盧亞軍，蒲瑩，馬玉龍，宋勝利，呂鵬飛

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209；2.國家電網(wǎng)公司，北京市 100031； 3.國家電力調(diào)度控制中心，北京市 100031)

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防止特高壓直流工程單雙極閉鎖的關(guān)鍵措施

盧亞軍1，蒲瑩1，馬玉龍1，宋勝利2，呂鵬飛3

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209；2.國家電網(wǎng)公司，北京市 100031； 3.國家電力調(diào)度控制中心，北京市 100031)

特高壓直流輸電工程因其輸送容量大、送電距離遠(yuǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用，然而，直流系統(tǒng)單雙極的強(qiáng)迫停運(yùn)嚴(yán)重影響著其安全運(yùn)行。針對直流系統(tǒng)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，從主回路接線方式和控制保護(hù)策略等方面開展了特高壓直流輸電工程主接線方案優(yōu)化、直流線路重啟動策略、金屬回線自動轉(zhuǎn)換方案、雙極中性母線差動保護(hù)動作時(shí)序和直流濾波器保護(hù)配置等研究，提出了防止特高壓直流工程單雙極閉鎖的關(guān)鍵措施。通過實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)對提出的措施進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果及工程應(yīng)用驗(yàn)證了措施的有效性。研究結(jié)果對提高直流系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、提升直流工程成套設(shè)計(jì)水平具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

特高壓直流；單雙極閉鎖；控制策略；保護(hù)時(shí)序

0 引 言

特高壓直流輸電因其具有輸送容量大、送電距離遠(yuǎn)以及傳輸損耗低等優(yōu)點(diǎn)，正在獲得更為廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，國家電網(wǎng)公司在運(yùn)的±800 kV特高壓直流輸電工程有4項(xiàng)，額定輸送容量已由向家壩—上海特高壓直流輸電工程的6 400 MW提升至哈密南—鄭州、溪洛渡—浙西特高壓直流輸電工程的8 000 MW。根據(jù)國家電網(wǎng)公司的電網(wǎng)規(guī)劃，到2020年將建成27項(xiàng)特高壓直流輸電工程[1]，電壓等級將由現(xiàn)在的±800 kV提高至±1 100 kV，輸送容量將提升至12 000 MW甚至更高。隨著特高壓直流輸電工程電壓等級和輸送容量的不斷提升，直流系統(tǒng)單雙極非正常閉鎖將對兩端電網(wǎng)造成更加嚴(yán)重的影響。因此，減少直流系統(tǒng)單雙極閉鎖發(fā)生概率、提高直流系統(tǒng)運(yùn)行可靠性正成為電網(wǎng)建設(shè)者不斷探索的重點(diǎn)研究方向。

本文在總結(jié)現(xiàn)有特高壓直流輸電工程技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，分析可能引起直流系統(tǒng)單雙極閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)，在直流主接線及控制保護(hù)策略等方面提出防止特高壓直流輸電工程單雙極閉鎖的優(yōu)化措施，通過仿真分析及相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證所提措施的可行性。

1 特高壓直流工程主接線優(yōu)化研究

1.1 在運(yùn)特高壓直流工程主接線方案

±800 kV特高壓直流輸電工程通常采用完整雙極接線方式，每極由2個(gè)12脈動換流器串聯(lián)構(gòu)成，兩極沿中性線對稱布置[2]。在運(yùn)的特高壓直流工程中中性線區(qū)域主接線如圖1所示。

圖1 特高壓直流工程中性線區(qū)域主接線

按照圖1的主接線方式，雙極中性母線差動電流的計(jì)算如式(1)所示[3]。

iDIFF=iDNE1-iDNE2-iDEL1-iDEL2-iDGND-iDME-iANE

(1)

式中:iDNE1，iDNE2分別為極1、極2中性母線回路電流；iDEL1，iDEL2分別為2條接地極線路電流；iDGND為站內(nèi)接地回路電流；iDME為金屬回線電流；iANE為雙極中性線區(qū)避雷器EL支路電流。

1.2 中性線區(qū)域主接線優(yōu)化

根據(jù)雙極中性母線差動電流的計(jì)算公式，整個(gè)差動共計(jì)及7個(gè)電流測點(diǎn)，其中iANE支路設(shè)備僅有EL避雷器，考慮到避雷器為內(nèi)絕緣設(shè)備，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加存在逐漸老化的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)避雷器發(fā)生接地故障時(shí)，可能引起雙極中性母線差動保護(hù)動作，導(dǎo)致直流雙極閉鎖。

