直流线路金属性短路,高阻接地故障或开路故障,交直流碰 线故障。
– (2)金属回线导体开路或接地故障。 – (3)直流甩负荷、直流系统或设备在动态过程中发生故障等对直
流系统产生的扰动。 – (4)直流控制系统误动对直流系统产生的扰动。
• 直流系统保护策略还要根据系统或设备情况对
– 换流阀பைடு நூலகம்火系统、 – 晶闸管结温、 – 大触发角运行工况等
• 直流保护用于保护换流站各直流设备,在故障或异常工况 下快速切除系统中的短路故障或不正常运行设备,防止设 备损坏或干扰系统其他部分的正常工作,保证直流输电系 统的安全运行。
• 直流输电系统故障类型多,且大多数直流保护动作都配合 控制系统来进行故障隔离和消除,因此消除每种故障或异 常状态的方法也有所区别。
的后备保护。 – 保护动作时,发出线路跳闸信号,起动直流线路故障恢复顺序控
制(整流侧),即按预先设定的次序,整流站延迟触发角以去电 离,并在去电离后全压起动或降压起动故障的直流极;若重起动 后仍不成功,将闭锁两端阀组。
• 行波保护利用故障瞬间所传递的电流、电压行波来构成超高速 的线路保护。
• 对于暂态电流、电压行波的幅值和方向皆能准确反映原始故障 的特征。
第十二章 高压直流输电系统的保护
第一节 直流输电系统故障 第二节 直流输电系统保护原理与配置 第三节 直流输电系统保护装置
第一节 直流输电系统故障
• 随着电力需求日益增长、远距离大容量输电线路不断增 加、电网扩大,传统的交流输电联网方式将带来如低频 振荡、大面积停电、短路电流水平超限等大电网存在的 问题;
• 实现的装置分别称为整流器和逆变器,统称为换流器。
一般高压直流输电系统主要包括以下6大类元件。
• (1)换流器。
– 直流输电系统的关键设备,实现交流-直流和直流-交流 的变换。
– 换流器的主要元件是阀桥和换流变压器。 – 阀桥包含6脉波或12脉波的高压阀,它们依次将三相交
流电压连接到直流端,实现相应的变换; – 换流变压器实现交流系统和直流系统之间的连接,向
直流线路操作过电压 直流过电压
整流侧交流系统故障 逆变侧交流系统故障
交流电压下降,直流电压、电流可能相应下降,不对称故障 时有较大的非特征性谐波
交流电压下降,可能引起换相失败,不对称故障时有较大的 非特征谐波
• 在故障发生开始,控制系统会迅速做出响应,对故障的发 展有一定的抑制作用
• 采用不同控制系统时,直流系统的暂态性能也略有不同, 这是直流输电的特点之一。
• 通过整定直流线路电压和电流的变化率,行波保护可以 对这种故障进行监测。
– 如果电压的变化率和电压变化的幅值超过了整定值,保护系统 计算电流变化的幅值,如果也超过了设定值,保护动作。
• 行波保护在两站失去通信的情况下仍能正常工作。
• 低电压保护的判据为
du ; dt
U dL
• 低电压保护通过整定一个低电压和直流线路电 压的变化率来对线路故障进行监测。
阀桥提供适当等级的不接地三相电压源。
• (2)谐波滤波器。
– 换流器在运行中会在交流侧和直流侧产生谐波电流和 谐波电压,导致电容器和附近的电机过热,并干扰通 信系统。
– 为了减少流入交流系统和直流系统的谐波电压和谐波 电流,在交流侧和直流侧都装有滤波装置。
• (3)平波电抗器。
– 电感很大,可以降低直流线路中的谐波电压和电流, 防止逆变器换相失败,限制直流线路短路期间整流器 中的峰值电流。
• (4)无功补偿装置。
– 直流线路本身在运行中不需要无功功率,但是两端换 流器在运行中会消耗大量的无功功率。
– 交流滤波器中的电容可以提供部分无功功率,当其不 能满足无功补偿的要求时,需装设静态电容补偿。
– 强交流系统常在换流器附近采用并联电容器补偿。
• (5)直流输电线路。
– 可以为架空线或电缆,除导体数和间距的要求有差异 外,与交流线路十分相似。
故障类型基本特点描述整流侧桥臂短路交流电流很快升高直流电流下降直流电压下降直流电流增大阀导通不正常一般直流电压下降逆变侧直流电流增大与换相失败相似直流线路故障整流侧直流电压下降直流电流上升逆变侧直流电压和直流电流均下降直流线路操作过电压直流过电压整流侧交流系统故障交流电压下降直流电压电流可能相应下降不对称故障时有较大的非特征性谐波逆变侧交流系统故障交流电压下降可能引起换相失败不对称故障时有较大的非特征谐波表121直流输电系统典型故障及特点在故障发生开始控制系统会迅速做出响应对故障的发展有一定的抑制作用采用不同控制系统时直流系统的暂态性能也略有不同这是直流输电的特点之一
