特高压直流输电系统最后断路器保护及关键技术分析

特高压直流输电系统最后断路器保护及

关键技术分析

曹丹

中国能源建设集团湖南火电建设有限公

司

Technology analysis of Last Circuit Breaker in Ultra High Voltage Direct Current System

Cao Dan

(China Energy Engineering Group Hunan Power Construction Company Limited)

摘要：特高压直流输电系统以其输电容量大、送电距离远等优点，目前已成为我国主要的电能传输方式。当直流逆变站突然切除全部交流线路时，可能导致交流侧的电压急剧升高，破坏系统稳定性。为此，逆变站配置的最后断路器保护用于快速识别交流侧突然甩负荷的场景，并迅速切断线路与阀组之间联系，从而保障整体系统的稳定运行。本文对最后断路器保护进行介绍，分析了最后断路器保护运行过程中的相关技术，为相关工作者提供参考借鉴。

关键词：特高压直流输电系统，最后断路器保护

1 引言

我国幅员辽阔，东西部能源分配极度不平衡，风、光、煤炭等自然能源储备

集中分布在西部地区，而高负荷、高密度的用电需求则集中在东部平原地区。特

/超高压直流输电线路以其造价相对较低，具备大容量、远距离的送电能力，且

避免了交流输电系统的功角稳定问题，是我国目前交直流混联电网的主要输电网

架[1]。

实际上，目前的特/超高压直流输电线路仍然存在一些问题。在其正常稳定

运行的过程中，交流侧线路与换流阀之间的断路器维持闭合状态。当逆变站设备

发生某些故障，导致逆变站交流侧负荷突然全部丢失，即最后一条交流线路发生

跳闸。此时，由于换流母线上通常配有大量无功补偿设备，逆变器仍然继续运行，直流系统持续向逆变测输入电流，大量功率将流向无功补偿设备，从而导致交流

电压急剧升高，危及一次设备的安全[2]。

随着我国特高压输电网架的迅速发展，当前的交直流混联系统结构愈加复杂。逆变站作为特高压直流输电系统的关键核心，其交流侧的甩负荷问题不容忽视。

因此，最后断路器保护装置通常用来判断逆变站的甩负荷状态，一旦交流侧负荷

全部丢失，最后断路器保护将迅速启动并闭锁直流侧，从而避免系统过电压的抬

升[3]。

2 常规最后断路器保护原理

常规型最后断路器保护主要是通过判断逆变站交流线路的开断信息从而决定

是否启动保护。其主要原理为：提前判断逆变器是否可能导致甩负荷，从而及时

投入旁通对以闭锁直流系统。保护启动后，逆变站内所有的交直流连接将断开，

避免了逆变侧电压抬升，保护系统安全。

当逆变站交流侧仅剩最后两个出线，如图1所示：

图1逆变站交流侧出线示意图

在图1中，断路器单元A1,B1,C1称作一个母线间隔，断路器单元A2,B2,C2称作另一个母线间隔。在每个断路器单元中，任意一个开关断开，则称为断路器单元处于隔离状态，若交流侧出线两侧的断路器单元处于隔离状态，则母线间隔处于隔离状态。除此之外，若交流线路的电流小于门槛值，也认为母线间隔处于隔离状态。

如果一个母线间隔处于隔离状态，另一个母线间隔处于跳闸状态，此时，最后断路器保护动作，立即闭锁直流系统。

3 最后断路器保护相关改进研究

常规型的最后断路器保护判据通常往往存在缺陷，在某些工况下仍然存在拒动的风险，使得系统内一次设备遭受过电压。为了尽可能地减少风险，纷纷提出了针对最后断路器保护的改进策略。

3.1 避雷器型最后断路器保护

在特高压直流输电系统中，配置了避雷器型最后断路器保护作为最后断路器保护的后备保护策略。避雷器型最后断路器保护通过检测逆变站的高端侧换流变压器的进线电压，以及该侧避雷器的泄漏电流来判断保护是否需要动作。

定义高端侧换流变压器的进线电压为U

1，该侧避雷器的泄漏电流为I

1

，如果

U

1和I

1

均大于相应门槛值，则进行避雷器能耗特性积分，若该积分超过了积分门

槛，再启动最后断路器保护信号。该项判据是每相进行独立判断，A、B、C三相中只需任意一相判据成立，则最后断路器保护动作，从而切断直流系统连接。

3.2 常规型最后断路器保护改进

当故障发生时，假设交流场中最后两条交流侧出线的其中一条被保护切除后，而另一条线路的保护未动作。如果此时剩下的这条交流线路为空载，最后断路器

应迅速闭锁直流侧系统。但是，如果这条线路电流为容性，常规型最后断路器保

护的辅助判据将失效。因此，可以对常规型最后断路器保护的辅助判据进行改进。将母线电压与线路功率加入判据，可以判断线路是否为空载长线，从而改进了常

规型最后断路器保护的辅助判据，避免了误动和拒动的风险。

3.3 避雷器型最后断路器保护改进

原有的避雷器型最后断路器保护通常以电压、电流常量的积分作为启动判据，保护可能不会迅速动作，从而增加过电压的隐患。因此，若采用电压与电流的实

时测量量进行积分，则能够使得避雷器型最后断路器保护更加迅速地反映过电压

的情况，提高保护动作的速度。

3.4最后断路器保护融合判据

现有的几种最后断路器保护判断策略往往存在固有缺陷，并不能完全包括所

有的故障场景。因此，可以使用融合判据对几种判据进行结果辨识，以达到更高

的判断正确率。D-S证据理论(Dempster-Shafer Evidence Theory)广泛应用于对

多个判据的结果进行融合决策，通过构建初始识别框架、对信度进行修正、调整

权重，最后对多个判据的结果进行融合。

在最后断路器保护中，结合三种最后断路器保护判据（常规型最后断路器保护，两种改进的避雷器最后断路器保护）的判断结果，在此基础上使用D-S证据

理论对上述三种判据的结果进行融合，最后得出最终的判断结果。

4 结论

在特/超高压直流输电系统中，最后断路器保护作为保护逆变站设备的“最

后一道防线”，起着至关重要的作用。然而现有的最后断路器保护策略难以避免

地存在保护范围盲区。本文介绍的多种改进的最后断路器保护策略，能够提高保

护动作正确率，进一步地避免交流侧过电压的产生，从而保障逆变站及系统的运

行安全。