直流系统保护策略

直流系统保护策略

直接设计和保护区系统是直接供电工程的核心。其性能直接决定了直接相关项目的运营和直接相关设备的安全。在直流系统中,任何一部分发生故障都会影响整个直流输电系统运行的安全可靠性。直流保护用于保护换流站各直流设备,在故障或异常工况下快速切除系统中的短路故障或不正常运行设备,防止其造成损害或干扰系统其他部分的正常工作,保证直流系统的安全运行。直流保护策略所要考虑的设备包括换流阀、直流场设备(包括平波电抗器、极母线、中性母线)、直流线路、接地极引线以及换流变压器。1阀侧接地故障及保护直流保护策略的设计和配置应考虑直流系统在换流阀故障、换流站直流区域故障以及换流站交流区域故障下的暂态性能要求。这些故障主要是各种短路、接地故障以及过电流和过电压,具体包括:①晶闸管阀故障。包括晶闸管元件、阀阻尼均压回路、触发部件、阀基电子设备以及阀的冷却系统等,这一部分的保护通常就地配置,如可由阀基电子设备屏、阀冷控制保护屏提供。②换流桥故障。包括桥臂短路、桥阀短路、阀组过流、换相失败、阀误导通和不导通故障。③阀交流侧故障。包括换流变压器阀侧绕组过电压、换流变压器阀侧至阀厅内的交流连线的接地或相间短路故障。④阀厅内接地故障。包括阀组中点接地故障等。⑤极母线设备的闪络或接地故障。极母线设备包括平波电抗器、直流滤波器等。⑥极母线直流过电压、过电流以及持续的直流欠压。⑦中性母线开路或接地故障。⑧站内接地网过流。⑨直流线路金属性短路,高阻接地故障或开路故障,交直流碰线故障。⑩金属回线导体开路或接地故障。11接地极引线开路或对地故障、接地极引线过负荷。12直流滤波器过流、过负荷、失谐,高压电容器不平衡以及有源部分的故障(如果是有源滤波器)。13与直流系统相连的交流系统故障。包括换流站远端交流系统短路故障、换流母线故障、交流系统功率振荡或次同步振荡、交流系统持续的扰动、换流站内交流母线电压的欠压和过压等对直流系统产生的扰动。14直流甩负荷、直流系统或设备在动态过程中发生故障等对直流系统产生的扰动。15直流控制系统误动对直流系统产生的扰动。16换流变压器保护区内接地、相间短路、匝间短路故障。17换流变压器过励磁、直流偏磁等。此外,直流系统保护策略还要根据系统或设备情况对换流阀点火系统、晶闸管结温、大点火角运行工况等提供必要的监测。直流输电系统发生的典型故障及其基本特点描述见表1。值得注意的是,在故障发生伊始,控制系统会迅速做出响应,对故障的发展有一定的抑制作用,因此采用不同控制系统时,直流系统的暂态性能也略有不同,这是直流输电的特点之一。在进行保护策略研究,特别是仿真时,除交直流系统模型外,应当采用相应的控制系统,并且具有合理的、符合工程要求的控制参数。2配置和操作保护功能2.1直流系统保护策略设计为了提高运行的可靠性,直流保护的配置原则和策略根据直流输电的特点而确定。目前直流保护的冗余方案有2种:3取2逻辑(3取2方案)和主备通道快速切换(双通道方案)。对于主备通道快速切换的直流保护,在主通道发出跳闸命令之前,只要切换延时能够接受便进行一次通道切换。当备用通道也同时检测出故障并出口时,则保护发出跳闸命令。3取2方案为3个通道中至少2个通道检测出故障就发跳闸命令。换流变压器保护采用双重化配置原则,任意一重保护检测到故障时发跳闸命令。此外,为提高安全性,每个系统均有各自的自检系统。当检测到控制保护硬件故障时,如果备用通道完好将要求通道切换。3取2方案则闭锁该保护系统出口,其余系统按照“或”逻辑出口。直流系统保护策略的设计应满足下列要求:①能检测到设备的故障和异常情况,并从系统中切除影响运行的故障设备。②保护系统应至少双重化配置。③故障换流器对健全换流器的影响应达到最小。④各保护区应有重叠。通常每套保护均有一套后备保护。主保护速度快但保护区小,后备保护速度较慢、灵敏度较低,但保护区大一些。如有可能,后备保护应尽可能使用不同的测量原理。⑤保护动作应尽量避免双极停运。⑥通道1和通道2保护的电源应为独立电源。⑦断路器跳闸回路使用双回路。⑧保护配置应满足保护试验和维护时不影响换流器运行的原则。