高压直流输电系统的故障和保护

高压直流输电系统的故障和保护

摘要：快速准确检测到直流线路故障并启动线路故障后重启动，可以避免因瞬时故障而直流停运，减少直流闭锁率，保证电网的稳定。高压直流输电系统可能的故障工况包括换流阀故障、直流部分故障和交流部分的故障，直流系统在不同的故障情况下表现出一定的特性，根据直流系统运行特点和故障特性提出

了高压直流输电系统的保护策略。

关键词：高压直流输电；直流系统故障；直流系统保护策略；保护原理；

直流控制保护系统是直流输电工程的核心，其性能的好坏直接决定着直流工程的运行和直流设备的安全。在直流系统中，任何一部分发生故障都会影响整个直流输电系统运行的安全可靠性。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，防止其造

成损害或干扰系统其他部分的正常工作，保证直流系统的安全运行。

一、直流系统故障及系统响应

直流保护策略的设计和配置应考虑直流系统在换流阀故障、换流站直流区域故障以及换流站交流区

域故障下的暂态性能要求。这些故障主要是各种短路、接地故障以及过电流和过电压，具体包括：

1、晶闸管阀故障。包括晶闸管元件、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，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、换流桥故障。包括桥臂短路、桥阀短路、阀组过流、换相失败、阀误导通不

导通故障。

3、阀交流侧故障。包括换流变压器阀侧绕组过电压、换流变压器阀侧至阀交流

连线的接地或相问短路故障。

4、阀厅内接地故障。包括阀组中点接障等。

5、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。

6、极母线直流过电压、过电流以及持续的直流欠压。

7、中性母线开路或接地故障。

8、站内接地网过流。

9、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。

10 金属回线导体开路或接地故障。

11 接地极引线开路或对地故障、接地极引线过负荷。

12 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的故障(如

果是有源滤波器)。

13、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。

14、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。

15、直流控制系统误动对直流系统产生的扰动。

16、换流变压器保护区内接地、相间短路、匝间短路故障。

17、换流变压器过励磁、直流偏磁等。

此外，直流系统保护策略还要根据系统或设备情况对换流阀点火系统、晶闸管结温、大点火角运行工况等提供必要的监测。直流输电系统发生的典型故障及

二、保护功能配置

双极保护配置的原则是在任何情况下避免不必要的双极停运。双极保护主要检测下述故障：

①影响双极的交流系统故障；

②与双极设备有关的公共设备故障，如双极中性母线故障、站接地故障、金属

回线设备故障、接地极引线故障和转换开关故障等；

③由单极故障引起的双极故障，一个换流器故障时引起另一换流器保护动作。

根据以上原则，极设备的保护应当按极独立设置，并配置独立的测量设备；双极的公用设备采用双极保护，每一个极均有一套采用独立测量回路的双极保护；每个极的极保护和双极保护均不允许跳开另一极；双极故障时，单个保护动作不应导致双极停运。只有在双极临时接地方式运行时，任何一个极发生故障都应

停运双极，这样做是为了避免故障电流流入站接地网。

功能配置

三常高压直流输电工程中，直流保护配置的功能包括换流阀保护、极保护、双极保护以及换流变压器保护。直流保护功能按照四个部分配置，四个部分的第一套保护配置控制保护主机1，第二套保护配置在主机2中

第一部分：换流阀保护

第1套保护配置包括阀短路保护、换相失败预测、换相失败保护、电压应力保护、点火不正常保护、晶闸管阀监视、直流过流保护、大角度监视。第2套包括阀路保护、换相失败保护、直流过电压保护、后备的直流过流保护、阀直流差动保护。

第二部分：极保护

极保护包括高压极母线、中性母线、直流滤波器、平波电抗器以及直流线路保护。第1套保护配置包括直流极母线差动保护、直流极差动保护、接地极引线开路保护、直流滤波器电容器不平衡保护、直流滤波器差动保护、直流线路保护、中性母线开关保护、直流线路纵差保护、开路线路试验监视、直流滤波器失谐监视以及平波电抗器本体保护。第2套包括直流谐波保护、直流中性母线差动保护、接地极引线开路保护、直流滤波器过负荷保护、直流欠压保护、潮流反转保护、后备中性母线开关保护。

第三部分：双极保护

双极保护包括双极中性母线和接地极引线保护。第1套保护配置包括双极中性母线差动保护、转换开关保护(NBGS、GRTS、MRTB)、金属回线纵差保护、接地极引线过负荷保护。第2套包括站接地过流保护、后备转换开关保护(NBGS、GRTS、MRTB)、金属回线横差保护、金属回线接地故障保护、接地极引线不平衡监视。第四部分：换流引线和换流变压器保护

换流引线和换流变压器保护包括换流引线差动保护、换流引线和换流变压器过流保护、换流引线和换流变压器差动保护、换流变压器差动保护、换流变压器过流保护、换流变压器热过负荷保护、换流变压器绕组差动保护、换流引线过压保护、换流变压器中性点偏移保护、换流变压器零序电流保护、换流变压器过励磁保护、换流变压器直流偏磁保护、换流变压器零差保护，单断路器保护以及换流变压器本体保护。

上述配置的基本原则是每极的保护采用双重冗余系统。在每重系统(或称通道中，对同类故障尽量采用不同原理的2种保护分置于不同主机；对于重要的故障且不能采用不同原理的2种保护时，在不同主机中使用同原理的2套保护。

3 保护原理及配合

按照上述分析，不同故障具有不同的特点。通过检测电压／电流，三常直流输工程直流保护根据各种故障特征，采用相应的保护原理。如换流阀保护(阀短路保护、换相失败保护)基于交直流差动原理；阀直流差动保护、极母线差动保护、中性母线差动保护、金属回线横差／纵差保护和换流变压器差动保护等采用差动电流的原理；后备过流保护、换流变压器过流保护等基于过流原理；电压应力保护、直流过压保护、接地极引线开路保护等基于过压、过应力原理；直流过流保护、大角度运行监视以及过负荷保护等建模计算相应元件／设备的过负荷情况。此外还有一些保护的工作原理基于其实现的电路或逻辑，如点火不正常保护和潮流反转保护等。以直流线路保护为例分析三常直流输电工程直流线路保护配置、工作原理及保护之间的配合关系。

3．1 保护配置及原理

直流线路故障发生时，由于线路电容放电，短路点的故障电流会陡然升高，出过冲。初始故障电流与线路波阻抗有关，比稳态电流值大很多。直流电流过冲的大小与平抗、电流调节器增益和时间常数、故障点距离、直流电压和故障发生的时刻都有关系。定电流调节器的作用会将稳态短路电流限制在一个较小的数值。直流线路故障一般通过电流的暂态分量和电压变化量进行检测。

经典的直流线路保护是以电压导数法为主保护、线路纵差保护、直流欠压保护作为后备保护；目前，许多工程的主保护也采用行波保护，但各自的算法均不相同。三常直流输电工程直流线路保护按照2套主保护(行波法和电压导数法)进行配置。