高压直流输电系统中的换流器阀短路保护

高压直流输电系统中的换流器阀短路保护

0高压直流输电系统阀短路故障模型中国面积如此之大。随着经济的快速发展，全球能源走廊将不可避免地导致长期传输。相对于交流输电,高压直流输电系统更适合远距离大功率输电。目前,国内已建成2个国际领先的±800kV特高压直流输电工程——云广工程和向上工程,±1000kV特高压直流输电工程也已处于论证阶段。换流器是直流输电系统中最重要的元件,其故障形式和机理与交流系统中的一般元件有很大差别,而其中阀短路是换流器最严重的一种故障。为防止阀短路时换流阀遭受过应力,高压直流输电工程中通常配置了阀短路保护作为换流器主保护。换流器交流侧电流大于直流侧电流是阀短路故障的主要特征。阀短路保护判据中用到了几种不同类型的电流互感器,当换流变压器(简称换流变)空载充电或交流系统发生故障时,可能会出现由于电流互感器暂态特性不一致而引起阀短路保护误动的现象。另一方面,由于晶闸管阀的单向导通特性,整流侧和逆变侧在正常运行时的点火角不同,两侧发生阀短路故障时有较大的差异,整流侧阀短路比逆变侧阀短路产生的后果严重得多,同时,控制系统对两侧保护的影响也是不一样的。因此,对阀短路保护不宜沿用传统交流纵差保护的整定方法,对其动作特性及其定值整定需作进一步分析。本文基于实时数字仿真仪(RTDS)建立了高压直流输电系统阀短路故障模型,以考察阀短路保护在各种情况下的动作行为。仿真结果表明,按传统方法配置的阀短路保护在逆变侧阀短路时有可能拒动,而在换流变空载充电时有可能误动。本文提出了阀短路保护的新的配置方法,可以解决上述可靠性与灵敏性之间的矛盾。1阀短路保护的电液联动阀控制板的设计现代高压直流输电工程(如±500kV工程)通常一个极的基本运行单元采用一个12脉动换流器,如图1(a)所示。国内±800kV特高压直流输电工程采用每极双12脉动换流器串联结构,使其具有更多运行方式的选择,可以提高整个系统运行的灵活性和可用率,如图1(b)所示。±800kV工程和±500kV工程中阀短路保护的区别仅在于保护配置不同,并没有本质的区别,故本文以单12脉动换流器为例对阀短路保护进行分析。阀短路保护的测点为:高压极母线电流、中性母线电流、换流变阀星侧三相电流、换流变阀角侧三相电流,分别通过阀厅内光电流互感器、零磁通电流互感器和交流互感器得到。阀短路是换流器阀内部或外部绝缘损坏或被短接造成的故障,阀短路保护的目的是保护晶闸管换流器免受故障造成的过应力。阀短路保护的区内故障一般包括阀短路、换流器交流侧相间短路、阀厅直流端出线间短路,如图2所示的K1(1)~K1(4),K2,K3(1),K3(2)和K4故障,后文会进一步分析到,阀短路保护动作方程的不同,决定了是否能保护接地故障(K5)。2运行故障特征分析2.1最佳故障电流的计算整流器阀短路时,换流器交流侧交替地发生两相短路和三相短路,交流侧电流激增,换流桥直流侧电流下降。阀短路时的等值电路如图3所示。整流器阀短路故障的严重性与整流器的触发角α、运行电流Id以及故障发生时刻有关。整流器处于空载状态(Id=0)、α=0、换相结束后立即发生阀短路时,将产生最大的故障电流。在额定工况下,一般直流工程的触发角α约为15°,换相角μ约为20°,则可得出故障后交替发生的两相短路和三相短路的短路电流的幅值Is2和Is3与额定直流电流Id的关系为:式中:E为交流侧线电压有效值;Lγ为换相电感。现以阀V3为例分析故障后流过阀V3的最大可能电流。由文献知:考虑到控制系统的调节作用,在实际的直流工程中,故障后短路电流迅速增大,控制系统将迅速增大α,一般可达到150°左右。设α=150°,代入式(3),可得:同理可推得其他阀所可能流过的最大故障电流大约会达到5~10倍Id,下文的RTDS实验验证了该结论。2.2直流工程关断角的确定逆变侧阀短路后,交流故障电流的大小与触发角β有关,设在ωt=0°触发导通时发生故障,可能出现的最大过电流为:式中:ωt∈[0°,60°]。额定工况下,一般直流工程的关断角γ约为17°,α约为150°,β=π-α,则可得到:实际直流工程中,故障后逆变器的α将从正常运行时的150°左右下降,但为防止电压极性反转,一般会设置一个最小值,例如110°,则β将从正常运行时的30°左右到70°左右动态变化,则由式(5)可得出ikmax的最小值约为Id,最大值约为3Id。