直流输电系统的保护[1]

直流输电系统保护配置中国电力科学研究院系统所直流输电研究室王明新直流输电工程的保护系统一、直流保护的配置原则和特点二、直流保护的功能配置三、直流保护工程实例一、直流保护的配置原则和特点（一）配置原则（二）直流保护的特点（三）直流系统保护的动作策略(四)直流系统PT、CT（一）配置原则1.可靠性2.灵敏性3.选择性4.快速性5.可控性6.安全性7.可修性可靠性保护装置完全冗余或三取二配置，每套冗余配置的保护完全一样，有自己独立的硬件设备，包括专用电源、主机、输入、输出电路和直流保护全部功能软件，避免保护装置本身故障，引起主设备或系统停运。每个可以独立运行的换流系统（例如：极）的所有保护功能集中放置在本极的保护装置中，采用集中冗余配置。双极部分的保护功能也应配置在每个极保护装置中，并有自己的测量回路。随着微机技术的发展，直流系统的一些主设备保护逐渐演变成在一定区域集中配置。灵敏性保护的配置应该能够检测到所有可能的，致使直流系统及设备处于危险情况的，以及对于系统运行来说不可以接受的故障和异常运行情况；直流保护采用分区重叠，没有遗漏，每一区域或设备至少采用相同原理的双主双备保护或不同原理的一主一备保护配置。选择性直流系统保护分区配置，每个区域或设备至少有一个选择性强的主保护，便于故障识别；可以根据需要退出和投入部分保护功能，而不影响系统安全运行；单极部分的故障引起保护动作，不应造成双极停运；仅在站内直接接地双极运行方式时，某一极故障才必须停运双极，以避免较大的电流流过站接地网；任何区域或设备发生故障，直流保护系统中仅最先动作的保护功能作用；本极的关于极或双极部分的保护无权停运另外的极；保护尽量不依赖于两端换流站之间的通信，必须采取措施以避免一端换流器故障时引起另一端换流器的保护动作。快速性充分利用直流输电控制系统，以尽可能快的速度停运、隔离故障系统或设备，保证系统和设备安全；措施包括紧急移相、投旁通对、封锁触发脉冲、跳交、直流侧开关等。可控性通过控制系统控制故障电压、电流等运行参量的方法减轻各种故障对设备的危害程度。安全性保护应既不能拒动，也不能误动；为了保证设备和人身的安全，在不能兼顾防止保护误动和拒动时，保护及跳闸回路的配置宁可误动也不拒动；跳闸回路应为独立的双跳闸线圈、双操作电源。可修性各种直流保护功能的参数便于修改；保护的配置应该考虑到装置试验和维护时不会影响到被保护的系统运行。（二）直流保护的特点1．微机化2．与直流控制系统的关系密切3.多重冗余配置1．微机化1）集成度高：可以将单独运行的换流系统内，所有能引起该系统停运的设备故障保护集中在一套保护系统中，有关高一级的极或双极的保护功能也都尽可能集中在这个基本的保护系统中。2）判断准确：便于输入信号处理、定量计算、判据设定、延时选择和冗余配置；因此，提高了保护动作的准确性和系统的可靠性，便于故障分析处理。3）便于修改：各种功能可以通过软件功能和参数的修改进行修正，方便地投入或退出。4）经济性好：由于保护功能集中，可以节省保护硬件投资；通过软件修改，提高和完善保护功能，也节省了技改经费；同时系统可靠性提高也带来一定经济效益。2．与直流控制系统的关系密切由于直流系统的控制是通过改变换流器的触发角实现的；直流保护动作的主要措施也是通过触发角变化和闭锁触发脉冲完成的；直流系统的控制与保护功能关系密切；直流控制和保护的配合，既能快速抑制故障的发展，迅速切除故障，又能在故障消除后迅速恢复直流系统的正常运行。3.多重冗余配置直流系统的保护基本属于系统保护，它包括换流器、直流开关场、中性母线、直流线路及交流开关场保护等不同保护区域的保护功能。直流输电系统为了防止直流保护装置本身的故障，造成运行可靠性降低，直流保护装置采用了冗余配置。直流保护的冗余用于提高保护装置本身的可靠性，最终达到提高整个系统可靠性的目的。三套硬件和电源独立的，功能完全相同的保护通道，输出采用“三选二”方式（即：两两之间先“与”，三个输出再“或”），可以避免任何一套保护装置本身故障造成的保护设备误动和拒动。