特高压直流保护动作策略研究

特高压直流保护动作策略研究

0特高压直流输电保护系统概述随着能源输送距离的逐渐延长，传统的500kv直接供电需求不足，客观上需要采用更高的直接供电电压等级。根据西南水电外送输电方案规划的研究成果并结合国外的相关研究结论,±800kV直流输电在技术上是可行的,比较适合中国的实际情况。金沙江一期溪洛渡、向家坝梯级水电站总装机容量18600MW,是规划的“西电东送”主要水电电源之一,送电容量大,输电距离远,其电能的合理消纳及输电系统的形成,将对我国能源资源优化配置、大容量远距离输电技术的发展和全国联网的格局产生重大而深远的影响。特高压直流输电保护系统是整个工程中的一个重要系统,与常规±500kV高压直流相比,由于特高压直流系统的主接线与常规直流有区别,以及考虑特高压直流的可靠性及停运率的要求,对特高压直流保护的设计提出了更高的要求。本文根据特高压直流主接线的特点论述了特高压直流保护系统需要具备的新功能及在保护策略方面与常规直流的区别;介绍了特高压直流保护系统的保护分区方案及保护测点配置;详细研究了特高压直流整流侧或逆变侧换流变压器故障、阀短路故障的保护动作策略,并通过仿真验证了该动作策略的正确性。1系统的运行保护由于直流系统电压从±500kV提高到了±800kV,特高压直流输电工程换流器接线将从传统的单12脉动换流器改为双12脉动换流器结构,同时每个12脉动换流器直流侧并联安装高速旁路开关BPK10和旁路刀闸BK10、BK11、BK12,如图1所示,采用这种结构后,主回路会有更多运行方式可供选择,提高了整个系统运行的灵活性和可用率。然而保护的配置将更为复杂且考虑的因素也更多,如保护测点的配置、双12脉动阀组联接母线区域的保护、运行方式改变时,保护判据中保护信号的更改(即保护的适应性)问题等。考虑到特高压直流输电采用每极双12脉动换流器串联构成,每个12脉动换流器有旁路开关,为减小单极停运的次数,双12脉动换流器允许单12脉动换流器退出运行后另外一个12脉动换流器继续运行,因此,特高压直流保护的设计要比常规直流复杂得多。对于只与单12脉动换流器相关的故障,如与换流变压器、阀组相关的故障等,需要设计合理的动作策略并结合高速旁路开关来隔离故障且维持直流系统的继续运行。2保护区域和测量点的配置2.1脉动换流器保护动作策略特高压直流保护所覆盖的区域包括12脉动换流器保护区、极保护区、双极保护区、各直流滤波器保护区、各换流变压器保护区、交流滤波器保护区,区内所有设备均应得到保护。保护分区的原则是:(1)影响单12脉动换流器正常运行的故障退出故障换流器;(2)影响单极正常运行的故障退出故障极;(3)双极保护区的故障退出双极,但要采取措施尽量避免双极故障退出运行,保证运行的可靠性。基于这些原则,特高压直流输电系统的保护分区如图2所示。由于存在每极单12脉动换流器独立运行的情况,该分区方案中每个极的2个12脉动换流器的保护在各自的单12脉动换流器保护分区内,双12脉动换流器的保护分区各自独立。对于换流变压器保护区内的故障,如F1,包括换流变压器重瓦斯保护、差动保护、过流保护等,保护动作的策略是通过换流器投旁通对隔离交直流区域,然后退出与该换流变压器相关的12脉动换流器。对于上12脉动换流器或下12脉动换流器的故障,如F2,包括阀短路保护、换相失败保护、晶闸管元件异常、晶闸管结温监测、阀直流差动保护等,保护动作的策略是执行功率回降,同时闭合与故障12脉动换流器相并联的高速旁路开关,闭锁故障换流器,并重新恢复功率输送。应视故障类型来确定是否投旁通对,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。对于直流极保护区域内的故障,如F3~F7,包括极母线差动保护、12脉动联母差动保护、旁路开关差动保护、中性母线差动、交流系统故障引起的50Hz/100Hz保护等,保护的动作策略是闭锁故障极。然而对于F6相似位置的故障,如果在故障前是双极±800kV运行,通过退出下12脉动换流器,同时闭合中性母线接地开关,使故障点与中性母线接地开关接地点同电位,然后闭合旁路隔离刀闸,依次断开故障点旁的刀闸、断开高速旁路开关,利用旁路开关切断故障电流的能力来隔离故障点,也可避免F6相似位置接地故障发生时引起极的停运。