双极保护配置的原则是在任何情况下避免不必要的双极停运。双极保护主要检测下述故障:①影响双极的交流系统故障;②与双极设备有关的公共设备故障,如双极中性母线故障、站接地故障、金属回线设备故障、接地极引线故障和转换开关故障等;③由单极故障引起的双极故障,一个换流器故障时引起另一换流器保护动作。根据以上原则,极设备的保护应当按极独立设置,并配置独立的测量设备;双极的公用设备采用双极保护,每一个极均有一套采用独立测量回路的双极保护;每个极的极保护和双极保护均不允许跳开另一极;双极故障时,单个保护动作不应导致双极停运。只有在双极临时接地方式运行时,任何一个极发生故障都应停运双极,这样做是为了避免故障电流流入站接地网。2.2换流阀、极保护、双极保护三常高压直流输电工程中,直流保护配置的功能包括换流阀保护、极保护、双极保护以及换流变压器保护。直流保护功能按照四个部分配置,四个部分的第一套保护配置控制保护主机1,第二套保护配置在主机2中。2.2.1火炬监测结果第1套保护配置包括阀短路保护、换相失败预测、换相失败保护、电压应力保护、点火不正常保护、晶闸管阀监视、直流过流保护、大角度监视。第2套包括阀短路保护、换相失败保护、直流过电压保护、后备的直流过流保护、阀直流差动保护。2.2.2直流线路保护极保护包括高压极母线、中性母线、直流滤波器、平波电抗器以及直流线路保护。第1套保护配置包括直流极母线差动保护、直流极差动保护、接地极引线开路保护、直流滤波器电容器不平衡保护、直流滤波器差动保护、直流线路保护、中性母线开关保护、直流线路纵差保护、开路线路试验监视、直流滤波器失谐监视以及平波电抗器本体保护。第2套包括直流谐波保护、直流中性母线差动保护、接地极引线开路保护、直流滤波器过负荷保护、直流欠压保护、潮流反转保护、后备中性母线开关保护。2.2.3过负荷保护情况双极保护包括双极中性母线和接地极引线保护。第1套保护配置包括双极中性母线差动保护、转换开关保护(NBGS、GRTS、MRTB)、金属回线纵差保护、接地极引线过负荷保护。第2套包括站接地过流保护、后备转换开关保护(NBGS、GRTS、MRTB)、金属回线横差保护、金属回线接地故障保护、接地极引线不平衡监视。2.2.4换流变压器保护主要参数换流引线和换流变压器保护包括换流引线差动保护、换流引线和换流变压器过流保护、换流引线和换流变压器差动保护、换流变压器差动保护、换流变压器过流保护、换流变压器热过负荷保护、换流变压器绕组差动保护、换流引线过压保护、换流变压器中性点偏移保护、换流变压器零序电流保护、换流变压器过励磁保护、换流变压器直流偏磁保护、换流变压器零差保护,单断路器保护以及换流变压器本体保护。上述配置的基本原则是每极的保护采用双重冗余系统。在每重系统(或称通道)中,对同类故障尽量采用不同原理的2种保护分置于不同主机;对于重要的故障且不能采用不同原理的2种保护时,在不同主机中使用同原理的2套保护。2.3冗余控制系统切换保护动作直流保护动作的执行与直流控制有着密切的关联,在很多情况下会首先启动控制功能,达到保护设备和保证直流安全运行的目的。如通过控制系统切换清除控制系统本身的故障(如测量故障引起的过电压,控制系统故障引起的脉冲丢失等),通过功率回降避免设备过负荷,通过调节分接头防止控制系统失效引起设备过应力,通过极间的电流平衡防止接地网过流,通过再起动逻辑使故障线路充分去游离,重新正常运行等。不同程度的故障下,保护动作的执行方式有所不同。对于严重的、并需要快速闭锁脉冲或无法正确选择旁通对的故障,应立即闭锁点火脉冲,断开交流断路器(如整流侧桥臂短路或丢失脉冲故障);对于较为严重的故障,应立即移相,以抑制故障电流的发展,之后闭锁换流器,跳闸,这类故障包括连续的换相失败、直流侧接地故障以及其他原因引起的直流过流等;对于轻微故障(例如单次换相失败、直流谐波略高以及可控硅元件损坏,数量没有超过冗余值),系统只给出报警。此外,保护策略还根据故障的发展程度采用相应的措施,如逆变侧发生换相失败,保护一旦检测到故障,先发出冗余控制系统切换,如果换相失败是由于控制系统故障引起的,则在系统切换后故障消失。