1、.高壓直流輸電系統(tǒng)變頻站最終斷路器跳閘裝置配置原則劉云、王明新、曾南超(中國電力科學研究院，北京市海淀區(qū)100085 )信息來自：摘要：高壓直流輸電系統(tǒng)逆變站最后的斷路器跳閘裝置是非常重要的換流站直流系統(tǒng)控制設(shè)備，主要在直流系統(tǒng)運行時逆變站交流負載突然全部切斷，產(chǎn)生換流站交流側(cè)和其他部分過電壓，防止導致交流直流設(shè)備的絕緣破壞。 本文結(jié)合中國首項全面國產(chǎn)化高壓直流工程靈寶背對背直流網(wǎng)絡(luò)工程，分析了最后斷路器跳閘裝置的配置原則，優(yōu)化和完善工程系統(tǒng)的調(diào)整和實際該控制功能，總結(jié)最后斷路器跳閘裝置的設(shè)計原則和調(diào)整經(jīng)驗，這些經(jīng)驗也適用于其他高壓直流輸電系統(tǒng)關(guān)鍵詞：高壓直流輸電靈寶背對

2、背直流網(wǎng)絡(luò)工程斷路器繼電器保護電力系統(tǒng)0引言在高壓直流輸電系統(tǒng)1-6運行中，逆變站突然將交流線路全部切除，逆變站的交流側(cè)或其他部分的電壓就會異常高，威脅一次設(shè)備的安全7。 當逆變站突然切除所有的交流線路時，高壓直流輸電系統(tǒng)總是在逆變站上設(shè)置最后一個斷路器跳閘裝置，盡可能降低逆變站的過電壓振幅和持續(xù)時間，保護一次設(shè)備的安全8。 最后斷路器跳閘裝置不僅涉及多種交流線路保護、開關(guān)保護、穩(wěn)定裝置和直流控制保護系統(tǒng)等，還需要通信系統(tǒng)和一次設(shè)備合理配合，是高壓直流輸電二次系統(tǒng)中的一種復雜功能。 來自：配電設(shè)備網(wǎng)的信息我國第一個全面國產(chǎn)化直流網(wǎng)絡(luò)工程靈寶背對背直流網(wǎng)絡(luò)工程連接華中和西北兩個電網(wǎng)，正常運行時的

3、電力可以正送和逆送兩方，兩側(cè)的交流系統(tǒng)有可能是逆變器側(cè)系統(tǒng)，需要配置逆2系統(tǒng)變電站最后的斷路器跳閘裝置全面體現(xiàn)了最后的斷路器跳閘裝置的配置和運行特點9。1最終斷路器跳閘裝置的原理在高壓直流輸電系統(tǒng)運行中，如果逆變器站突然將交流線路全部切除，逆變器的電流都流向逆變器站內(nèi)的濾波器等無效補償裝置，逆變器站的交流側(cè)和其他部分的電壓異常上升，交流濾波器的母線電壓最高達到正常運行電壓的3倍左右10。 在這種情況下，直流線路上的電壓與交流電網(wǎng)的電壓上升成比例地增大，有可能破壞逆變器的反轉(zhuǎn)過程，使交流母線的電壓進一步上升。 而且，短時間過電壓經(jīng)常伴隨著嚴重的波形失真，威脅到換流站的設(shè)備絕緣。 如果不進行有效限

4、制，就必須提高直流輸電設(shè)備的設(shè)計標準，導致建設(shè)成本大幅增加11-13。高壓直流輸電系統(tǒng)逆變器站的最后的斷路器跳閘裝置是針對逆變器站突然切除所有交流線路的情況而設(shè)計的，其原理是將逆變器可能突然大幅減少的斷路器跳閘信息與逆變器的關(guān)閉和接通旁路對聯(lián)動，即， 在逆變器可能失去負載的交流斷路器斷開前進行逆變器接通旁路對，關(guān)閉觸發(fā)脈沖，停止直流系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，打開逆變器站的所有交流濾波器，斷開交流直流連接，由此盡可能減少逆變器側(cè)的過電壓振幅和持續(xù)時間，保護一次設(shè)備的安全最后斷路器跳閘裝置的主要判斷根據(jù)是，本地交流輸入線斷路器的跳閘命令及其狀態(tài)通信正常的話，遠處交流斷路器的跳閘命令和狀態(tài)信號也是主要的基準。 逆