（三）直流系统保护的动作策略1.告警和启动录波2.控制系统切换3.紧急移相4.投旁通对5.闭锁触发脉冲6.极隔离7.跳交流侧开关8.直流系统再起动(四)直流系统PT、CT1.两端换流站直流场设备测点和测量装置配置2.两端换流站换流变3.交流滤波器测点和测量装置配置直流系统PT、CT类型1.直流电流零磁通CT，电流的采集是通过零磁通CT的一组二次线圈和位于直流测量盘的放大器共同完成的，最终形成0-2V直流电压输出。光CT，地电位将电源转换为光信号，通过光纤给高电位电路供电；电路将电流相关的电压转为数字信号，再变成光信号送到地电位。直流系统PT、CT类型2.直流电压采集采用电容式分压器原理，直接送入直流测量盘。直流输电系统直流场设备测点配置图直流场测量装置配置（1）直流出线CT，采集IdYL，OSKFG500（2）直流分压器，采集Vdtognd1（3）中性线CT，采集IdDL（4）直流分压器,采集Vee（5）接地极引线CT，采集Iee1（6）直流高压极线CT，采集IdYC（7）直流低压极线CT，采集IdDC（8）直流滤波器测点配置换流变测点和测量装置配置换流变测点和测量装置配置(1)换流变网侧CT，6个二次线圈(2)换流变网侧靠近中性点的CT，1个二次线圈(3)换流变阀侧Y绕组CT，4个二次线圈(4)换流变阀侧D绕组CT，4个二次线圈(5)换流变末屏VT(6)换流变支路PT，采集Ua,b,c交流滤波器测点和测量装置配置二、直流保护的功能配置直流系统保护采取分区配置，通常将直流侧保护、交流侧保护和直流线路保护三大类，分为6个保护分区：①换流器保护区，包括换流器及其连线和控制保护等辅助设备；②直流开关场保护区，包括平波电抗器和直流滤波器，及其相关的设备和连线；③中性母线保护区，包括单极中性母线和双极中性母线；④接地极引线和接地极保护区；⑤换流站交流开关场保护区，包括换流变压器及其阀侧连线、交流滤波器和并联电容器及其连线、换流母线；⑥直流线路保护区。（一）换流器保护区本区域主要包括：在阀厅交、直流穿墙套管之内，换流器各种设备故障的电流差动保护、过流保护以及换流器触发保护和本体保护等:电流差动保护组•过流保护组•触发保护组•电压保护组•本体保护组电流差动保护组(1)阀短路保护保护目的:保护晶闸管换流器，免受故障造成的过应力。工作原理:利用阀短路、换流器交流侧相间短路或阀厅直流端出线间短路时，换流器交流侧电流大于直流侧电流的故障现象作为保护的判据。动作策略:快速地检测故障并且不投旁通对，立即闭锁换流器。（2）换相失败保护保护目的:减少因交流电网扰动和其它异常换相条件造成的逆变器换相失败次数；保证直流系统设备的安全。工作原理:根据交流侧电流大幅度降低，同时直流侧电流大幅度增加的故障特征。动作策略:控制系统切换，并且不投旁通对，延时闭锁换流器。（3）换流器差动保护保护目的:检测换流器保护范围内的接地故障。工作原理:直流中性端穿墙套管和极线端穿墙套管上的直流电流互感器的电流差值。动作策略:闭锁换流器，跳开交流断路器，进行极隔离。过流保护组（1）直流过流保护保护目的：防止造成换流设备尤其是晶闸管阀过电流损坏。工作原理：测量换流器直流侧电流的最大值，当发生故障电流超过给定值时，闭锁换流器。动作策略:闭锁换流器，跳开交流断路器，进行极隔离。（2）交流过流保护此保护与直流过流保护不同的仅是监测量为换流器交流侧电流。触发保护组阀触发异常保护保护目的：检测发出控制脉冲后换流阀是否导通，检测意外的阀触发，防止被选为旁通对的阀不能导通，检测旁通对阀的意外导通。工作原理：换流器的触发系统按要求的导通间隔，向每个阀发送触发脉冲，比较触发脉冲与返回的触发信息，检测阀是否发生故障。这样，阀在触发脉冲间隔之外触发（误触发）或在间隔之内不能触发（丢失脉冲）都能检测到。动作策略:先切换到冗余控制系统，如果故障仍然存在，则闭锁换流器。