对于双极保护区域内的故障,如F8,包括双极中性线差动保护、站接地过流保护等,保护的动作策略是首先进行极功率平衡,如果故障持续存在,就闭锁双极或在站内接地电流允许的范围及持续时间内考虑单极大地回线转单极金属回线运行,在一定程度上避免双极停运。2.2f点故障的定位12脉动换流器保护区、极保护区的测点配置见图2中电流互感器(TA)和电压互感器(TV)的标示。针对该测点配置,当F6处发生接地故障时,只能根据上12脉动换流器低压出口TA与下12脉动换流器高压出口TA的差流来判断是否发生了接地故障,但不能区分F6处故障与F5处故障的位置不同。文献提出如图3所示的TA配置策略,每极增加TA5-TA84个电流互感器来准确判断出图3中F点的故障,该配置的确可准确定位故障点位置并能更好地配合直流控制系统以退出某个12脉动换流器而不至于直接引起单极停运。但考虑到:(1)联母区域均为管母线,发生接地故障的几率较低;(2)2个换流站共需要增加16个TA,经济性可能较差。因此在12脉动换流器连接母线发生故障时,可考虑首先退出下12脉动换流器,并尝试隔离故障点,如故障仍然存在,则可断定故障点位置在F5,而不是F6,这时就必须停运故障极。双极保护区、换流变压器保护区、直流滤波器组保护区、交流滤波器组保护区的测点配置在图2中也有标示,与常规直流没有太大区别。3运行策略及模拟研究中的变换电流故障和阀短路故障3.1逆变侧换流变压器换流变压器配置的保护有换流母线差动保护、换流母线和换流变压器差动保护、换流变压器差动保护、换流母线和换流变压器过流保护、换流变压器过流保护、换流变压器绕组差动保护、换流母线过压保护、换流变压器中性点偏移保护、换流变压器零序电流保护、换流变压器过励保护、换流变压器饱和保护、重瓦斯保护等。特高压直流系统全电压运行时,如换流变压器发生故障时,保护动作后与该换流变压器相连的换流器需要立即投旁通对,既可以隔离交直流系统,从而隔离故障点,又可维系另一个12脉动换流器的继续运行。本站换流变压器故障时,本站的动作策略基本相同,首先要投旁通对,然后依次闭合旁路开关BPK10,闭合旁路刀闸BK12,打开刀闸BK10,将流过旁通对、旁路开关BPK10上的电流全部通过BK12流过,然后闭锁换流器。本站换流变压器故障时,对站的处理策略略有不同。整流侧换流变压器故障时,由于整流侧相应换流器投旁通对,造成单极电压损失50%,逆变侧需要立即投旁通对,并闭合高速旁路开关,然后通过与前文相似的刀闸操作来退出相应12脉动换流器。逆变侧换流变压器故障时,逆变侧相应换流器投旁通对,逆变侧电压下降近50%,电流上升。对于整流侧可采取2种策略:(1)直接投旁通对,然后依次闭合旁路开关BPK10,闭合旁路刀闸BK12,打开刀闸BK10,然后闭锁换流器;(2)通过控制系统控制该换流器端电压接近零,闭合高速旁路开关,移相闭锁该换流器,然后采取类似的旁路刀闸操作顺序将电流转移到BK12支路上,该策略与策略(1)相比,前者换流器失去对电流的控制能力,且流过换流器的电流需要打开刀闸BK10后才能消失;后者换流器具有对电流的控制能力,但由于换流器的端电压并不真正为零,在闭合高速旁路开关BPK10的过程中,BPK10的间隙会被击穿并伴随暂态过流,对开关的要求较高。整流侧换流变压器故障时,整流侧的动作顺序为:(1)投旁通对;(2)通知逆变侧;(3)依次闭合高速旁路开关,闭合旁路刀闸,打开母线刀闸;(4)闭锁故障换流器。逆变侧的动作顺序为:(1)逆变侧收到对站信号后,投旁通对;(2)依次闭合高速旁路开关,闭合旁路刀闸,打开母线刀闸;(3)闭锁对应换流器。整流侧的仿真波形如图4所示,各换流阀组电流波形如图5所示,整流侧长期波形(4~35s)如图6所示。逆变侧仿真波形如图7所示,逆变侧长期波形(4~35s)如图8所示。由图4~8可见,整流侧换流变故障后,采用该保护策略顺利退出相应换流器,退出单12脉动换流器后100ms左右恢复正常。由图8可见,逆变侧退出相应换流器后,健全换流器的熄弧角在分接头的调节作用下从25°左右恢复到17°。逆变侧换流变压器故障时,逆变侧动作顺序为:(1)故障发生后投旁通对,隔离交直流系统;(2)将本站动作信号通知对端站;(3)依次闭合旁路开关,闭合旁路刀闸,打开母线刀闸;(4)闭锁相应12脉动换流器。整流侧第1种动作策略动作顺序为:(1)整流侧收到对站信号后立即投旁通对;(2)依次闭合旁路开关,闭合旁路刀闸,打开母线刀闸;(3)闭锁上桥。采用该策略时,逆变侧仿真波形如图9所示。