摘

要：首先介紹了高壓直流輸電系統(tǒng)的換流器常見故障位置，隨后對(duì)常見故障保護(hù)進(jìn)行了分析，最后從單極、雙極兩個(gè)方面對(duì)換流器保護(hù)控制策略進(jìn)行了研究，對(duì)今后高壓直流輸電系統(tǒng)的保護(hù)與檢修運(yùn)行管理工作具有良好的借鑒意義。關(guān)鍵詞：高壓直流輸電系統(tǒng)；換流器；保護(hù)；動(dòng)作

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引言隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，當(dāng)今交流輸電系統(tǒng)的輸送容量已經(jīng)無(wú)法滿足社會(huì)用電負(fù)荷快速增長(zhǎng)的需求。在我國(guó)能源分布、負(fù)荷分布不均勻的背景下，高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)揮著巨大的效用。該系統(tǒng)具備功率調(diào)節(jié)快速、輸送容量大、線路損耗低等優(yōu)勢(shì)。為了能夠保障高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，必須確保換流器正常動(dòng)作。作為整個(gè)直流系統(tǒng)的核心設(shè)備，換流器在保障系統(tǒng)正常運(yùn)行中起到了決定性作用。這就需要深度加強(qiáng)對(duì)換流器保護(hù)的分析與研究工作，提升高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行效率、可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。1

常見故障位置換流器的保護(hù)原則是區(qū)域故障保護(hù)動(dòng)作，區(qū)外故障保護(hù)不動(dòng)作。其中，區(qū)域故障主要是換流器設(shè)備故障。輸電保護(hù)系統(tǒng)按極配置，每極一組有12脈動(dòng)換流器，三個(gè)極的12脈動(dòng)換流器保護(hù)區(qū)保持獨(dú)立。再者，在系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，換流器故障特性和單極大地回線方式類似，如圖1所示。2

常見故障保護(hù)分析2.1

閥組短路保護(hù)該保護(hù)裝置可以直接檢測(cè)各個(gè)閥的短路、接地故障以及換流變閥的相間短路故障，避免因?yàn)槎搪饭收显斐蓳Q流閥遭受過應(yīng)力。針對(duì)此類故障，換流器會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。其主要表現(xiàn)在：2.1.1

直流母線短路直流母線短路主要是在交流側(cè)交替產(chǎn)生兩相、三相短路，增加交流電流，短路電流達(dá)到理想值，直流電流隨之衰減，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判定故障，并將其切除。此外，整個(gè)換流器出現(xiàn)直流短路故障時(shí)，交流電流增加，高低壓側(cè)直流分流器電流顯示為零，此時(shí)依然會(huì)自動(dòng)保護(hù)，交流電流顯示為零。母線接地短路下部故障相當(dāng)于直流線路末端短路，此時(shí)不會(huì)自動(dòng)保護(hù)。2.1.2

橋臂短路橋臂短路時(shí)交流側(cè)電流激增，甚至能夠達(dá)到兩相短路電流的2～3倍，直流電流有所下降。此時(shí)交流側(cè)電流要比直流額定電流大2倍以上，換流器做自動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。在逆變側(cè)位置，增加相反直流電流，交流側(cè)電流隨之下降，可能在某個(gè)時(shí)間下降到零，但是屬于區(qū)域外故障，因此換流器保護(hù)不動(dòng)作。2.2

換相失敗保護(hù)該保護(hù)裝置可以有效檢測(cè)由于交流電網(wǎng)擾動(dòng)、其他異常換相條件造成的換流器換相失敗，減少由于交流電網(wǎng)擾動(dòng)導(dǎo)致的換相失敗次數(shù)，從而確保直流系統(tǒng)安全。在整流側(cè)短路中，整流側(cè)是重要的送電端，在整流側(cè)正常運(yùn)行時(shí)，任何接地故障點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致交流電流大于額定電流，結(jié)合保護(hù)判定依據(jù)，整流側(cè)接地故障均不會(huì)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。逆變側(cè)一次換相失敗，直流控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整到可正常運(yùn)行狀態(tài)，如果連續(xù)換相，則為了避免進(jìn)一步惡化，就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。如果換相失敗，直流電流會(huì)增加。如果6脈動(dòng)組換相失敗，則另一組橋交流側(cè)電流與直流相等，此時(shí)不會(huì)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，只有在整個(gè)換流器換相失敗時(shí)，交流側(cè)電流逐漸較小到零，才會(huì)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。2.3