对于直流线路接地故障,直流系统首先会移相去游离,如果故障是临时的,则直流线路可以再起动成功,重新恢复送电,如果是永久故障,则闭锁换流器,跳闸,故障极停运。三常直流输电工程中用于清除直流故障和直流断路器/开关故障可能的保护执行动作包括:(1)冗余控制系统切换。一重控制保护系统(或称主通道)工作,另一通道处在热备用状态,当检测到工作通道故障时,将自动切换到备用通道,此时备用通道则作为工作通道,原故障通道转为非备用通道,即必须手动操作才能将其转为热备用。运行过程中,热备用状态的控制保护系统将受到连续的监视。一旦热备用通道检测到故障,则解除热备用状态,以免在主通道检测到故障时而自动切换到已经故障的通道上。(2)移相和换流器闭锁。发出移相指令后,系统延迟发出下一个控制脉冲。整流侧的点火角增加,直到运行至逆变状态。整流侧电压极性改变,从而熄灭直流电流。闭锁换流阀的控制脉冲,在电流过零点,换流阀停止导通。如换流器闭锁后,需要给直流回路提供一个电流通路,则采用旁通对。旁通对是6脉动桥中与交流系统同一相相联且同时触发的2个阀。旁通对通常在检测到永久接地故障时投入。三常直流输电工程采用的换流器闭锁方式包括X、Y和Z3种形式。X闭锁为整流侧不带旁通对闭锁,逆变侧在交流开关跳闸后闭锁,并投旁通对;Z闭锁指带旁通对闭锁;Y闭锁有整流侧闭锁不投旁通对,而逆变侧闭锁投旁通对的条件限制。换流器闭锁指令和发送至换流器闭锁顺序的信号通道都是冗余的。(3)移相去游离。整流器在移相后,换流器的触发角一直在最大值运行。在发出恢复整流状态指令后,换流器点火角逐渐减小,并最终达到正常运行值。此项保护动作顺序用在清除线路干扰的情况,再起动的次数由运行人员预先设置。(4)交流断路器跳闸。切断交流电源,以免故障电流流到阀上和阀承受过电压。任何跳闸命令都给两个不同电源供电的跳闸回路的跳闸绕组励磁。换流器极的严重故障均需采用这一措施。(5)起动断路器失灵保护。和跳闸指令同时发出,如果断路器拒动,断路器失灵保护将跳下一个断路器。(6)交流断路器锁定继电器。和跳闸指令同时发送给交流断路器,防止断路器在运行人员检查故障前闭合。锁定继电器需要运行人员手动复归。(7)减功率。通常在换流阀或接地极引线过负荷时采用。其目的是尽快把输送功率降低到设置的水平,以保持输电系统的运行。(8)极线隔离。将直流母线与直流线路断开,将中性母线与接地极引线断开。用于正常的手动停运或需要切断极线的保护动作。(9)极电流平衡。在正常运行时双极电流是平衡的。但在一些运行人员控制的运行方式下,接地极可能会出现较大的电流。此时可采用手动方式或通过保护达到电流平衡。电流平衡命令与减功率性质相同。功率命令由两个极中电流较小的一极确定。该命令在双极运行方式下检测到接地极电流过高时发出。(10)转换开关重合闸。当中性母线开关不能把电流切换到接地极引线时,为了保护极设备和站接地网,中性母线开关失灵保护等将起动转换开关的重合程序。(11)中性母线接地开关合闸。为了减少中性母线上的过电压,接地极引线开路保护将起动中性母线接地开关的合闸程序。3交直流差动原理按照上述分析,不同故障具有不同的特点。通过检测电压/电流,三常直流输电工程直流保护根据各种故障特征,采用相应的保护原理。如换流阀保护(阀短路保护、换相失败保护)基于交直流差动原理;阀直流差动保护、极母线差动保护、中性母线差动保护、金属回线横差/纵差保护和换流变压器差动保护等采用差动电流的原理;后备过流保护、换流变压器过流保护等基于过流原理;电压应力保护、直流过压保护、接地极引线开路保护等基于过压、过应力原理;直流过流保护、大角度运行监视以及过负荷保护等建模计算相应元件/设备的过负荷情况。此外还有一些保护的工作原理基于其实现的电路或逻辑,如点火不正常保护和潮流反转保护等。以直流线路保护为例分析三常直流输电工程直流线路保护配置、工作原理及保护之间的配合关系。3.1直流线路保护直流线路故障发生时,由于线路电容放电,短路点的故障电流会陡然升高,出现过冲。