翁漢琍，李雪華，潘本仁，楊國穩(wěn)

（1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.國家電網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

HVDC（High Voltage Direct Current）換流站換流器橋差保護(hù)的任務(wù)是當(dāng)換流橋發(fā)生閥換相故障或觸發(fā)故障時(shí)，作為后備保護(hù)跳開網(wǎng)側(cè)斷路器來保護(hù)直流系統(tǒng)［1］。

近年來，換流橋發(fā)生閥換相故障或觸發(fā)故障時(shí)，橋差保護(hù)異常動(dòng)作的相關(guān)案例已多次報(bào)道。例如：貴廣線直流輸電工程在運(yùn)行中故障切除引發(fā)幾次橋差保護(hù)異常動(dòng)作［2］。而引起橋差保護(hù)異常動(dòng)作的原因尚不明確。

在橋差保護(hù)動(dòng)作性能分析方面，文獻(xiàn)［1］分析了站內(nèi)交流系統(tǒng)等故障造成換流站橋差保護(hù)異常動(dòng)作的問題；文獻(xiàn)［2］針對(duì)貴廣I回直流輸電工程在運(yùn)行過程中因勵(lì)磁涌流引發(fā)的幾次橋差保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行了事故分析；文獻(xiàn)［3］分析了換流站換流變空載合閘時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流使直流保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)的情況并提出了新的算法；文獻(xiàn)［4］針對(duì)HVDC單極—大地運(yùn)行情況下結(jié)合換流變直流偏磁給出了相應(yīng)的PSCAD／EMTDC模型；文獻(xiàn)［5］中提到雷電對(duì)直流輸電線路相關(guān)保護(hù)的影響。而關(guān)于直流系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行分析、研究和仿真［6-11］，但對(duì)換流站內(nèi)相關(guān)故障情況下橋差保護(hù)動(dòng)作情況進(jìn)行全面分析的文獻(xiàn)很少［12-13］?；诖?，筆者將考察換流站換流器橋差保護(hù)在不同故障點(diǎn)以及不同故障類型下的動(dòng)作情況，并著重分析橋差保護(hù)出現(xiàn)異常動(dòng)作的原因。

1 HVDC換流器橋差保護(hù)的保護(hù)機(jī)理

對(duì)于直流保護(hù)系統(tǒng)的后備保護(hù)，Y／Y，Y／△換流變換流側(cè)橋差保護(hù)的完整判據(jù)［1］分別為

式（1）、（2）中Iset為保護(hù)的動(dòng)作整定值；IacY是Y／Y換流變閥側(cè)三相電流最大值；IacD是Y／△換流變閥側(cè)三相電流最大值；其中

當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，取△橋和Y橋閥側(cè)交流電流按式（1）、（2）判據(jù)條件進(jìn)行判據(jù)，△IY或△ID大于整定值Iset，即滿足式（1）或（2）任意一式即可，且差值持續(xù)時(shí)間Δt＞200ms后［2］，滿足橋差保護(hù)動(dòng)作條件，跳開網(wǎng)側(cè)交流斷路器對(duì)換流站直流系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。但值得注意的是，交、直流保護(hù)必須進(jìn)行配合，交流保護(hù)系統(tǒng)未動(dòng)作則由直流保護(hù)系統(tǒng)及時(shí)將故障切除。作為直流保護(hù)系統(tǒng)后備保護(hù)換流器配置的橋差保護(hù)，其功能主要是在換流橋發(fā)生閥換相故障和觸發(fā)故障，且交流保護(hù)系統(tǒng)，直流主保護(hù)系統(tǒng)均未動(dòng)作情況下，由橋差保護(hù)動(dòng)作，跳開網(wǎng)側(cè)交流斷路器起到切除故障電流保護(hù)直流換流系統(tǒng)的安全。

