±800 kV特高压直流输电工程保护闭锁策略分析

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(1.国家电网公司运行分公司宜宾管理处，四川 宜宾 644000；2.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

随着中国西部大开发和电力能源战略的推进，集中于四川金沙江、雅砻江流域的多条特高压直流输电工程已逐渐投运[1-4]。华东电网通过3条特高压直流从四川吸收电能高达2 160 MW。因此特高压直流已经成为“西电东送”重要的电力通道。

与交流系统类似，直流系统两端的换流阀组、直流输电线路以及接地极系统也会由于雷击、过压等原因造成故障[5，6〗。

直流输电系统在运行中发生故障，直流保护或控制系统启动的停运称为故障紧急停运。其操作要达到两个目的：一是迅速切除故障点的直流电流；二是断开交流断路器与交流系统隔离。当直流输电工程的一次系统出现故障时，必须以尽可能快的速度停运、隔离故障系统或设备，以保证系统和设备的安全。

然而当一次设备出现问题时，由于目前没有可以直接切断直流电流的断路器，因此只能通过直流控保系统对故障元件进行隔离，通过闭锁换流阀、投入旁通对等方式，将故障元件与正常系统进行隔离，使得故障电流降低为0。

首先对±800 kV特高压直流输电工程的控制保护系统在故障工况下的清除程序进行了介绍；并综述了特高压直流工程中常用X、Y、Z、S闭锁的适用范围及动作时序。其次，介绍了直流工程在两侧有无通信情况下的故障闭锁逻辑。现场试验录波验证了逻辑的正确性。

1 特高压直流工程故障隔离方法

1.1 特高压直流工程故障隔离一般措施

由于直流输电工程故障种类以及造成故障的原因很多，因此每种故障均会有自己特定的隔离方式。但一般来说，直流保护系统会利用如下一项或几项故障清除程序清除故障。

(1)切换到备用控制系统。

(2)移相并闭锁换流器。其中移相策略指的是改变换流阀的触发相位。当移相用于隔离故障时，通常是将整流器的触发角快速移动至90°以上(最终移至160°左右)，使两端换流器均处于逆变状态，这时直流系统中的能量(线路电感、电抗器、电容器等)将反送至交流系统，并阻止直流回路继续导通，因此直流电流将很快衰减。

(3)换流器功率瞬降。该方式多用于再启动保护，其控制策略为触发角先移相使换流器至逆变状态，当瞬降命令消失时，换流器触发角减小直至换流器恢复至正常运行状态。

(4)跳换流变交流侧断路器。

(5)启动断路器失灵保护。

(6)闭锁交流断路器。

(7)换流器功率回降(快速降低输送功率至系统稳定，用于系统过负荷)。

(8)极隔离。

(9)极平衡。

(10)重合方式转换断路器。

(11)合中性母线接地断路器(NBGS)。

1.2 旁通对投入在故障隔离中的作用

在故障隔离过程中，有时还会投入旁通对。旁通对的投入主要是隔离交流侧和直流侧。旁通对投入后与正常运行情况下对比，阀组的导通状态如图1所示。

图1 旁通对投入后与正常工作时对比

当旁通对投入时，相当于将直流回路短接，这时直流电流将无法进入换流变压器；此外如果发生阀内短路故障，投入旁通对可以将故障电流转移到旁通对上，从而保护设备。对于特高压工程，由于设计有高速旁路开关，直流保护的动作策略比常规直流复杂。是否投旁通对或是合上旁路开关，需视故障类型来决定。一般情况下本站故障的12 脉动换流器动作后需要移相时，对端站相应的极需要投旁通对来释放线路上的残余电荷，以避免重新恢复功率时出现过电压。

通常投旁通对的策略是:收到紧急停运命令后, 保持最后在导通状态阀的触发脉冲, 同时发出与其同一相的另一个阀的触发脉冲，并闭锁其他阀的触发脉冲。

对于部分特殊故障，由于投入旁通对时可能会造成故障电流过大，对避雷器等设备造成冲击，因此控制系统会发“禁止投旁通对”指令。

2 特高压直流工程4种闭锁类型

由于直流系统故障种类较为复杂，不同的故障类型会有不同的动作组合实现故障隔离，这不同的动作组合就形成了不同的闭锁类型。根据换流阀闭锁的时候是否投旁通对，可以把特高压直流保护闭锁分为4种，定义为X、Y、Z、S闭锁。