由上述分析可知,在高压直流输电系统中,相对于整流侧阀短路,逆变侧阀短路的短路电流要小得多,对阀短路保护的整定需要考虑这一特点。3表中朱夫保护操作的分析3.1换流阀差动保护的数学模型阀短路保护基本原理是利用故障时换流器交流侧电流大于直流侧电流的故障特征作为保护判据。工程中在Y桥和D桥分别配置阀短路保护,便于在保护动作后迅速定位故障桥。保护判据的形式为:式中:id=iacY(iacD)-iDC为差动电流,iacY和iacD分别为Y桥三相交流电流iacYj和D桥三相交流电流iacDj的绝对最大值(j=a,b,c),iDC为直流侧电流;ires为制动电流,ires=min(iDP,iDNC),iDP和iDNC分别为换流桥高压极母线电流和直流中性线电流,正常运行时总有iDP=iDNC成立;I0为保护的启动定值;k为比例系数。正常运行时,根据基尔霍夫定理和换相原理,非换相期间,直流电流等于导通阀中流过的一相交流电流瞬时值;换相期间,直流电流等于参与换相的阀中流过的两相电流瞬时值之和,也等于另一相电流的相反值。因此,上述判据中采取交流侧三相电流的绝对最大值与直流电流构成差动保护。直流侧电流iDC选取的不同,决定了保护所针对的故障类型的不同。当发生阀短路保护的区内相间短路时,如前所述,交流电流增大,根据基尔霍夫定理,此时也总有iDP=iDNC成立,因此,保护判据中直侧电流iDC取max(iDP,iDNC)或min(iDP,iDNC)并无差异。当发生整流侧换流阀接地故障时,该侧电流之间满足如下关系:式中:iF为故障点流入地的电流。当发生逆变侧换流阀接地故障时,该侧电流之间满足如下关系:由式(8)和式(9)可知,差流中取iDC=min(iDP,iDNC)才能反应于换流阀接地故障。综上所述,当前直流工程中常用的阀短路保护的判据如下。1)不反应于接地故障2)反应于接地故障3.2阀短路保护的整定原则3.1节所述保护判据形式上为典型的过原点的比率差动保护,需要确定保护启动电流I0和比例系数k。目前,一些直流工程对于阀短路保护的整定沿用传统的交流比率差动保护原则。启动电流I0的整定原则是躲过正常工况下最大的不平衡差流,常取0.3~0.5(标幺值)。比例系数k的整定考虑躲过区外最严重故障时两测量回路产生的最大不平衡电流。交流互感器的测量误差按0.5%计算,光电流互感器和零磁通电流互感器的测量误差按0.3%计算,k一般取0.2。阀短路保护无延时。3.3逆变侧回路与阀短路保护动作的关系直流输电系统中,控制系统与保护系统的关系密不可分,因此,在研究阀短路保护时,有必要考虑控制系统的影响。阀短路故障后,控制系统的多种控制功能将协调动作,主要有电流控制器、低压限流控制器(VDCOL)、γ控制器、换相失败预测等。整流侧区内故障时,由于直流电压迅速下降,VDCOL动作将电流指令限制在最低水平,同时由于阀侧电流迅速升高,电流调节器迅速提高α去降低电流,这样换流器实际上运行在逆变状态,直流电流逐渐下降到0。对阀短路保护动作方程来说,直流电流的下降,降低了制动电流,有利于保护动作;但是,α增大后降低了交流短路电流,但如2.1节所述,整流侧阀短路时交流短路电流很大,故控制系统的介入对保护影响不大,保护的灵敏度很高。逆变侧区内故障时,直流系统会提供故障电流,直流电压下降、直流电流上升,并将出现换相失败。换相失败会造成交流侧开路、直流侧短路,故可能会出现差流为负值的情况,这种情况下阀短路保护不会动作。非换相失败期间,由于直流电流增大,差流不会很大,很难达到保护动作定值。不过,控制系统的VDCOL和γ控制器将会去降低直流电流,并逐渐将直流电流稳定在一个适当的水平。在此调节过程中,由于直流电流的下降,差流会增大,阀短路保护才有可能动作。可见,逆变侧发生阀短路故障后,控制系统的调节作用将有利于阀短路保护的动作性能,但总体而言逆变侧阀短路保护的灵敏度较低。电流互感器是继电保护的一个重要组成部分,尤其是对差动保护而言,电流互感器的暂态特性会影响保护的性能。