的故障(如果是有源滤波器)。
3、换流站交流侧故障
• 换流站交流设备包括换流变压器、交流开关场设备、交流 母线、交流出线、交流馈线等。主要故障包括换流变故障、 交流侧三相短路、交流侧单相短路、交流滤波器故障、站 用电系统故障等。
– (1)与直流系统相连的交流系统故障。包括换流站远端交流系统 短路故障、换流母线故障、交流系统功率振荡或次同步振荡、交 流系统持续的扰动、换流站内交流母线电压的欠压和过压等对直 流系统产生的扰动。
1、换流器故障
• 包括阀短路、换相失败、直流侧出口短路、交流侧相间短路、交流侧接 地短路、直流侧对地短路等。
– (1)换流桥故障。 • 桥臂短路、桥阀短路、阀组过流、换相失败、阀误导通、不导通故障。
– (2)晶闸管阀故障。 • 晶闸管元件、阀阻尼均压回路、触发部件、阀基电子设备以及阀的冷却系 统等故障。这一部分的保护通常就地配置,如可由阀基电子设备屏、阀冷 控制保护屏提供。
– (2)换流变压器保护区内接地、相间短路、匝间短路故障。 – (3)换流变压器过励磁、直流偏磁等。
4、直流线路故障
• 由于高压直流线路长度均在800km以上,此线路上任一点 发生故障都会导致直流系统故障,故直流线路故障在直流 系统故障中出现的几率是最大的。
• 一般故障包括雷击、对地闪络、高阻接地、与交流线路碰 线、断线等。
• 按照故障的设备区域分为
– 换流器故障 – 直流开关场与接地极故障 – 换流站交流设备故障 – 直流线路故障等。
• 直流保护策略的设计和配置应考虑故障情况下暂态性能要求,主要是 各种短路、接地故障以及过电流和过电压。
• 此外直流系统还配备了针对交流系统扰动的有关控制保护
– 次同步振荡 – 交流系统故障对直流系统的扰动 – 直流控制系统误动对直流系统的扰动等
(强迫分量)和由直流主回路参数所决定的暂态振荡分量(自由分 量)。 - 在此阶段,控制系统中定电流控制开始起到较显著的作用,整流侧和 逆变侧分别调节使滞后触发角增大,抑制线路两端流向故障点的电流。
• 3、稳态阶段
- 最终,故障电流进入稳态,整流侧和逆变侧提供的故障电流稳态值
被控制到等于各自定电流控制的整定值,两侧流入故障点的电流方向 相反,故障点电流为两者之差。
• 同基于工频电气量的传统保护相比,行波保护具有超高速及高 可靠性的动作性能,且其保护性能不受电流互感器饱和、系统 振荡和长线分布电容等的影响。
• 行波保护在直流系统中相比于交流系统具有更明显 的优越性。
– 在交流系统中,如果在电压过零时刻发生故障,则故障线路 上没有故障行波出现,保护存在动作死区;
- 电流行波幅值取决于线路波阻抗和故障前瞬间故障点的直流电压值。 - 线路对地故障点弧道电流为两侧流向故障点的行波电流之和,此电流
在行波第一次反射或折射之前,不受两端换流站控制系统的控制。
• 2、暂态阶段
- 经过初始行波的来回反射和折射后,故障电流转入暂态阶段。 - 直流线路故障电流主要分量有:带有脉动且幅值有变化的直流分量
• 提供必要的监测。
表12-1 直流输电系统典型故障及特点
故障类型
基本特点描述
整流侧桥臂短路
交流电流很快升高,直流电流下降
逆变侧换相失败
直流电压下降,直流电流增大
阀导通不正常
一般直流电压下降,逆变侧直流电流增大,与换相失败相似
直流线路故障
整流侧直流电压下降、直流电流上升, 逆变侧直流电压和直流电流均下降
• 目前,电力系统中发电和用电单元的绝大部分为交流电, 如采用直流输电,须进行交—直—交的电能交换。
• 在送电端将交流电变换为直流电(整流),经过直流输电 线路将电能传送到受电端,再将直流电变换为交流电(即 逆变),送到受电端的交流系统中去。
• 进行整流和逆变的场所分别称为整流站和逆变站,统称 为换流站;
• 直流输电在远距离大容量输电、海底电缆输电和不同频 率联网方面显示了其独特的优势,利用直流输电异步联 网既可以取得联网效益,又能避免大电网带来的问题, 还可以改善原交流电网的运行性能。
• 随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的迅速发展, 直流输电的建设费用和运行能耗也不断下降,可靠性逐 步提高,越来越显示出其优越性。
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