EL避雷器在直流系統(tǒng)大地回線運(yùn)行時(shí)接入回路運(yùn)行，主要用于防止接地極線路曹受雷擊[4]。因此，將EL避雷器配置于接地極線路可起到相同的保護(hù)作用。優(yōu)化后的中性線區(qū)域主接線如圖2所示。

按照圖2的主接線方案，雙極中性母線差動不再涵蓋EL避雷器支路，因此有效避免了因避雷器故障引起雙極閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)。由于EL避雷器支路電流不再計(jì)入雙極中性母線差動保護(hù)，避雷器通過泄漏電流表進(jìn)行監(jiān)視，因此該支路可不配置電流互感器，進(jìn)一步起到節(jié)約工程投資的目的。

圖2 優(yōu)化的中性線區(qū)域主接線

2 直流線路故障重啟動策略研究

±800 kV特高壓直流輸電工程每極由2個(gè)12脈動換流器串聯(lián)組成，直流系統(tǒng)通常具有70%降壓至額定電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)能力[5-6]，且某一換流器是否正常均不影響另一換流器的正常運(yùn)行。

在進(jìn)行特高壓直流輸電工程直流線路故障重啟動策略的設(shè)計(jì)時(shí)，在兩端系統(tǒng)條件允許的情況下，直流雙極運(yùn)行時(shí)，通常采用“兩次全壓+一次70%降壓”的重啟動策略。隨著直流輸送容量的不斷提升，直流單極閉鎖造成的功率損失也在不斷增大。增加直流線路故障重啟動的成功率，成為提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的又一重要措施[7]。基于特高壓直流輸電工程換流器的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可在原有重啟動策略的基礎(chǔ)上增加單換流器重啟動措施，即直流系統(tǒng)采用“兩次全壓+一次70%降壓+單換流器”的重啟動策略，總的重啟動次數(shù)由3次增加至4次。為盡量縮短重啟動時(shí)間，在第3次重啟動不成功去游離時(shí)，將其中一個(gè)換流器閉鎖，第4次進(jìn)行單換流器重啟。

按照上述策略對直流線路故障重啟動軟件進(jìn)行修改，利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)進(jìn)行直流線路故障仿真試驗(yàn)，直流線路重啟動波形如圖3所示。

圖3 直流線路故障重啟動波形

以特高壓直流輸電工程單極4 000 MW運(yùn)行時(shí)，直流線路發(fā)生故障為例，若3次重啟動不成功導(dǎo)致直流閉鎖，則損失直流功率4 000 MW；采用4次重啟動策略，考慮1.05倍額定功率的2 h過負(fù)荷能力，單換流器重啟成功后運(yùn)行功率為2 100 MW，直流損失功率為1 900 MW?？梢?，線路故障對系統(tǒng)的沖擊大為降低。

3 金屬回線自動轉(zhuǎn)換方案研究

兩極對稱布置的直流輸電工程運(yùn)行方式包括雙極大地回線、單極大地回線以及單極金屬回線3種典型方式。在運(yùn)的特高壓直流輸電工程配有大地/金屬回線運(yùn)行的手動和自動轉(zhuǎn)換功能，手動轉(zhuǎn)換由運(yùn)行人員按照設(shè)計(jì)時(shí)序?qū)﹂_關(guān)設(shè)備進(jìn)行分步操作，而自動轉(zhuǎn)換由控制軟件自動控制，但需要運(yùn)行人員手動啟動大地/金屬回線轉(zhuǎn)換功能。

按照現(xiàn)有大地/金屬回線轉(zhuǎn)換功能的配置，直流系統(tǒng)雙極運(yùn)行時(shí)，當(dāng)一極發(fā)生故障閉鎖后，直流系統(tǒng)將轉(zhuǎn)為單極大地回線運(yùn)行方式[8]，該運(yùn)行方式下大地回路可能流入較大的直流電流，額定功率下電流達(dá)5 000 A。根據(jù)某±800 kV特高壓直流輸電工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)接地極電流大于1 000 A時(shí)，則會引起直流偏磁問題，在直流偏磁電流的影響下?lián)Q流變壓器將發(fā)生飽和，根據(jù)換流變壓器的飽和保護(hù)定值設(shè)置，換流變壓器可能在200 s內(nèi)保護(hù)動作跳閘，為此，該直流輸電工程配置了換流變隔直裝置。

