劉孝輝 張 靖 盧東斌 薛海平 張慶武

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

特高壓直流輸電系統(tǒng)具有輸送容量大、送電距離遠(yuǎn)、輸電損耗低等優(yōu)點[1]，在我國的資源能源大范圍配置中發(fā)揮了重要作用。由于特高壓直流輸電線路較長，沿途自然環(huán)境復(fù)雜，是直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障最頻繁的部分[2-7]。直流線路故障以瞬時性接地故障居多，針對此類故障，控制保護(hù)通過移相重啟一般能夠恢復(fù)運(yùn)行，但是永久性接地故障也偶有發(fā)生，永久性接地故障會造成直流系統(tǒng)閉鎖，可能導(dǎo)致故障無法及時隔離，并且另一極在運(yùn)行時可能會形成分流回路的情況。針對此類情況，文獻(xiàn)[8]以滇西北直流工程為對象，重點研究通過改變保護(hù)閉鎖時序避免出現(xiàn)金屬旁路運(yùn)行而形成分流的情況，在實際應(yīng)用中得到了較好的效果，但是未研究出現(xiàn)永久故障時的處理策略，而且由于國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)域內(nèi)的特高壓直流閉鎖時序差異較大，文中所提策略無法在國家電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)特高壓工程中進(jìn)行推廣。本文對某特高壓直流工程某次直流線路的永久性接地故障過程進(jìn)行分析，重點研究在直流系統(tǒng)因存在永久接地故障出現(xiàn)故障回路分流的情況時，如何及時有效地隔離故障，并且不改變現(xiàn)有的閉鎖時序，利用中性母線開關(guān)的電流分?jǐn)嗄芰椭绷骺刂票Ｗo(hù)策略相配合實現(xiàn)永久接地故障的及時隔離。本文所提策略具有一定的工程實用價值，通過實時數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）實驗驗證本文所提策略的可實施性。

1 直流線路永久故障分析

2020年2月28日，某特高壓直流工程極1發(fā)生永久接地故障，極1原壓重啟動兩次不成功閉鎖。故障前雙極四閥組運(yùn)行，雙極總功率4 000MW，極1閉鎖后功率轉(zhuǎn)帶至極2，然后啟動自動解鎖極1高端閥組的過程，高端閥組解鎖后由于接地故障依然存在，極1直流低電壓保護(hù)動作，高端閥組再次閉鎖。直流線路故障期間重啟動波形如圖1所示，直流低電壓保護(hù)動作波形如圖2所示。

圖1 直流線路故障期間重啟動波形

圖2 直流低電壓保護(hù)動作波形

根據(jù)圖1波形能看出，極1線路發(fā)生故障后，首先電壓突變量和行波保護(hù)動作請求移相重啟，去游離時間150ms。第一次重啟后故障依然存在，直流線路低電壓保護(hù)動作再次請求移相重啟動，去游離時間200ms，達(dá)到線路重啟動邏輯規(guī)定的原壓重啟動次數(shù)后閉鎖。由于本工程配置有直流線路故障后重新解鎖高端閥組的功能，高端閥組解鎖后直流電壓一直在零附近，此時直流線路低電壓保護(hù)判斷直流未解鎖成功，保護(hù)未使能，所以直流線路低電壓保護(hù)不動作，靠后備保護(hù)直流低電壓保護(hù)動作閉鎖極，整流側(cè)執(zhí)行Z閉鎖，逆變側(cè)執(zhí)行Y閉鎖。直流低電壓保護(hù)屬于直流和交流接地類故障的后備保護(hù)，僅配置在整流側(cè)，動作時間長，一般工程的動作時間定值設(shè)置為4s，如果直流線路故障重新解鎖高端閥組時則將動作時間定值切換到2s，所以圖2中在高端閥組解鎖2s后直流線路低電壓保護(hù)動作。直流電壓持續(xù)低且無其他保護(hù)動作時，直流低電壓保護(hù)才起作用，一方面考慮到此時直流電壓在直流設(shè)備的耐受能力內(nèi)，另一方面直流低電壓保護(hù)動作可能由交流電壓異?；蛘呖刂葡到y(tǒng)異常導(dǎo)致，為方便后續(xù)快速恢復(fù)直流系統(tǒng)輸送功率，直流低電壓保護(hù)動作后只執(zhí)行Z閉鎖，不跳交流進(jìn)線開關(guān)，也不執(zhí)行極隔離。逆變側(cè)收到對站閉鎖信號后執(zhí)行Y閉鎖，由于逆變站無保護(hù)動作，逆變側(cè)也不執(zhí)行極隔離。整流側(cè)執(zhí)行Z閉鎖后會投入旁通對，為了能盡快實現(xiàn)故障隔離，投入旁通對后會合上閥組旁通開關(guān)（bypass switch, BPS），同時逆變側(cè)也投入旁通對并合上BPS。極1閉鎖后的電流通路如圖3所示。