5、變器站的控制系統(tǒng)監(jiān)視系統(tǒng)的運行方式，在逆變器側(cè)只有一條交流輸入線的情況下，控制系統(tǒng)發(fā)出“逆變器站只有一條交流輸入線”的信息，提醒駕駛員，打開最后的斷路器跳閘裝置。 此時，如果檢測到該交流輸入線斷路器的斷開，或者接收到切斷指令，最后斷路器跳閘裝置工作，動作順序啟動。 因為采用了斷路器切斷命令，所以在交流輸入線的最后的斷路器實際被切斷之前，發(fā)出了直流系統(tǒng)的緊急停止命令。 在因各種原因換流站沒有收到斷路器的狀態(tài)信號，遠處斷路器被切斷的情況下，該跳閘裝置的備用交流電壓保護檢測到過電壓電平，觸發(fā)緊急停止，可靠地切斷交流系統(tǒng)16-17。信息源：2靈寶背對背直流網(wǎng)絡(luò)工程中最

6、后斷路器跳閘裝置的配置情況2.1靈寶背對背直流工程概況西北-華中網(wǎng)靈寶背靠背直流工程雙向傳輸額定直流電力360 MW。 交流系統(tǒng)的電壓電平分別為華中側(cè)220 kV，西北側(cè)330 kV，直流系統(tǒng)的額定電壓為120 kV。 靈寶背對背換流站一次用220 kV靈紫線與華中電網(wǎng)側(cè)220 kV紫東變電站連接，線路長300 m。紫東變再次經(jīng)過2次220 kV交流線路與五鹽變電站連接1次330 kV羅靈線與西北電網(wǎng)側(cè)330 kV羅敷站連接，線路長約80 km。 靈寶換流站兩側(cè)的交流開關(guān)場都采用單母線布線，分別包括一次交流高壓線路、一次換流變壓器的輸入線、幾個無效設(shè)備(包括濾波器、并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器)，這

7、些設(shè)備通過單斷路器直接連接到各自的母線上。 靈寶背靠背換流站直流側(cè)主接線為單極設(shè)計，換流站有12個脈動換流器(華中、西北側(cè)各1個，其中6個脈動橋中點不接地)，兩側(cè)均采用單相三繞組換流。 靈寶背對背換流站主配線如圖1所示9。 作為華中-西北電網(wǎng)直流背靠背網(wǎng)絡(luò)工程的一部分，在與靈寶換流站相關(guān)的華中電網(wǎng)和西北電網(wǎng)8個工廠站設(shè)置了FWK-300分散安全自動裝置，用于地區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)多個工廠站的系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制。 各工廠站為高速數(shù)據(jù)光纖通信，可以根據(jù)控制戰(zhàn)略表向靈寶換流站發(fā)送下降電力、線路跳閘控制命令，或者啟動最后的斷路器跳閘裝置18-19。來自：的信息來自：配電設(shè)備網(wǎng)的信息2靈寶背靠

8、背直流工程中最后斷路器跳閘裝置的配置情況與其他換流站相比，靈寶換流站兩側(cè)只有一條交流入線，正常運行時，電力正送(從華中向西北)和逆送(從西北向華中)都是逆變器側(cè)最后的斷路器運行方式。 因此，靈寶換流站控制系統(tǒng)與其他換流站相比，不需要判斷最后的斷路器的運行方式。 下面結(jié)合靈寶背靠背工程分析直流輸電系統(tǒng)變頻站最后斷路器跳閘裝置的配置和設(shè)計原則。原則上，可能引起換流站最后交流入線停電的信息必須立即發(fā)送到控制系統(tǒng)，便于最后的斷路器跳閘裝置分析判斷，啟動適當?shù)男蛄小?最后，斷路器跳閘裝置不僅處理與換流站本站相關(guān)的信息，還處理交流保護跳閘信息、斷路器位置信息、安全穩(wěn)定裝置跳閘信息等對方交流站和安全穩(wěn)定裝置

9、的遠傳信息。 其中交流保護跳閘信息至少包括線路保護、母差保護、斷路器故障保護等20-21。靈寶換流站的電力正送和逆送的情況下，逆變器站最后的斷路器跳閘裝置的判斷有相似之處，但兩側(cè)的交流保護和穩(wěn)定裝置的通信路徑等存在若干差異，最后的斷路器跳閘裝置的特性也不同。 首先，分析電力反向輸送(從西北到華中)時的最后一個斷路器跳閘裝置。 圖2顯示了電力反向傳輸時最后一個斷路器跳閘裝置的配置。(1)電力反向傳輸時在靈寶換流站內(nèi)啟動220 kV側(cè)最終斷路器跳閘信號。 向靈寶換流站220 kV側(cè)母線供給的交流線路為靈紫線，靈紫線通過2202斷路器與靈寶換流站220 kV側(cè)母線連接。 電力反向傳輸時，330 kV