為防止雙極閉鎖的發(fā)生，當(dāng)一極故障閉鎖并隔離后，另一運(yùn)行極可通過大地/金屬回線自動轉(zhuǎn)換的方式，由大地回線轉(zhuǎn)為金屬回線運(yùn)行，金屬回線運(yùn)行避免了直流偏磁問題的發(fā)生，該轉(zhuǎn)換由控制系統(tǒng)自行啟動，不再需要運(yùn)行人員操作。一極故障閉鎖，另一極大地/金屬回線自動轉(zhuǎn)換的前提為保護(hù)動作正確且為非直流線路故障，故障極閉鎖且成功隔離。由運(yùn)行人員和控制系統(tǒng)自動啟動的大地/金屬回線轉(zhuǎn)換啟動邏輯如圖4所示。

圖4 大地/金屬回線轉(zhuǎn)換啟動邏輯對比

采用上述大地/金屬回線自動轉(zhuǎn)換邏輯，一極故障閉鎖后，另一極自動轉(zhuǎn)為金屬回線運(yùn)行，避免了大地回線大電流運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，有效防止了直流偏磁可能導(dǎo)致雙極閉鎖問題的發(fā)生。

4 直流控制保護(hù)策略優(yōu)化研究

4.1 雙極中性母線差動保護(hù)

4.1.1 保護(hù)動作時(shí)序研究

雙極中性母線差動保護(hù)的目的是檢測從極中性母線到接地極線路引線之間的接地故障，典型的保護(hù)動作時(shí)序?yàn)椋?1)單極運(yùn)行時(shí)，報(bào)警、移相重啟以及閉鎖直流單極；(2)雙極運(yùn)行時(shí)，報(bào)警、極平衡、合中性母線接地開關(guān)(neutral bus grouding switch, NBGS)以及閉鎖直流雙極。

以直流系統(tǒng)雙極運(yùn)行為例，當(dāng)雙極區(qū)發(fā)生接地故障時(shí)，若直流系統(tǒng)雙極平衡運(yùn)行，則此時(shí)接地點(diǎn)無故障電流通過。若直流系統(tǒng)雙極不平衡運(yùn)行，差動電流滿足條件后200 ms，控制系統(tǒng)發(fā)出極平衡指令，極平衡成功后雙極中性母線無差動電流，保護(hù)復(fù)歸；若由于控制異?；蚱渌颍绷飨到y(tǒng)未執(zhí)行極平衡指令，則在1.2 s時(shí)保護(hù)發(fā)出合NBGS指令。

站內(nèi)NBGS合閘成功后，將起到雙極中性母線故障電流的分流作用[9]，然而，由于雙極中性母線差動電流定值較低，若極平衡不成功，即使NBGS回路分流，差動電流仍然滿足動作條件，最終將導(dǎo)致直流雙極閉鎖。鑒于NBGS支路分流電流和故障電流均從換流站入地，合NBGS并未從根本上改變故障對直流系統(tǒng)運(yùn)行的影響，且部分直流工程N(yùn)BGS支路電流互感器(current transformer, CT)測量范圍較低，容易引起CT測量超限，更易造成雙極中性母線差動保護(hù)動作。表1為某直流工程合NBGS對雙極中性母線差動保護(hù)的影響分析。

表1 合NBGS對雙極中性母線差動保護(hù)的影響

Table 1 Influence of NBGS closing on differential protection of bipolar neutral bus

因此，通過研究合NBGS對保護(hù)的影響，取消雙極中性母線差動保護(hù)動作，合NBGS更有利于降低保護(hù)動作出口閉鎖雙極的風(fēng)險(xiǎn)。

4.1.2 保護(hù)配置及出口結(jié)果優(yōu)化

±800 kV特高壓直流輸電工程保護(hù)按區(qū)域進(jìn)行配置，直流部分包括換流器、單極和雙極保護(hù)，分三層配置保護(hù)主機(jī)，雙極中性母線差動保護(hù)等雙極保護(hù)動作結(jié)果為閉鎖直流雙極[10]。

為防止由于測量回路故障引起雙極中性母線差動保護(hù)動作閉鎖雙極，通過研究分析，可將雙極保護(hù)