圖3 極1閉鎖后的電流通路

圖3中的實心閥組代表解鎖狀態(tài)，空心閥組代表閉鎖狀態(tài)，NBS（neutral bus switch）是中性母線開關(guān)，IDNE是中性母線靠近接地極側(cè)電流，對其他開關(guān)、刀開關(guān)進(jìn)行了簡化。F1代表整流側(cè)極母線區(qū)接地故障，F(xiàn)2代表直流線路區(qū)接地故障，F(xiàn)3代表逆變側(cè)極母線區(qū)接地故障，F(xiàn)4代表整流側(cè)中性母線區(qū)接地故障，箭頭所指回路表示直流系統(tǒng)的直流電流流通的回路和電流流通的方向。本次直流線路永久接地故障是在F2點發(fā)生永久接地故障，直流控制保護(hù)執(zhí)行閉鎖過程后形成極1兩端的BPS、極1直流線路、故障點共同形成了分流回路。從圖2可以看出在直流低電壓保護(hù)動作后直流電流下降但是一直持續(xù)存在。此情況下只能手動操作進(jìn)行極隔離或者申請停運(yùn)極2才能將故障隔離，增加了故障的隔離時間。

F1、F3、F4發(fā)生永久接地故障具有類似的情況。雖然在F3點發(fā)生接地故障時，逆變側(cè)極母線差動保護(hù)動作執(zhí)行Z閉鎖、整流側(cè)執(zhí)行Y閉鎖可能不會合上BPS，但是通過整流側(cè)的接地極、F3故障接地點和逆?zhèn)菳PS依然存在分流回路。F3故障極1閉鎖后的電流通路如圖4所示。

圖4 F3故障極1閉鎖后的電流通路

工程中配置的中性母線開關(guān)分?jǐn)嚯娏髂芰σ话闶侵绷飨到y(tǒng)的額定電流，如果流入逆變側(cè)BPS和中性母線的電流大于逆變側(cè)中性母線開關(guān)的分?jǐn)嗄芰Γ赡軙斐葿PS分?jǐn)嗍?。F4故障時整流側(cè)中性母線差動保護(hù)和極差動保護(hù)會動作，但是由于故障點靠近整流側(cè)，發(fā)生金屬性接地故障，另一極過負(fù)荷運(yùn)行時會存在較大的分流電流，也存在整流側(cè)中性母線開關(guān)無法分?jǐn)嗟目赡苄浴９收细綦x只能依靠手動操作極1隔離或者停運(yùn)極2實現(xiàn)[9-12]。

2 處理策略

根據(jù)第1節(jié)中的分析，分流回路的存在是由于在直流系統(tǒng)中發(fā)生了永久性接地故障，并且閉鎖過程中合上了閥組旁通開關(guān)。在閉鎖過程中投入旁通對和合BPS是為了更快地隔離故障，保護(hù)換流器不受過電壓或過電流的危害，所以在對此問題進(jìn)行改進(jìn)時，不宜改變現(xiàn)有的閉鎖操作時序。本節(jié)討論形成分流回路后，如何及時切斷分流回路。特高壓工程中都配置有NBS，其電流轉(zhuǎn)移能力一般是直流系統(tǒng)的額定電流[13-15]，可用于故障的隔離操作。為了安全迅速地隔離故障，在極閉鎖后如果判斷出存在故障電流分流回路并且電流較大導(dǎo)致NBS無法打開時，進(jìn)行移相重啟或者功率回降將電流降至安全范圍內(nèi)，然后再打開NBS，達(dá)到故障隔離的目的。

2.1 移相重啟策略

直流系統(tǒng)發(fā)生金屬接地故障時，如果另一極進(jìn)入過負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，會有較大的電流流過故障點。如果NBS開斷能力不足，或者未配置有NBS失靈保護(hù)，則此時無法隔離故障。故障電流由另一運(yùn)行極提供，此時如果使運(yùn)行極短暫移相，然后迅速打開NBS可以實現(xiàn)故障的可靠隔離。移相重啟策略流程如圖5所示。