2 換流站換流器橋差保護(hù)仿真模型

筆者對(duì)直流保護(hù)系統(tǒng)橋差保護(hù)動(dòng)作性能進(jìn)行仿真分析，通過PSCAD／EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，建立包括交流系統(tǒng)、換流變壓器、整流／逆變器、平波電抗器、交直流濾波器、直流輸電線路的HVDC輸電模型。采用CIGRE標(biāo)準(zhǔn)高壓直流輸電控制系統(tǒng)模型并進(jìn)行相應(yīng)修改，搭建出HVDC換流站12脈動(dòng)直流輸電系統(tǒng)模型，仿真高壓直流輸電系統(tǒng)在正常運(yùn)行及故障工況下?lián)Q流器橋差保護(hù)的情況。HVDC換流站橋差保護(hù)仿真模型如圖1所示；橋差保護(hù)的保護(hù)判據(jù)邏輯如圖2所示。

圖1 HVDC換流站橋差保護(hù)仿真模型Figure 1 Simulation model of bridge differential protection in HVDC converter station

圖2 HVDC換流站橋差保護(hù)判據(jù)邏輯Figure 2 Criterion logic diagram of bridge differential protection in HVDC converter station

基于上述模型，對(duì)區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障分別進(jìn)行仿真，其中，區(qū)內(nèi)故障為整流側(cè)換流變△橋閥側(cè)故障和整流側(cè)換流變Y橋閥側(cè)故障；區(qū)外故障為換流器直流母線高壓端接地短路故障和整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)故障。區(qū)內(nèi)整流側(cè)換流變△橋／Y橋閥側(cè)故障和區(qū)外整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)故障類型包含：單相接地故障（AG，BG，CG）、兩相相間接地故障（ABG，BCG，ACG）、兩相相間不接地故障（AB，BC，AC）、三相相間接地故障（ABCG）和三相不接地故障（ABC）。

3 換流器橋差保護(hù)動(dòng)作情況仿真及結(jié)果分析

仿真時(shí)長為0.6s，仿真過程中，故障發(fā)生在t=0.2s時(shí)刻。由于主要考察橋差保護(hù)作為后備保護(hù)的動(dòng)作可靠性，因此，仿真中加入永久性故障，以模擬故障未被主保護(hù)切除。

3.1 整流側(cè)換流變△橋閥側(cè)故障（區(qū)內(nèi)故障）

3.1.1 對(duì)于△橋閥側(cè)發(fā)生AG故障

如圖3所示，ΔIY或ΔID差值持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于200ms，橋差保護(hù)拒動(dòng)。分析拒動(dòng)原因：當(dāng)△橋發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流一部分通過接地點(diǎn)流入Y橋變壓器中性點(diǎn)后流入線路中，另一部分則從故障點(diǎn)流入△橋側(cè)變壓器的△環(huán)中。因此，△橋和Y橋的TA采樣值均為含有部分故障電流的值，當(dāng)電流最大值相差不大時(shí)，有可能使保護(hù)不動(dòng)作，從圖3可看出橋差保護(hù)拒動(dòng)（對(duì)于ABG，ABCG故障結(jié)果同AG，限于篇幅，不在此展開論述）。

圖3 AG故障發(fā)生在△橋閥側(cè)時(shí)的仿真結(jié)果Figure 3 The simulation results when AG fault occurs at the△bridge valve side

3.1.2 對(duì)于△橋閥側(cè)發(fā)生AB故障

如圖4所示，ΔIY＞Iset，ΔID=0，較大值持續(xù)時(shí)間Δt＞200ms，橋差保護(hù)正確動(dòng)作。分析動(dòng)作原因：發(fā)生在△橋閥側(cè)的相間不接地故障時(shí)，TA的采樣值是故障點(diǎn)前靠近換流變的電流值，而Y橋閥側(cè)TA的采樣值是通過換流器流經(jīng)Y橋接地點(diǎn)的故障電流值，△橋和Y橋TA采樣電流值不相同，故橋差保護(hù)正確動(dòng)作。

圖4 AB故障發(fā)生在△橋閥側(cè)的仿真結(jié)果Figure 4 The simulation results when AB fault occurs at the△bridge valve side

3.2 整流側(cè)換流變Y橋閥側(cè)故障（區(qū)內(nèi)故障）

3.2.1 對(duì)于Y橋閥側(cè)發(fā)生AG故障

如圖5所示，ΔIY=0，ΔID＞Iset，較大值持續(xù)時(shí)間Δt＞200ms，橋差保護(hù)正確動(dòng)作。分析動(dòng)作原因：發(fā)生在Y橋閥側(cè)的相間接地故障時(shí)，TA的采樣值是故障點(diǎn)流經(jīng)Y／Y換流變接地點(diǎn)的電流值，而△橋閥側(cè)TA的采樣值是不含故障電流的電流值，△橋和Y橋TA采樣電流值不同，故橋差保護(hù)正確動(dòng)作（ABG，ABCG故障同AG故障）。