與單極保護(hù)在硬件上統(tǒng)一配置，即雙極保護(hù)按極分別配置，雙極中性母線差動保護(hù)等雙極保護(hù)動作結(jié)果為閉鎖該保護(hù)所在的極，因此，雙極區(qū)的測量回路故障可導(dǎo)致單極閉鎖，避免了導(dǎo)致雙極閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 NBSF順控邏輯優(yōu)化研究

特高壓直流輸電工程，當(dāng)中性母線轉(zhuǎn)換開關(guān)(neutral bus switch, NBS)失靈或出現(xiàn)圖5所示的A點(diǎn)接地故障時(shí)，故障極的閉鎖和隔離操作將無法隔離故障，因而配置了NBS Failure(NBSF)功能：通過合上NBGS開關(guān)分流并鉗制電位，拉開該極中性母線刀閘切除故障電流并隔離故障點(diǎn)，最后打開NBGS開關(guān)保持全極的正常運(yùn)行。

錦屏—蘇南等±800 kV在運(yùn)特高壓直流輸電工程的NBGS開關(guān)僅作為站內(nèi)臨時(shí)接地使用，不具備大電流轉(zhuǎn)移能力。因此，按照上述NBSF順控邏輯，NBGS開關(guān)將無法打開，最終引起直流雙極閉鎖。為解決該問題，對NBSF順控邏輯進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)故障極中性母線刀閘拉開后，健全極進(jìn)行移相，將直流電流降為0，在此期間打開NBGS開關(guān)，NBGS開關(guān)打開后，健全極重啟動，恢復(fù)故障前的正常運(yùn)行狀態(tài)。優(yōu)化后的NBSF順控邏輯仿真驗(yàn)證波形如圖6所示。

圖5 NBS開關(guān)失靈故障示意圖

圖6 NBSF順控邏輯優(yōu)化仿真驗(yàn)證波形

由仿真驗(yàn)證波形可知，在故障極中性母線刀閘拉開后健全極進(jìn)行移相，NBGS開關(guān)可成功打開，NBGS打開后健全極重啟動可恢復(fù)正常運(yùn)行。

4.3 直流濾波器保護(hù)配置優(yōu)化研究

直流濾波器的故障特征與運(yùn)行工況和接地位置密切相關(guān)。在不同運(yùn)行工況和接地位置下，故障特征表現(xiàn)差異較大。內(nèi)部接地故障，故障點(diǎn)在高壓電容器上端、內(nèi)部以及低端以下時(shí)表現(xiàn)出不一致的特征，而濾波器區(qū)外故障，如直流線路發(fā)生故障時(shí)，由于對地放電作用，濾波器回路又將流過很大的暫態(tài)電流，實(shí)際直流輸電工程中曾出現(xiàn)過濾波器差動保護(hù)誤動閉鎖的情況。

當(dāng)前，國家電網(wǎng)公司在運(yùn)的特高壓直流工程均取消了高壓電容器不平衡保護(hù)的跳閘功能，不平衡保護(hù)動作僅報(bào)警。不平衡保護(hù)主要考慮電容器的幾個(gè)元件或單元被擊穿而引起的電流不平衡[11]，然而，通過仿真可知，當(dāng)高壓電容器內(nèi)部發(fā)生接地故障時(shí)，電容器單元將承受遠(yuǎn)超出正常值的電壓應(yīng)力，具體的接地故障特性如下。

(1)越靠近電容器中點(diǎn)接地，不平衡電流越大；靠近電容器兩端接地，不平衡電流逐漸減小。

(2)隨著接地故障點(diǎn)下移，故障期間每個(gè)高壓電容元件承受的電壓逐漸減?。还收宵c(diǎn)越往上，單個(gè)電容元件承受的電壓越高。電容器中點(diǎn)接地時(shí)，電容器元件及單元承受的電壓大約是正常電壓的2倍。

若不平衡保護(hù)僅報(bào)警，則高壓電容器內(nèi)部接地時(shí)，電容器單元在故障期間一直承受較高電壓，此時(shí)又無其他保護(hù)跳閘，最終可能導(dǎo)致電容器擊穿。仿真研究表明，增設(shè)高壓電容器接地保護(hù)可起到電容器接地故障時(shí)的保護(hù)作用。

