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高压直流输电系统控制与保护原理华南理工大学电力学院李晓华2008.2.25~3.5高压直流输电保护高压直流系统的故障分析高压直流系统的保护配置电力系统故障电力系统运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态各种形式短路是最危险和最常见的很大短路电流和电弧，使故障元件损坏；短路电流引起非故障元件损坏或缩短寿命；部分地区电压降低，影响用户；对系统稳定性造成影响不正常运行状态：电气元件正常工作遭破坏，但没有发生故障。过负荷，最常见的不正常运行状态频率降低系统振荡电力系统保护故障发生，必须迅速消除故障——保护电力系统保护是利用故障发生时电力系统的异常电压与电流等信息，判断故障的存在与否，然后再采用相应的保护动作策略，完成隔离故障区域的重要使命。保护装置的原理结构测量部分逻辑部分执行部分整定值输入信号输出信号电力系统保护的要求选择性仅将故障元件切除，使停电范围尽量小后备保护：远后备、近后备速动性尽量快速消除故障，减轻对设备及系统的损害灵敏性检测出保护范围内的所有故障保护原理、配置、整定可靠性可靠度——不拒动安全度——不误动保护装置本身的质量和运行维护水平1f2f3f215634电力系统保护的基本思路被保护对象故障分析获取故障特征电流增大、电压降低、测量阻抗减少不同故障特征构成不同保护判据、原理电流增大Æ过电流保护电压降低Æ低电压保护测量阻抗降低Æ距离保护被保护对象的特点、要求确定保护动作策略直流系统的故障类型直流系统中任何一个部分发生故障或者异常状态，都会影响整个直流输电系统运行的可靠性和有关设备的安全。故障异常直流系统的故障类型故障换流器故障直流开关场与接地极故障换流站交流侧故障直流线路故障异常次同步振荡AC故障对直流系统的扰动直流控制系统误动对直流系统的扰动换流器故障主回路故障控制系统故障阀短路换相失败直流侧出口短路交流侧相间短路交流侧接地短路直流侧对地短路误开通不开通直流开关场与接地极故障直流极母线故障中性母线故障直流滤波器故障转换开关故障接地极及引线故障换流站交流侧故障换流变故障交流侧三相短路交流侧单相短路交流滤波器故障站用电系统故障直流线路故障雷击对地闪络高阻接地与交流线路碰线断线直流系统保护目的检知故障隔离故障设备，恢复其余系统的运行减小对系统的干扰减小对受影响设备的损坏减小对人员安全的危险直流系统保护设计原则在直流系统各种运行方式下，对全部运行设备都能提供完全的保护。每一保护区域具备充分冗余度。不误动或拒动后备保护尽可能采用不同的检测原理相邻保护区有重叠部分，保证无保护死区。分区保护保护区搭接（无保护死区）各保护之间配合协调，并能正确反应故障区域。尽量少切除设备（避免一极故障切双极）与直流控制系统能密切配合。控制系统故障不引起保护跳闸直流输电保护配置原则按保护所针对的情况，配置的保护分以下几类：第一类：针对故障的保护，如阀短路保护、极母线保护等。第二类：针对过应力的保护，如过压、过载。第三类：针对器件损坏的保护，如电容器不平衡保护、转换开关保护。第四类：其它，如功率振荡等。直流输电保护配置原则针对不同类型的保护，采用不同的配置原则，来满足保护的安全性对于第一类保护，其保护区应尽量配置两种不同原理的保护，互为后备。双套配置后，正常运行时保护区内存在双套主保护、双套后备保护。对于第二、三、四类保护，至少配置一种原理的保护。双套配置后，正常运行时保护区内至少存在双套保护。