阀短路保护用到的几种互感器的暂态特性并不相同,尤其是交流互感器,早期有些直流工程现场出于经济上的考虑或安装上的要求,还是使用P级互感器,这种互感器只能保证稳态特性误差,在暂态过程中的误差比稳态误差大得多,当换流变空载充电或发生区外短路时,电流中含有非周期分量比较大,其直流偏磁作用很容易使电流互感器铁芯进入深度饱和状态,这将使电流互感器传变特性严重恶化,产生虚假的差动电流,有可能使阀短路保护误动作。4rtds模拟分析4.1rtds模拟法本文基于RTDS搭建了±500kV德(阳)—宝(鸡)直流输电工程的仿真实验模型,如图4所示。RTDS对直流输电系统各元件都进行了详细而准确的模拟,包括换流阀、换流变压器、直流线路、平波电抗器和交直流滤波器等。阀短路保护启动定值按传统的0.5(标幺值)设定,比率系数设定为0.2。分别仿真了系统运行在额定状态(额定电流3000A)和最小功率状态(电流300A)时的情况。4.2侧阀短路补偿1和制动电流ires阀侧电流IVD、直流侧电流IDP和IDNC、差流IFD和制动电流Ires如图5所示。故障后阀侧最大电流约为10倍额定电流,而直流电流在控制系统的作用下逐渐下降至0,故这种情况下差流很大,而制动电流较小,保护可靠动作。2直流和直流电流在控制系统的作用下发生差流如图6所示,故障后阀侧最大电流约为6.7倍额定电流,而直流电流在控制系统的作用下逐渐下降至0,故这种情况下差流很大,而制动电流较小,保护可靠动作。4.3反变侧阀短路模拟1直流电流随电流增长关系如图7所示,D桥阀短路故障后出现换相失败,阀侧交流电流最大值约为2.1倍额定电流;由于整流侧通过直流系统向短路点提供短路电流,故直流电流先增大至约1.7倍额定电流,而后才在控制系统的作用下逐渐减小,因而故障初期差流并不大,换相失败期间甚至为负值,随后在直流电流下降后才出现较大的差流,最大差流为1.7倍额定电流,在故障后约60ms差流超过制动电流,满足保护动作方程,保护动作。2电流和差流约定电流如图8所示,Y桥阀短路故障后也出现换相失败,阀侧最大电流约为0.9倍额定电流,最大差流约为0.8倍额定电流,故障后约60ms保护动作。这种情况如果启动值大于0.5(标幺值),保护很有可能拒动。4.4逆变侧阀短路保护误动的仿真结果为了考察换流变空载充电时励磁涌流的影响,将换流变参数设置成饱和变压器参数,阀角侧互感器三相特性选得不一致,然后进行换流变空载充电实验,如图9所示。空载充电时换流变产生很大的励磁涌流,阀角侧互感器受到励磁涌流中的非周期分量的影响而饱和,因而出现约1000A的差流。这种情况在RTDS实验时受到模型参数的影响,因而实验结果不具有普遍性,但现场已经发生过类似事件,图10为某换流站换流变空载充电时的波形,阀角侧互感器受到励磁涌流中非周期分量的影响而饱和,同时由于环内三相电流互感器的暂态特性不一致,环外阀角侧电流增大,而此时由于直流系统尚未解锁,直流电流为0,因而出现约0.25(标幺值)的差流,制动电流启动值为900A(0.5(标幺值)),虽然并未造成保护误动,但这种现象应引起足够的重视。上述仿真结果表明:整流侧阀短路比逆变侧阀短路造成的后果严重得多,整流侧阀短路时保护可快速可靠动作,而逆变侧发生阀短路时,差动电流较小,在某些情况(例如定值设置不当等)下可能会导致阀短路保护拒动。另外,若阀短路保护启动定值按传统交流差动保护的0.3~0.5(标幺值)整定,则换流变空载合闸时,由于交流互感器饱和及三相电流互感器暂态特性不一致等因素影响,有可能导致阀短路保护误动。5保护的可靠性和灵敏性从前文分析可知,逆变侧阀短路区内故障的灵敏度较低,为了保证在小功率运行时逆变侧阀短路保护仍能动作,一般将启动定值取得较低,典型值是0.5(标幺值);另一方面,当换流变空载充电时,如果交流互感器出现饱和现象,则会出现较大差流,可能造成保护误动。本文针对这2种情况,提出如下保护配置和整定建议:1)对于新建直流工程,现场一般使用TPY级交流互感器,这种互感器可保证暂态过程中的误差特性,保护的可靠性也有所保证,因而主要考虑提高保护的灵敏性,启动值可取得较低,例如0.5(标幺值),使整流侧和逆变侧阀短路保护都具有较高的灵敏性。2)对于较早建设的直流工程,有的现场不是使用TPY级互感器,保护的可靠性和灵敏性需要统筹考虑,有2种方案可供选择。方案1:首先确保可靠性,则启动值必须抬高,例如2.0(标幺值),这样整流侧仍有较高的灵敏性,但逆变侧发生区内阀短路故障时,保护可能无法动作。这种方案相当