10、側(cè)為整流側(cè)，220 kV側(cè)為逆變器側(cè)。 在靈寶站內(nèi)保護下啟動的靈紫線跳閘信息和2202斷路器跳閘信息被直接發(fā)送至極控制系統(tǒng)，進行最后的斷路器跳閘裝置的控制條件判斷。 這些信息包括220 kV靈紫線線路保護跳閘穩(wěn)定裝置FWK-300啟動的靈紫外線線路跳閘母差保護和其他保護啟動斷路器的故障保護跳閘2202斷路器的分位數(shù)。 靈寶換流站220 kV母線保護和220 kV靈紫外線線路保護采用雙重化配置。 220 kV母線保護是將BP-2B和WMZ-41A系列保護裝置雙重配置的220 kV線路保護采用了RCS931和CSL103A線路保護雙重配置。 線路保護配置了光纖的縱差保護、零相方向過電流保護、零相電

11、流差保護、相間距離保護、接地保護等。(2)電力反向輸送時紫東變電站保護啟動靈寶換流站220 kV側(cè)最終斷路器跳閘信號。 電力反向傳輸時，220 kV靈紫線是靈寶換流站逆變器側(cè)唯一供電的交流線路。 在紫東變電所，有可能引起該交流線路停電的信息也要立即傳到靈寶換流所，在該線路的交流斷路器被切斷前，必須防止發(fā)生直流電力降低、直流系統(tǒng)被關(guān)閉、系統(tǒng)過電壓和交流斷路器切斷直流等不良情況。 信息源：在紫東變電站引起靈紫線停電的相關(guān)保護和斷路器的位置信息與靈寶換流站相似，但在紫東變電站沒有設(shè)置穩(wěn)定裝置(參照圖2 )，這些信息通過線路保護的通信路徑傳送到靈寶換流站。 紫東站交流保護和靈

12、紫線紫東側(cè)線路保護動作和斷路器的分位信息通過靈紫線線路保護通信線路被傳遞到靈寶換流站線路保護裝置。 這些信息通過靈寶站的線路保護處理后被送到極控制系統(tǒng)，成為最后斷路器跳閘裝置的判斷依據(jù)。(3)電力反向輸送時，五鹽站的穩(wěn)定裝置啟動靈寶換流站220 kV側(cè)的最后的斷路器跳閘信號。 五鹽站通過兩次五紫線向紫東站供電，這兩次線路同時停電的話，紫東站就會失去交流電源，靈寶換流站的逆變器側(cè)停電。 五鹽站設(shè)置了穩(wěn)定裝置，接收2次五紫線的跳閘和判斷停電的信息。 五鹽站的穩(wěn)定裝置通過穩(wěn)定裝置的通信路徑向靈寶轉(zhuǎn)流站發(fā)送該信息，在靈寶轉(zhuǎn)流站的穩(wěn)定裝置處理后，送至極控系統(tǒng)，作為最后的斷路器跳閘裝置的判斷依據(jù)。三靈寶換

13、流站最后斷路器跳閘裝置的改進和完善3.1縮短遠方跳閘信號的信道延遲，降低交流過電壓電力正送(從華中到西北)時，靈寶換流站220 kV側(cè)為整流側(cè)，330 kV側(cè)為逆變器側(cè)。 330 kV羅靈線通過3302斷路器與靈寶換流站330 kV側(cè)母線連接。 此時，羅靈線是向靈寶換流站逆變器側(cè)供電的唯一交流線。 330 kV母線保護是將BP-2B和WMZ-41A系列保護裝置雙重配置的330 kV線路保護采用RCS931和CSL101A線路保護雙重配置。330 kV側(cè)和220 kV側(cè)，遠方跳閘信號的傳輸路徑不同。 330 kV羅敷站的最后一個斷路器跳閘信號需要通過穩(wěn)定裝置的通信線路來傳送。 羅敷站的遠方跳閘信

14、號，首先作為開入量被輸入到羅敷側(cè)的穩(wěn)定裝置，經(jīng)過穩(wěn)定裝置的確認和判別，通過穩(wěn)定裝置的通信路徑，與穩(wěn)定裝置的其他信號一起被送至靈寶換流站，進行保護和控制判別。由于遠跳信號經(jīng)過的環(huán)節(jié)很多，很多判別條件增加了羅敷站的遠跳信號的延遲，靈寶站最后的斷路器跳閘裝置的動作延遲也相應(yīng)地變長，不利于及時關(guān)閉直流系統(tǒng)，降低系統(tǒng)過電壓。 在靈寶工程系統(tǒng)調(diào)整期間，在進行模擬啟動最后一個斷路器跳閘裝置的動作試驗項目時，在羅敷站模擬線路保護動作，啟動了靈寶站最后一個斷路器跳閘裝置。 從羅靈線羅敷側(cè)線路故障保護動作到靈寶站發(fā)出y閉鎖換流斷路器信號的時間間隔為55 ms，330 kV交流母線最大過電壓(有效值)達到了正常運轉(zhuǎn)