X闭锁——不投旁通对闭锁；

Y闭锁——条件投旁通对闭锁；

Z闭锁——投旁通对闭锁；

S闭锁——特殊条件闭锁。

上述4种闭锁具有如下4种特点。

(1)S、X、Z、Y闭锁，优先等级依次降低。例如：当有S闭锁在执行过程中时，X、Z、Y闭锁均不执行。

(2)对整流站而言，任何一种闭锁，如果是有最后一个阀组，或者是极闭锁，均会给换流阀下发移相指令。

(3)逆变站闭锁必需合上旁通开关，整流站非极闭锁或最后一个阀组闭锁会合上旁通开关，否则不合。但Z闭锁例外，均需合上旁通开关。

(4)如果投旁通对失败，延时100 ms后执行X闭锁(不投旁通对闭锁)。

以下将对4种类型的闭锁进行简要介绍。

2.1 S闭锁

S闭锁是在阀短路电流保护以及直流差动保护中使用的，它是特高压直流工程新增加的一种闭锁方式。由于阀短路保护较为特殊，逆变站阀短路保护采用S闭锁，整流站阀短路保护采用X闭锁。S闭锁的特殊之处在于整流站会延时30 ms闭锁触发脉冲。对于整流站、逆变站故障，S闭锁的动作逻辑如表1所示。

表1 直流两侧故障时S闭锁的动作逻辑

2.2 X闭锁

X闭锁通常用于阀故障，主要由阀短路所引发的保护下令触发。同时当触发电路出现正确选择的旁通对没有被投入的故障时，也会触发X闭锁。对于整流侧的运行，阀短路会导致一个大的初始短路电流流过此阀所在的三脉动阀组中一个正常的阀。为了将此过电流限制在一个阀上，故障检测必须足够迅速且换流器必须要在不投旁通对的情况下闭锁。对于逆变侧的运行，阀短路不会导致大的初始短路电流。因此，没有必要立即闭锁换流器。为了限制短路电流的幅值，换流器将移相，即换流器将保持在最小换相裕度角直至换流器闭锁。

对于整流站、逆变站故障，X闭锁的动作逻辑如表2所示。

表2 直流两侧故障时X闭锁的动作逻辑

2.3 Y闭锁

Y闭锁通常用于不会对设备施加严重压力的直流侧故障、交流侧故障和极手动闭锁。当控保系统下达Y闭锁指令时，若整流侧的直流电流在低压限流环节所决定的限值以下，整流侧将在不投旁通对的状态下闭锁。否则整流侧将通过投旁通对闭锁。在逆变侧，换流器通过直接投逆变器的旁通对闭锁，这点与Z闭锁类似。在整流侧，为了使电流在闭锁前熄灭，闭锁指令将被延迟。当对站保护动作后，通信正常的情况下，通常本站也执行Y闭锁。

对于整流站、逆变站故障，Y闭锁的动作逻辑如表3所示。

表3 直流两侧故障时Y闭锁的动作逻辑

2.4 Z闭锁

Z闭锁通常用于接地故障或直流侧的过电流故障，在换流变压器电气量保护与旁通开关故障保护中经常性使用。Z闭锁无论整流站还是逆变站，总是无条件地合上旁通断路器，而不判断整流站是否是最后一个发闭锁或是极闭锁。

对于整流站、逆变站故障，Z闭锁的动作逻辑如表4所示。

表4 直流两侧故障时Z闭锁的动作逻辑

2.5 试验算例

以±800 kV宾金直流调试试验时Z闭锁策略为例，说明特高压直流的闭锁逻辑策略。

图2 整流站模拟阀组快速过流保护动作时开关量录波图

该试验是利用控保系统软件置位的方式，模拟阀组快速过流保护动作。根据控制保护系统设计说明，在该故障情况下，系统的保护动作顺序如下。

(1)换流器Z闭锁；

(2)交流断路器跳闸；

(3)换流器隔离。

试验开始前，宾金直流双极运行，电流控制模式，双极电流控制指令为500 A。在阀组快速过流保护动作后，录波系统得到的部分模拟量信号以及开关量变位信号波形如图2所示。