圖5 AG故障發(fā)生在Y橋閥側(cè)仿真結(jié)果Figure 5 The simulation results when AG fault occurs in the Y bridge valve side

3.2.2 對(duì)于Y橋閥側(cè)發(fā)生AB故障

如圖6所示，ΔIY=0，ΔID＞Iset，較大值持續(xù)時(shí)間Δt＞200ms，橋差保護(hù)正確動(dòng)作。分析動(dòng)作原因：發(fā)生在Y橋閥側(cè)TA后的相間不接地故障時(shí)，TA的采樣值是兩故障相流經(jīng)TA到Y(jié)／Y接地變壓器構(gòu)成回路的電流值，而△橋閥側(cè)TA的采樣值是沒有故障電流的電流值，所以△橋和Y橋TA采樣電流值不相同，故橋差保護(hù)正確動(dòng)作。

圖6 AB故障發(fā)生在Y橋閥側(cè)仿真結(jié)果Figure 6 The simulation results when AB fault occurs at the Y bridge valve side

3.3 換流器直流母線高壓端接地短路故障（區(qū)外故障）

在換流器直流母線高壓端加入接地故障，仿真結(jié)果如圖7所示，可知發(fā)生換流器直流母線高壓端接地短路故障時(shí)，ΔIY＜Iset，ΔID＜Iset，較大值持續(xù)時(shí)間Δt＜200ms，橋差保護(hù)不動(dòng)作，動(dòng)作情況反應(yīng)正確。

3.4 整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)故障（區(qū)外故障）

對(duì)于整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)母線發(fā)生AG故障，仿真結(jié)果如圖8所示，可知區(qū)外故障的整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)故障時(shí)，ΔIY＜Iset，ΔID＜Iset，較大值持續(xù)時(shí)間Δt＜200ms，故橋差保護(hù)不動(dòng)作，動(dòng)作情況反應(yīng)正確。AG，AB，ABG，ABCG故障時(shí)，換流器橋差保護(hù)均不動(dòng)作，動(dòng)作情況反應(yīng)正確（AB，ABG，ABCG故障結(jié)果同AG故障）。

圖7 直流母線高壓端接地短路故障仿真結(jié)果Figure 7 The simulation results when grounding fault occurs at the DC bus side

圖8 整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)發(fā)生AG故障仿真結(jié)果Figure 8 The simulation results when AG fault occurs at the network side of rectifier

4 結(jié)語

經(jīng)過大量的仿真和分析，可知：

1）△橋、Y橋閥側(cè)電流互感器采樣值要存在故障電流差值，橋差保護(hù)才能正確動(dòng)作；若故障電流同時(shí)流入或同時(shí)不流入△橋、Y橋TA，即TA采樣值無差值或差值小于整定值，且故障持續(xù)時(shí)間未達(dá)到200ms，則橋差保護(hù)將不會(huì)動(dòng)作，因此△橋閥側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，橋差保護(hù)拒動(dòng)。

2）對(duì)于區(qū)外故障的換流器直流母線高壓端接地短路故障以及整流側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)故障，換流器橋差保護(hù)均能可靠不動(dòng)作，對(duì)故障情況反應(yīng)正確。

3）根據(jù)相關(guān)報(bào)道［2，14］，換流變空載合閘產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流導(dǎo)致Y／△變壓器二次側(cè)△環(huán)中存在含有很大非周期分量的大零序環(huán)流，造成TA飽和，產(chǎn)生虛假差流，可能導(dǎo)致橋差保護(hù)誤動(dòng)。結(jié)合該文仿真分析結(jié)果，目前換流器橋差保護(hù)同時(shí)存在拒動(dòng)和誤動(dòng)的可能，現(xiàn)階段的橋差保護(hù)判據(jù)還不夠完善，其動(dòng)作性能提升的空間，有待進(jìn)一步的研究。

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