直流输电保护动作策略报警与启动录波控制系统切换强迫移相投旁通对自动再启动极隔离跳交流开关起动失灵保护禁止升/降分接头直流保护动作策略告警和启动录波使用灯光、音响等，提醒运行人员自动启动故障录波和事件记录，便于故障分析控制系统切换利用冗余的控制系统，通过系统切换排除控制系统设备故障的影响。直流保护动作策略紧急移相将触发角迅速增加导90°以上，将换流器从整流状态变成逆变状态，从而保证能快速熄灭线路上的电流投旁通对同时触发6脉动换流器接在交流同一相上的一对换流阀形成直流侧短路，快速降低直流电压到零，隔离交直流回路，以便交流侧断路器快速跳闸直流保护动作策略闭锁换流器取消可控硅的控制脉冲，当流过换流阀的电流为零时，阀停止导通。极隔离把直流母线与直流线路隔离以及把换流器中性线与接地极线隔离不影响另一极正常运行，便于停运极直流设备检修直流保护动作策略跳开交流侧断路器断开换流变压器的交流侧电源。可以隔离交流系统向换流变阀侧提供电源，同时消除阀上的交流电压，以防止阀承受不必要的过应力。直流系统再启动整流器控制角迅速增大到120°，变为逆变运行，快速释放直流系统储能；一定延时后，短路弧道去游离，整流器触发角按一定速率减小，恢复运行。直流保护动作策略起动ESOF（紧急停运）顺序控制整流侧：跳CB，同时FR，BLOCK；向逆变侧发BLOCK信号逆变侧：跳CB，同时BPP，BLOCK；向整流侧发BLOCK信号直流输电保护的分区根据被保护对象和区域的需要，在一次系统中设置了测量点同时也划分了被保护的区域直流输电保护的分区换流变压器保护区交流滤波器及并联电容器保护区交流母线保护区交流出线保护区直流保护区直流输电保护的分区根据被保护对象和区域的需要，在一次系统中设置了测量点同时也划分了被保护的区域直流输电保护的分区划分的区域依次为：1.Y侧换流阀区2.D侧换流阀区3.极母线区4.极中性母线区5.直流滤波器区6.直流线路区7.双极中性母线连接区8.接地极线区9.金属回线连接线区10.金属回线区直流输电保护的分区YYYY直流输电保护的分区YYYY换流器保护区电流差动触发保护过电流电压保护本体保护直流线路保护区直流线路行波保护微分欠压保护直流线路纵差保护再启动逻辑直流欠电压保护功率反向保护直流谐波保护线路开路试验监测直流线路故障保护组直流系统保护组直流开关场与中性母线保护区直流极母线差动保护直流中性母线差动保护直流极差保护电抗器过负荷保护电容器不平衡保护直流滤波器差动保护直流开关场电流差动保护组直流滤波器保护组平波电抗器保护组接地极引线与接地极保护区双极中性线保护组转换开关保护组金属回线保护组接地极引线保护组交流开关场保护区换流变差动保护组换流变过应力保护组换流变不平衡保护组换流变本体保护组交流开关场和交流滤波器保护组换流变压器保护换流变压器与常规变压器相比，其特点是流过绕组中的电流含有较大的谐波成分。对于换流变压器内部短路等严重故障，在跳开相应断路器之前，应快速停运直流系统。而对于油温过高等情况，则应区别情况，进行报警或延时发出跳闸信号及停运直流系统信号。换流变压器保护具有谐波制动的快速差动保护电流速断及带时限过流保护中性点接地过流及中性点接地的星型绕组非金属性接地故障继电器轻瓦斯和重瓦斯继电器油温检测绕组温度检测铁芯饱和检测变压器抽头保护变压器励磁涌流大容量变压器在稳态时的空载励磁电流不超过额定电流的1～2％，但是当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，由于铁心的饱和作用，其励磁电流的瞬时值可超过稳态空载电流的几百倍，即会出现涌流。励磁涌流的波形跟空载合闸的时刻以及变压器的剩磁都有很大的关系。直流偏磁下的变压器励磁电流交流滤波器及并联电容器保护各交流滤波器及并联电容器分组的每一元件都应当得到适当保护，使其不被过电压、过电流或过负载所损坏。