15、電壓的1.4倍(表1的第1項所示)。 分析結(jié)果認為，應(yīng)該在羅敷站進行電路改造。 根據(jù)當前的跳遠信號頻道，可以采用以下兩種改進措施來縮短羅敷站保護跳遠信號的延遲時間(1)如圖3所示，羅敷站保護的遠方跳閘信號通過壓板發(fā)送到穩(wěn)定裝置后，穩(wěn)定裝置判斷該開入量的時間約為20 ms，與制造商驗證，不影響信號判斷的正確性地將判斷時間縮短為10 ms。 來自：配電設(shè)備網(wǎng)的信息(2)如圖3所示，在現(xiàn)有的布線中，以羅靈線路保護跳閘和羅靈線路斷路器的位置信號串聯(lián)后(與信號相相)為基準被輸出，輸出保護跳閘信號的延遲變長。 經(jīng)過技術(shù)分析，信號輸出(即信號相或)反映了羅敷站的母性差、故障、線路(RCS-931、CSL-1

16、03B )的保護動作和斷路器的分位數(shù)，啟動最后的斷路器跳閘裝置的動作。信息源：來自：配電設(shè)備網(wǎng)的信息采用上述改善措施后，在現(xiàn)場進行了同樣的試驗，靈寶站交流母線過電壓明顯降低，下降到正常電壓的1.31倍，接收羅敷站保護信號的時間縮短到了26 ms。 但是，比較表1中的第2項和第3項，可以看出同樣地進行著在交流入線遠方故障試驗的情況下，為了保護遠方跳閘信號的傳輸過程的差異，330 kV側(cè)的最后的斷路器跳閘裝置的動作比220 kV側(cè)的動作慢。 由此可見，保護遠方跳閘信號的中繼鏈路和判別時間減少，采用專用通信路徑有利于提高最后的斷路器跳閘裝置的工作速度，降低逆變器側(cè)交

17、流母線的過電壓振幅和持續(xù)時間。3.2其他改進和完善措施3.2.1在靈寶換流站的線路保護中紫東站遠方跳閘信號處理的改善根據(jù)最后一個斷路器跳閘裝置的要求，接收到紫東站的遠方跳閘信號后，靈寶換流站必須將該信號直接發(fā)送至極控制系統(tǒng)，啟動最后一個斷路器跳閘裝置的跳閘序列。 在靈寶工程中，紫東站的交流線路在保護遠處的跳閘信號送往靈寶轉(zhuǎn)流站之前經(jīng)過紫東站的本地判別，需要在本地開始關(guān)閉，這與極控保護要求不符。 經(jīng)過分析，改善了保護的二次布線和設(shè)置，解除了靈紫線RCS931和CSL103A線路保護的“從遠跳自側(cè)啟動”結(jié)構(gòu)，如圖4中的兩門所示，變更為紫東站本地啟動時不關(guān)閉的遠傳功能。3.2.2靈寶換流站對極控制系

18、統(tǒng)的交流保護跳閘信號二次電路的改進信息源：靈寶換流站的交流保護(線路保護、母差保護、斷路器故障保護等)通過各電路中的跳閘鉗位，啟動對應(yīng)的斷路器的動作。 這些受保護的工作信息通過硬線纜被直接傳送給極控制系統(tǒng)，這是因為在這些受交流保護的壓板停止運轉(zhuǎn)時，這些交流保護不啟動相應(yīng)的斷路器的動作，而這些受保護的工作信息通過壓板被傳送給極控制系統(tǒng)，所以被極控制分析結(jié)果表明，與向極控制系統(tǒng)的交流保護跳閘信號對應(yīng)的二次電路被改造。 借鑒交流系統(tǒng)的二次電路設(shè)計原則，在將靈寶換流站的交流保護(如線路保護、母差保護和斷路器故障保護等)發(fā)送至極控制系統(tǒng)的二次電路中增設(shè)用于保護的退板，如圖4的LP2、LP4、LP7所示，修改了相應(yīng)的直流控制系統(tǒng)的軟件和硬件改良的極控制系統(tǒng)采用了通過這些保護臺板的跳閘信息。 這樣，當系統(tǒng)要求終止這些保護跳閘功能時，可以通過同時終止對極控制系統(tǒng)的信號按壓板，來使相應(yīng)的保護不會以極