初始故障电流与线路波阻抗有关,比稳态电流值大很多。直流电流过冲的大小与平抗、电流调节器增益和时间常数、故障点距离、直流电压和故障发生的时刻都有关系。定电流调节器的作用会将稳态短路电流限制在一个较小的数值。直流线路故障一般通过电流的暂态分量和电压变化量进行检测。经典的直流线路保护是以电压导数法为主保护、线路纵差保护、直流欠压保护作为后备保护;目前,许多工程的主保护也采用行波保护,但各自的算法均不相同。三常直流输电工程直流线路保护按照2套主保护(行波法和电压导数法)进行配置。行波法是直流线路故障的主保护之一。利用反行波计算公式b(t)=Z·i(t)-u(t)分别得到利用极母线电流计算得到的行波值和利用接地极引线电流计算得到的行波值。检测波前之前采样点和一定数量的采样之后的样点之间的差值,如果大于整定的阈值,保护动作。对于行波保护,由于受到直流系统性能和参数的影响大,其算法和判据比较复杂,需要根据不同的系统工况和系统条件进行详细的校核和修正。电压导数和电压水平法也是直流线路故障的主保护之一。基于的原理是直流故障下直流电压在很短的时间内下降到很低的水平。此保护可以在2～3ms内检测到故障,检测部分由电压导数部分、低电压水平部分和电流差值部分共同决定电压导数保护出口。如果直流线路通过阻抗短路,电压变化率很低,导数部分可能不动作,可以通过电压水平部分检出。直流线路纵差保护测量并比较两端换流站的线路电流,同时补偿对站电流的采样时延。保护基于差动原理,延时400ms。直流远动通信故障时该保护闭锁,以防止保护误动。直流欠压保护作为直流线路保护的后备保护。通过测量直流电压、直流电流和点火角检测直流线路欠电压。保护动作阈值250kV,延时4s。3.2电流变化率过大时二次故障di/dt直流线路保护策略应考虑:①直流线路保护只在整流侧有效。②为了区分站内故障和直流线路故障,可以测量直流电流的时间变化率dI/dt。正的dI/dt(正向电流增加)表明故障点在IDL测量互感器线路侧;负的dI/dt值表明故障点在直流场内。③应考虑防止保护在下述情况下误动:整流、逆变侧发生交流故障;极起/停;逆变侧换相失败。④通信异常时,电压水平部分将延时820ms动作,以与交流系统后备保护时间进行配合。3.3线路再击穿装置费csa直流线路保护出口信号会起动再起动逻辑。再起动逻辑起动后,向控制系统发出移相去游离命令,系统将移相到164°,并保持一段时间,这段时间是系统的去游离时间(大约200～500ms),使闪络故障经过充分去游离,线路绝缘性能恢复到能够承受正常电压。移相去游离命令之后立即形成再起动命令,将角度拉到60°左右,进行线路再起动,这种状态维持一个较短的时间(4ms),防止线路开路引起峰值整流过电压。如果再起动成功,恢复正常送电;如果不成功,可以进行多次再起动,甚至降压再起动,试图将直流电压降低水平运行,这也是直流输电的优势之一。三常直流输电工程全压再起动次数为3次(去游离时间分别为150、200ms和300ms)、降压再起动次数为1次。如果线路上发生了永久故障,保护跳闸。4实时互通及rtds的应用直流保护直接涉及到交、直流系统的故障暂态性能,各保护的原理及其与全系统参数、直流控制的配合是进行保护策略设计的技术关键。直流控制保护系统功能性能的研究和测试手段包括EMTDC和RTDS等。直流系统电磁暂态仿真程序EMTDC和实时系统电磁暂态仿真设备RTDS均基于数学模型对实际系统进行模拟。EMTDC是离线的系统电磁暂态仿真分析工具。利用EMTDC可以方便快捷地研究直流故障特性以及保护在各种工况下的特性,在确定保护定值工作方面(特别是规模复杂,工况繁多的系统)效率很高。EMTDC采用串行计算进行系统仿真,虽然计算速度不能满足实时要求,但这对于系统研究无关紧要。而其所模拟的系统规模基本没有限制,这与实时仿真系统相比具有无比优越性。RTDS是电力系统实时数字仿真系统,它利用多个高速数字处理器并行计算从而达到实时仿真的目的,能为电力系统提供实时的、安全的环境仿真现实中可能的故障,而不损坏设备,是测试控制保护方案的理想工具。利用RTDS对外部控制