整流侧仿真波形如图10所示。由图9~10可见,逆变侧换流变保护投旁通对后,直流电流上升到5.7kA,整流侧在逆变侧退出一个12脉动换流器后,上、下12脉动换流器的电压都持续下降,在整流侧退出相应12脉动换流器投旁通对后,系统恢复正常。逆变侧健全换流器熄弧角随着分接头的调节恢复到17°,与图8类似。整流侧第2种动作策略的顺序为:(1)整流侧收到对端站信号后,直接闭合高速旁路开关,相应阀控在开关燃弧时控制角度,熄灭开关电弧;(2)移相闭锁上桥;(3)闭合旁路开关,2s后闭合旁路刀闸,2s后打开母线刀闸。采用该策略时,整流侧仿真波形如图11所示,由图11可见,在闭合快速旁路开关时,对应12脉动换流器有短时的换流器出口短路过程,然后触发角上升到约85°,旁路开关电流只有纹波电流,换流器移相闭锁闭锁后,直流电流转移到旁路开关上。此外,该换流器在闭锁以前,本极的2个换流器的触发角都很大,直流电流基本不变,此时对无功的需求会增加,虽然该过程的时间并不长,但仍会对系统有一定的冲击。3.2流场出线板上的保护动作阀短路保护用于保护上、下12脉动桥换流器。用于阀短路故障和换流变阀侧相间故障,避免短路时换流阀遭受过应力。保护功能检测换流变阀侧Y绕组和D绕组的电流,以及高压极母线和12脉动桥联接母线上(12脉动桥联接母线和中性母线上)的电流。在正常运行工况下,差动电流很小。如果交流侧电流明显高于直流电流,则表明发生了故障,保护立即动作。发生阀短路故障时,与故障阀处于同一半桥的健全阀在换相导通后会流过很高的短路电流。应在同一半桥的第2个健全阀导通之前迅速检出故障,并不带旁通对闭锁阀,同时投高速旁路开关,保证非故障桥的正常运行。保护判据为:IacY-min(IdH,IdN)>Δ或IacD-min(IdH,IdN)>Δ。其中IacY和IacD分别为变压器Y绕组和D绕组三相电流的整流值;IdH为12脉动换流器高压出口电流;IdN为12脉动换流器低压出口电流;Δ为保护定值。整流侧发生阀短路故障时,由于故障电流对阀的应力增大,需要快速检测出故障并闭锁故障换流器,打开相应换流变交流进线开关。为了不影响直流系统的继续运行,减小单极停运率,需要故障极快速闭合高速旁路开关,为避免转移到高速旁路开关的电流过大损坏高速旁路开关,可采取降低功率或重启动的方法。保护的动作策略是:退出与故障阀相关的12脉动换流器,逆变侧也要退出相应的12脉动换流器。整流侧动作顺序为:(1)阀短路检测出阀短路后马上执行ORDER_DOWN指令(移相,紧急功率回降),同时闭锁故障换流器,打开交流进线开关,闭合高速旁路开关;(2)通知逆变侧;(3)重启动。逆变侧的动作顺序为:(1)逆变侧收到信号后,投旁通对便于线路的去游离;(2)闭合高速旁路开关;(3)闭锁对应换流器。整流侧阀短路故障时,整流侧仿真波形如图12所示,逆变侧仿真波形如图13所示。由图12~13可见,整流侧阀短路故障时,换流变阀侧电流达到8.3kA,整流侧执行重启动并闭锁故障换流器,同时闭合高速旁路开关后,200ms完成重启动,恢复功率输送。逆变侧重启动以后,分接头的调节过程与图8类似。逆变侧发生阀短路故障时,直流电压会下降,逆变侧发生换相失败。逆变侧换相失败保护会动作,并通知整流侧,由于发生换相失败时不能确定是由于控制系统引起的还是交流系统波动或阀短路引起的故障,因此逆变侧换相保护动作后由整流侧执行ORDER_DOWN指令(移相,紧急功率回降),整流侧和逆变侧退出相应的换流器。逆变侧动作顺序为:(1)换相失败保护动作后提前通知整流侧执行ORDER_DOWN指令;(2)闭合高速旁路开关;(3)闭锁故障换流器。整流侧的动作顺序为:(1)收到对端站信号后执行ORDER_DOWN指令;(2)移相并闭合高速旁路开关;(3)闭锁对应换流器;(4)重启动。逆变侧桥臂V4(A相)发生阀短路故障时,B相阀侧电流逐渐周期性增大,逆变侧阀短路保护和换相失败保护都有可能动作。换相失败保护的动作时间约600ms,换相失败保护动作后由整流侧执行重启动的过程如图14所示,逆变侧波形如图15所示。由图14~15可见,逆变侧换相失败保护动作后,在整流侧重启动的过程中,整流侧和逆变侧相应换流器正常退出,在200ms后恢复功率输送。4油路反渗透膜运行策略本文结合典型±800kV特高压直流的主接线,划分了特高压直流的保护分区,研究了各保护分区的保护动作策略,配置了保护测点,对于测点配置,如果考虑退出单