圖5 移相重啟策略流程

直流系統(tǒng)發(fā)生極閉鎖后，首先判斷是否發(fā)生了故障極閉鎖后的分流情況，可采用極閉鎖信號并且中性母線電流IDNE＞ISET1進(jìn)行判斷，其中ISET1可以選取150A。整流側(cè)檢測到有分流情況后，運(yùn)行極執(zhí)行移相重啟，如果僅逆變站檢測到閉鎖有流情況，則通過站間通信請求整流側(cè)運(yùn)行極執(zhí)行移相重啟，移相持續(xù)時間100ms，考慮到站間通信延時和移相時電流下降需要時間，在移相開始40ms后兩站開始分開NBS。

在移相期間電流下降到0，基本可以不用考慮NBS失靈，能可靠實現(xiàn)極隔離。但是此方案在一極閉鎖后，執(zhí)行另一極的移相命令時，相當(dāng)于短時間內(nèi)雙極閉鎖，對系統(tǒng)有一定的沖擊，所以本方案適用于NBS分流能力較弱，或未配置NBS失靈保護(hù)的換流站。

2.2 功率回降策略

流過故障點的電流由運(yùn)行極提供，如果流過故障極的電流超過NBS的分?jǐn)嗄芰?，可以請求運(yùn)行極將功率回降到NBS分?jǐn)嗄芰σ韵?，然后再拉開NBS實現(xiàn)極隔離，如果流過閉鎖極的電流小于NBS的分?jǐn)嗄芰Γ瑒t直接打開NBS，不需要功率回降，此方案能充分利用NBS的分?jǐn)嗄芰Γ瑫r需要配置NBS失靈保護(hù)作為后備保護(hù)。功率回降策略流程如圖6所示。

圖6 功率回降策略流程

為充分利用NBS的分?jǐn)嗄芰?，減少對電網(wǎng)功率的沖擊，故障極閉鎖后判斷中性母線流過的電流小于NBS的分?jǐn)嗄芰r，直接分開NBS進(jìn)行極隔離，否則請求運(yùn)行極功率回降到NBS分流能力以下，一般情況下是直流系統(tǒng)的額定電流。所以功率回降策略起作用時，只請求運(yùn)行極將直流電流回降到直流系統(tǒng)額定電流。

3 實驗驗證

為驗證本文所提策略的有效性，以某實際特高壓工程參數(shù)建立RTDS系統(tǒng)，直流系統(tǒng)的額定電流和NBS的分流能力均是5 000A，額定電壓800kV，故障前直流雙極運(yùn)行總功率6 000MW，模擬F1發(fā)生永久金屬接地故障，極1閉鎖后，極2進(jìn)入過負(fù)荷運(yùn)行。分別驗證移相重啟策略和功率回降策略的可行性。

3.1 移相重啟策略

移相重啟策略實驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，極1故障后，極2進(jìn)入過負(fù)荷運(yùn)行，極1由于分流了大部分的電流，其直流電流大于5 000A，此時極1無法分開NBS進(jìn)行極隔離，極1判斷出閉鎖并且存在故障分流回路后，請求極2移相，移相后整流側(cè)和逆變側(cè)相繼分開極1的NBS，移相期間整流側(cè)極1電流降到0，逆變側(cè)極1電流由于雙極線路互感作用[16]產(chǎn)生反向電動勢，出現(xiàn)流過逆變側(cè)接地極和整流側(cè)極1故障點的反向電流，其值在2 000A左右，也在拉開NBS的安全范圍內(nèi)。

圖7 移相重啟策略實驗結(jié)果

3.2 功率回降策略

功率回降策略實驗結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，極1故障閉鎖后，極2進(jìn)入過負(fù)荷運(yùn)行，極1檢測到閉鎖狀態(tài)并且有分流回路后請求極2回降功率至額定功率，極2功率回降后，整流側(cè)極1分流電流降至4 600A，然后整流側(cè)和逆變側(cè)極1相繼分開NBS實現(xiàn)故障隔離。

圖8 功率回降策略實驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文分析了某特高壓工程直流線路發(fā)生永久接地故障時，故障極閉鎖后未實現(xiàn)故障自動隔離的原因，提出了兩種實現(xiàn)故障隔離的方案，其中移相重啟策略適用于NBS分流能力較小的場合，但是對直流系統(tǒng)輸送功率干擾較大，功率回降策略對功率干擾相對較小。本文所提策略在執(zhí)行過程中都使直流功率產(chǎn)生了一定的擾動，后續(xù)需要研究進(jìn)一步增加NBS分流能力的可能性，充分利用NBS實現(xiàn)故障隔離。但是NBS分?jǐn)噍^大電流時容易產(chǎn)生振蕩，開斷 過程中對直流系統(tǒng)的干擾也需要進(jìn)一步研究。