(1)電容器內(nèi)部上端30%范圍內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，表現(xiàn)為差動電流大、不平衡電流小，可由直流濾波器差動保護(hù)動作，通過拉開直流濾波器高壓側(cè)隔離開關(guān)或閉鎖直流切除直流濾波器；

(2)電容器中部30%～70%范圍內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，表現(xiàn)為不平衡電流大，電容器接地保護(hù)同時(shí)判斷不平衡電流絕對值和不平衡比率，兩者同時(shí)大于保護(hù)整定值時(shí)快速切除直流濾波器；

(3)電容器內(nèi)部下端30%范圍內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，不平衡電流較小，電容器接地保護(hù)同時(shí)判斷不平衡電流絕對值和不平衡比率，兩者同時(shí)大于保護(hù)整定值時(shí)報(bào)警或慢速切除直流濾波器。

5 結(jié) 論

(1)EL避雷器配置于接地極線路電流互感器外側(cè)，減少了雙極中性線區(qū)域設(shè)備數(shù)量，避免了由避雷器故障或該支路測量故障導(dǎo)致的雙極閉鎖風(fēng)險(xiǎn)。

(2)兩端系統(tǒng)條件允許的情況下，直流線路增加單換流器重啟功能，可增加線路重啟成功率，降低直流單極閉鎖風(fēng)險(xiǎn)。

(3)一極故障退出，另一運(yùn)行極進(jìn)行自動大地/金屬回線轉(zhuǎn)換可避免由于大地回線長時(shí)流過大電流導(dǎo)致的直流偏磁問題，提高運(yùn)行可靠性。

(4)取消雙極中性母線差動保護(hù)，合NBGS，優(yōu)化NBSF順控邏輯可避免特殊工況下直流雙極閉鎖的發(fā)生；增加直流濾波器高壓電容器接地保護(hù)有利于保護(hù)電容器設(shè)備，避免內(nèi)部接地時(shí)高壓電容器擊穿。

本文研究的直流線路故障單換流器重啟策略、雙極中性母線差動保護(hù)取消合NBGS以及NBSF順控邏輯優(yōu)化等措施已成功應(yīng)用于哈密南—鄭州等±800 kV在運(yùn)特高壓直流輸電工程；EL避雷器主接線優(yōu)化、增加直流濾波器高壓電容器接地保護(hù)等措施可用來指導(dǎo)后續(xù)特高壓直流工程的成套設(shè)計(jì)，對降低直流系統(tǒng)單雙極閉鎖風(fēng)險(xiǎn)、提升成套設(shè)計(jì)水平具有重要的指導(dǎo)意義。

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(編輯：張小飛)

Key Measure for Monopol/Bipole Blocking in UHVDC Project

LU Yajun1, PU Ying1, MA Yulong1, SONG Shengli2, LYU Pengfei3

(1. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China; 2. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China; 3. National Electric Power Dispatch and Control Center, Beijing 100031, China)

UHVDC project has been widely applied in power system because of its high-capacity and long transmission distance. However, the forced outage of monopole/bipole in DC system seriously affects its safe operation. According to the potential risk of the DC system, this paper studied the optimization of main wiring scheme, the restart logic of DC line, the automatic transformation scheme of metallic return, the differential protection action sequence of bipolar neutral bus and the protection configuration of DC filter in UHVDC transmission projects, from aspects of main circuit wiring mode, control & protection strategy, etc. Then, the key measure was proposed to prevent monopole/bipole blocking in UHVDC transmission projects. Finally, the effectiveness of the proposed measure was verified by real-time digital simulation analysis and engineering application. The research results have the practical guidance significance to improve the reliability of DC system and the design level of DC project.

UHVDC; monopole/bipole blocking; control strategy; protection sequence

TM 722

A

1000-7229(2015)09-0117-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.019

2015-06-25

2015-08-07

盧亞軍(1982)，男，碩士，工程師，主要從事高壓/特高壓直流工程的成套設(shè)計(jì)及仿真分析方面的工作；

蒲瑩(1973)，女，博士，高級工程師，主要從事高壓直流輸電成套設(shè)計(jì)及仿真分析方面的工作;

馬玉龍(1975)，男，博士，高級工程師，主要從事高壓直流輸電成套設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究方面的工作;

宋勝利(1975)，男，高級工程師，主要從事特高壓直流工程的建設(shè)方面的管理工作;

呂鵬飛(1979)，男，碩士，高級工程師，主要從事直流輸電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行管理方面的工作。