对于电容器组或电容器元件故障及接地故障也应进行保护。发生在交流滤波器或电容器分组中的接地故障可考虑用差动、电流速断进行保护，过负载用带时限过流予以保护，而电容器故障则可用不平衡保护。对于双调谐滤波器,还应装设谐波过电流保护。交流滤波器及并联电容器保护在交流滤波器分组中发生过负载、接地故障或电容器故障引起的保护跳闸，只应跳开此分组的断路器，而过压保护动作则应跳开整组以及各分组的断路器。由于在交流滤波器中及在并联电容器组中都有大量的电容器单元，少量的电容器单元故障对滤波器特性的影响不大，往往并不需要立即切除相关的滤波器分组，而可以根据损坏的电容器单元数的多少，采取不同的保护措施。交流滤波器及并联电容器保护交流滤波器分为ST型交流滤波器（SHUNTC）、DT型交流滤波器（双调谐滤波器）和TT型交流滤波器（三调谐滤波器）三种。交流滤波器及并联电容器保护差动保护反时限过电流保护过流保护电容器过压保护电容器不平衡保护反时限过流保护C1电容器不平衡保护过流保护C2电容器不平衡保护电容器过负荷保护差动保护报警跳闸交流滤波器及并联电容器保护第一段最高电压应力不超过连续额定应力动作只发出报警信号，故障分组能继续运行第二段最高电压应力不超过运行两小时所允许的应力与过负载保护相配合立即报警，且两小时后跳开故障分组第三段避免电容器元件雪崩损坏最高电压应力不超过两倍连续额定应力立即切除该分组交流母线保护母线差动保护交流过压保护当交流过电压不能被主要过压限制措施限制在规定的幅值和持续时间范围内时，应切除交流滤波器。不是限制过电压的主要手段，到后备作用交流出线保护换流站交流进线也应在保护范围之内，其保护类型和定值都必须与交流系统保护相配合。差动保护阻抗保护过流保护…极控保护在极控中，也有保护模块，也能够启动闭锁顺序（BLOCK）和紧急切除顺序（ESOF）。极控中的保护是直流系统中系统级的保护，也是直流保护的附加后备保护。与直流保护的跳闸出口，是“或”的逻辑关系，它能够与对侧换流站的极控交换信息并启动BLOCK顺序、ESOF顺序。极控保护极控中的保护动作后，如果发出BLOCK顺序请求和ESOF换流器请求，则由极控中的其它模块实现；如果发出紧急跳开交流断路器，则由输出模块通过硬接线，送向直流保护，再由直流保护送向换流变保护来完成。开路实验保护开路OLT实验期间，如果直流线路电流过大，超过了测量误差，表明有故障存在，此时开路试验保护动作，闭锁极。触发角过大保护保护区域是整个换流器，特别是换流阀的阻尼回路。直流正常运行时，触发角不会低于120°（逆变侧），也不会高于60°（整流侧），当触发角在60°～120°内持续变化时，保护动作，闭锁极。直流零流保护只设在逆变侧。在通信系统故障时，如果整流器已经闭锁，则要求逆变器闭锁，此时，逆变侧直流零电流保护检测到直流电流过小，则动作出口，启动逆变侧的BLOCK顺序。交流过电压保护如果交流系统过电压，而无法通过切除交流滤波器和并联电容器来降低，则本保护动作。判据1：通过检测本站交流系统电压Uac来确定；判据2：同时判断本站交流系统电压峰值和逆变侧交流系统情况。出口方式为ESOF，跳交流开关。交流低电压保护主要作为交流侧的后备保护。本保护的保护范围不仅是换流器，还包括整个直流系统，严格来说是一种系统后备保护。当交流系统的电压过低，以至无法恢复交流系统时，本保护动作出口，启动ESOF顺序，跳交流开关。直流低电压保护保护区域是换流器在通信系统故障或者在相关主保护拒动时，若逆变器的旁通对投入，或者换流器的高压侧、中性点发生接地故障时，该保护动作出口，启动ESOF顺序。因此该保护也叫后备远方站故障检测保护。当极处于闭锁状态、或潮流反转的过程中、或其它保护动作而产生强制移相时，会自动闭锁直流低电压保护。