由图2可知，当整流站模拟阀组快速过流保护动作时，保护值班系统(B系统)系统Z闭锁。阀组控制强制移相，同时投入了旁通对以及旁通断路器Q2。从模拟量录波中也可以看出，保护动作后触发角从15°左右移相至120°，同时直流电压以及功率随之下降至0左右，成功实现了故障隔离。

3 双端通信状况对直流闭锁的影响

3.1 双端不同通信状态下直流闭锁策略

正常情况下，特高压直流整流、逆变站之间均会有通信进行信息交换。因此，当某一侧换流站因为换流阀故障出现闭锁时，其闭锁信号会传递给对站。当某一侧换流站接受到对站的闭锁信号时，本站将自动进入正常Y闭锁逻辑。

然而，如果由于光纤故障等原因导致两侧换流站通信中断，当对站出现闭锁时，由于本站接收不到对站的闭锁信号，因此只能依靠自身保护进行闭锁。

当双端换流站通信中断时，若整流站出现闭锁，逆变侧会进入空载运行状态，当运行会持续一段时间后(西门子逻辑为60 s，ABB的逻辑为900 s)，自动闭锁。在逆变侧空载运行阶段，逆变侧的电压控制会自动将电压控制在允许范围之内。若逆变侧出现闭锁，由于逆变侧旁通开关的投入，对整流侧而言相当于线路短路故障。因此整流侧强制移相并重启一次后自动闭锁。

3.2 试验算例

同样以±800 kV宾金直流调试试验项目为例，说明特高压直流的闭锁逻辑策略。

该试验是在两侧通讯断掉的情况下，利用控保系统软件置位的方式，模拟逆变侧阀组快速过流保护动作。

试验开始前，宾金直流单机大地回线运行，电流控制模式，电流控制指令为500 A。在逆变侧阀组快速过流保护动作后，录波系统得到整流侧的部分模拟量信号波形如图3所示。

由图3可知，在无通信的情况下，当逆变站模拟阀组快速过流保护动作时，直流系统电流出现突增，然后整流侧触发角强制移相至120°。强制移相发生150 ms后，直流系统重启失败，整流侧闭锁。该逻辑与上述逻辑相同。

图3 逆变站模拟阀组快速过流保护动作时开关量录波图

4 结 论

详细阐述了±800 kV特高压直流输电工程的保护闭锁逻辑，并对两端换流站通信对闭锁的影响进行了分析，并通过调试试验波形得以验证。得到了以下结论。

(1)当直流系统出现故障时，直流保护系统采用切换备用控制系统、移相并闭锁换流器、换流器功率瞬降、跳换流变压器交流侧断路器、启动断路器失灵保护、闭锁交流断路器、换流器功率回降等策略对故障进行隔离。

(2)在故障隔离过程中，有时还会投入旁通对。旁通对的投入主要是隔离交流侧和直流侧。通常投旁通对的策略是:收到紧急停运命令后, 保持最后在导通状态的阀的触发脉冲, 同时发出与其同一相的另一个阀的触发脉冲，并闭锁其他阀的触发脉冲。

(3)根据换流阀闭锁的时候是否投旁通对，可以把特高压直流保护闭锁分为4种，定义为X、Y、Z、S闭锁。X闭锁为不投旁通对闭锁、Y闭锁为条

件闭锁；Z闭锁为投旁通对闭锁；S闭锁为特殊条件闭锁。

(4)当双端换流站通信中断时，若整流站出现闭锁，逆变侧会进入空载运行状态，当运行会持续一段时间后(西门子逻辑为60 s，ABB的逻辑为900 s)，自动闭锁。在逆变侧空载运行阶段，逆变侧的电压控制会自动将电压控制在允许范围之内。若逆变侧出现闭锁，由于逆变侧旁通开关的投入，对整流侧而言相当于线路短路故障。因此整流侧强制移相并重启一次后自动闭锁。

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