电压保护组(1)电压应力保护保护目的：通过联锁换流变压器分接开关，避免交流电压对所有换流设备产生过高的电气应力，避免阀避雷器过应力以及换流变过励磁。工作原理：采用交流换流母线电压、分接开关位置来计算理想空载直流电压Udi0，当电压值超过预设的整定值时，保护动作。动作策略：Udi0高于一定值，立即禁止进一步增大Udi0方向的分接开关动作；Udi0高于一个更高的定值，将使分接开关向降低Udi0方向动作；切换到冗余的控制系统。对于再高的Udi0，则闭锁换流器，跳开换流变压器交流侧开关。(2)直流过电压保护保护目的：防止所有由于分接开关不正常运行或不正常的换流器开路运行。工作原理：通过测量直流电压，结合直流电流、触发角来防止直流线路过电压。动作策略：闭锁换流器，跳开换流变压器交流侧开关。换流器本体保护组(1)晶闸管监测：当一个阀内的晶闸管故障数目达到预先整定的数量时，给出报警。当换流器充电、且任何一个阀内晶闸管故障的数目超过整定值时，需跳开换流变压器交流断路器。其工作原理是每个阀的阀控单元可以检测每个晶闸管在一定时间内是否加上了电压。当晶闸管加上电压时，将通过光纤将一个指示脉冲传到阀控，说明此晶闸管是正常的，否则就是损坏了。(2)大触发角监视：检查和限制主回路设备在大触发角运行时所受的应力。用大角度监测功能，计算因特殊要求增加触发角和关断角时，在主回路设备上增加的应力。大角度保护根据阀阻尼电路、阀避雷器和阀内电抗器的理论模型计算换流器最大允许的功率损耗。当大角度运行时，如果超过晶闸管的功率损耗限制值，同时具有较高的Udi0，大角度监测将在一定延时后，向分接开关发出降低Udi0的指令，并给出告警信号。若晶闸管阀上的应力进一步增加，大角度监测在一定延时后闭锁换流器。（二）直流线路保护区1.直流线路故障保护组2.直流系统保护组1.直流线路故障保护组(1)直流线路行波保护：直流线路故障的主保护，其目的是检测直流线路上的接地故障；故障的恢复策略见下面再起动逻辑。（2）微分欠压保护：直流线路故障的后备保护，保护的目的和动作策略与行波相同。（3）直流线路纵差保护：保护的目的是检测直流线路上的行波和微分欠压保护不能检测到的高阻接地故障。保护的工作原理是，测量并比较两站的极线电流，对测量电流可能出现的时间差应进行延时补偿；故障的恢复策略见下面再起动逻辑。（4）再起动逻辑：在行波、微分欠压、纵差等直流线路保护动作后，执行故障清除程序，进行再起动尝试的功能。当检测到故障时，向电流调节器发出“暂停”指令，并立即将触发角增大到90度以上，使整流器进入逆变运行，整流站和逆变站都使直流线路放电，直流电流很快降到零，在一定的去游离时间之后，进行再起动尝试。如果故障已经清除，再起动逻辑将监测直流电压的建立，恢复传输功率。如果直流电压不能建立，说明故障依然存在，再起动不成功，重新进行移相、降电流的去游离过程。再启动的次数是根据系统研究预先定好的。在绝缘出现问题时(如：绝缘子污染)，为维持电压应力在较低水平，可采取降压再起动。当最后一次再起动不成功时，将闭锁换流器，停运直流系统。2.直流系统保护组（1）直流欠电压保护:直流系统的后备保护；保护通过测量直流电压或直流电流，并结合触发角α，检测直流线路上的低电压故障。（2）线路开路试验监测：检测线路开路试验期间，本站直流场和直流线路的接地故障；工作原理是：如果直流电流超过一预先设置值或者直流电压没有按预期地上升，表明有接地故障发生。当交流侧电流过大时，保护也会动作。保护动作闭锁换流器。（3）功率反向保护：检测控制系统故障造成的功率反向，功率反向的判据是，在没有功率反向指令的条件下，如果线路电压在一定时间(如0.5秒)内极性改变并且超过设定的值，保护动作闭锁该极。（4）直流谐波保护：检测由于交直流线路碰线、阀故障、交流系统故障和控制设备缺陷等；工作原理是，从直流电流中滤出基波和二次谐波，当谐波电流超过预定值一段时间后，保护动作；当谐波电流较小时，在一定延时后报警；当谐波电流