直流差動(dòng)保護(hù)在正常運(yùn)行中，由于換流器出口高低壓側(cè)直流電流相同，如果換流器出現(xiàn)了接地故障，則部分電流會(huì)直接通過接地點(diǎn)，此時(shí)高低壓側(cè)電流側(cè)不等，換流器會(huì)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。也就是直流電差值的絕對(duì)值大于動(dòng)作閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)動(dòng)作。在出現(xiàn)高壓母線短路故障時(shí)，此時(shí)低壓側(cè)直流電、高壓出口直流電增加，但是高壓側(cè)直流分器位置電流為零，該故障會(huì)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。如果高壓側(cè)直流電增加，低壓側(cè)直流為零，判定保護(hù)依據(jù)成立，也可以啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。中性母線短路時(shí)，低壓側(cè)分流，直流電流減少了，可以啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。換流器內(nèi)部短路也會(huì)造成低壓側(cè)分流，同樣可以啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。2.4

直流/交流過電流保護(hù)要想避免主流電流過大燒毀換流器，就要重點(diǎn)預(yù)防晶閘管損壞問題。其保護(hù)原理是檢測(cè)直流換流器電流最大值，如果故障電流超出了設(shè)定預(yù)制，此時(shí)換流器閉鎖。為采用直流運(yùn)行和主保護(hù)配合形式，通常要設(shè)置保護(hù)定值、延時(shí)分段。在交流過電流保護(hù)中，測(cè)量換流變壓器閥側(cè)Y繞組、D繞組電流，主要是采集最大值和平均值，進(jìn)行差值對(duì)比。如果產(chǎn)生了控制故障問題或短時(shí)過載故障動(dòng)作，交流保護(hù)作為其他保護(hù)系統(tǒng)的備用保護(hù)，在相關(guān)保護(hù)裝置不動(dòng)作的前提下才會(huì)動(dòng)作，所以保護(hù)定值、動(dòng)作延遲較大。在逆變側(cè)，換流變橋側(cè)短路會(huì)提升交流電量，其余故障都不會(huì)產(chǎn)生交流過流故障。所以只在環(huán)流變橋短路故障且不動(dòng)作時(shí)，換流器才會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。3

換流器保護(hù)控制策略換流器保護(hù)控制主要分為單極故障保護(hù)控制和雙極故障保護(hù)控制。3.1

單極故障控制策略在保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到某個(gè)換流器產(chǎn)生了故障，此時(shí)向故障極發(fā)送緊急停運(yùn)信號(hào)，整流站接受到命令信號(hào)之后會(huì)立刻移相160°，此時(shí)整流器處于逆變工作狀態(tài)，直流電降到零，閉鎖換流器，將直流系統(tǒng)開關(guān)斷開，交流側(cè)開關(guān)跳開。通過站內(nèi)通信系統(tǒng)向剩余兩個(gè)極控制系統(tǒng)發(fā)送控制模式切換信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到雙極直流輸電形式。改變?nèi)珮O定電流控制整定值，保障整個(gè)系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。此時(shí)系統(tǒng)功率會(huì)有所下降，只有原來的3/4。由于此時(shí)會(huì)降低傳輸功率，不會(huì)產(chǎn)生功率過剩的情況，所以要同時(shí)切除數(shù)據(jù)濾波器，降低無(wú)功補(bǔ)償量，換流母線電壓可以控制在規(guī)定范圍內(nèi)。3.2

雙極故障控制策略如果系統(tǒng)中兩個(gè)極同時(shí)發(fā)生故障，則要緊急停運(yùn)兩個(gè)故障極。由于輸電系統(tǒng)沒有產(chǎn)生故障，為了能夠提升輸電線路利用率，可以將開關(guān)倒閘操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)成金屬回線形式。此時(shí)直流功率會(huì)大幅度降低，為原來的2/7左右。在直流保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到兩個(gè)極產(chǎn)生故障時(shí)，會(huì)緊急啟動(dòng)停運(yùn)功能，將故障雙極停運(yùn)；同時(shí)通過站間系統(tǒng)非故障極發(fā)送控制模式轉(zhuǎn)換信號(hào)，將電流控制整定值重新設(shè)定，確保整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行