宜都高压直流极母线差动保护不平衡电流分析

宜都高压直流极母线差动保护不平衡电流分析

0光学电流进行电流动态测量的风险三峡-上海500kv直接供电工程（宜都-华新）是三个第三方的代表性能源装置，是中国和中国之间向中国发送能源需求的第三个渠道。工程自2004年12月开工建设,2006-09-21至2006-11-07进行系统调试,2006-11-11双极投入试运行。三上直流系统中大量采用了光学电流互感器(opticalcurrenttransducer,OCT)技术,OCT与传统电流互感器相比,具有绝缘性能优良、无暂态磁饱和问题、动态测量范围大、频率相应宽、抗电磁干扰强、安全性能好、体积小、质量小、易与数字设备接口等优点。高压直流差动保护可能会同时用到OCT和常规电磁TA,也有可能使用同型式不同规格的测量设备,由于测量范围或暂态特性的不同,不平衡电流均有可能造成直流保护的不正确动作,给高压直流的安全稳定运行带来隐患。本文以宜都换流站系统调试期间极母线差动保护误动作为例,分析极母线差流中不平衡电流产生的原因,并提出相应解决方法。1极iii直流电交流系统级控制策略以下所有的分析均以宜都站现场ABB公司MACH2系统的录波数据为依据,各种电气量和数字量也尽量和该故障录波系统名称相符合。MACH2是高压直流和静态无功补偿模块化高级控制系统第2版(ModularAdvancedControlHVDCandSVC2ndedition)的缩写,是一种基于软件和硬件的开发平台,一种可用于直流输电的系统级解决方案。故障前极II直流系统1.5GW运行正常;500kV交流系统运行正常。潮流控制方式是P-Mode(定有功功率控制),无功控制方式是Q-Mode(无功交换控制),以控制换流站和交流系统的无功交换量,换流变压器分接头控制方式是角度模式。2006-10-24T10:13:43.053,在宜都站极II直流线路距宜都站20m处,做直流瞬时性接地短路故障试验时,直流线路保护没有动作,极母线差动保护动作跳闸,极IIZ闭锁;交流开关跳闸;极隔离;启动断路器失灵保护;闭锁交流断路器。试验失败。2错误分析2.1直流线路保护动作高压直流线路保护主要有:线路行波保护、线路电压突变量保护、线路低电压保护、线路差动保护、线路再启动保护、交直流碰线告警、金属回线差动保护和金属回线横差保护。其中,交直流碰线告警、金属回线差动保护和金属回线横差保护不能保护正常运行时直流线路的接地故障。行波保护和电压突变量保护是直流线路接地故障的主保护,特高速动作,动作时间为几ms;线路低电压保护是行波保护和电压突变量保护的后备保护,高速动作,动作时间为几十至上百ms;线路差动保护是前述3种保护的后备保护,慢速动作,动作时间为s级。行波又分为极波和地波,极波反映了直流线路上传输的故障电流,地波反映了故障接地点流入中性母线的电流。极波可以判断发生了直流线路故障,地波可以判断哪一极发生了故障,线路保护动作需要满足以下5个条件:1)极波变化值大于参考值。在某时刻检测到的极波值与2、6、10和20ms之前的极波值均超过了门槛值(全压运行为210kV,降压运行为105kV),就认为检测到了直流线路接地故障。2)地波变化值大于参考值75kV。3)电压变化率du/dt大于参考值396kV/ms。4)直流全压运行,电压低于参考值250kV。5)线路差流满足门槛值120A,制动系数0.1的比率差动保护动作判据。行波保护和电压突变量保护利用故障瞬间所传递的超暂态电流、电压值来构成特高速的线路保护,同基于工频电气量的传统保护相比,其幅值和方向皆能准确反映原始的故障特征而不受电流互感器饱和、系统振荡和长线分布电容等的影响,非常适合做高压直流线路的主保护。然而,由于做直流瞬时性接地短路故障试验时,接地材料存在一定的电阻,导致高阻接地故障后直流线路残压较高,超出行波保护和电压突变量的灵敏度。而线路低电压保护和线路差动保护作为主保护的后备保护,延时较长,由于极母线差动保护动作延时短,所以直流线路故障保护还没有动作,直流系统就已经闭锁停运。2.2极母差保护误动极母线差动保护示意图见图1,极母线差动保护的保护区域为阀厅OCT(IDP)、极母线OCT(IDL)以及两台直流滤波器OCT(IT1、IT2)所包含的区域。极母差电流IPBDP_DIFF=|IDP-IDL+IT1+IT2|。极母线差动保护动作原理为:IPBDP_DIFF>IPBDP_REF=0.4×3kA+|0.2IDP|时,保护经5ms延时跳闸出口,IPBDP_REF是极母差制动电流;IPBDP_DIFF>0.05×3kA时,保护经100ms延时发报警信号。图2为极母差保护动作时的录波图,可以看出,极母差差流在两段时间内大于制动电流,时间分别为4.3ms和1.2ms,不满足极母差5ms延时跳闸的判据,通过ABB高压直流输电控制软件Hidraw功能流程图查询ABB的软件逻辑后发现,极母差保护程序运行在“Level2”上,即每2ms执行一次,导致极母差保护的时间计数器误将两段分开的延时当作一整段延时,从而满足5ms动作延时而误动作。发现了问题之后,ABB将极母差保护及其它保护程序调整到“Level1”上(每1ms执行一次),缩短程序的调用循环周期,使保护对电流的变化更加灵敏。然而,极母差保护误动的根本原因在于区外接地故障时出现的虚假大差流。直流系统中存在大量的电容和电感等储能元件,在运行方式发生改变时,这些元件的充放电导致非常严重的暂态过程,滤波器中流过的电流瞬时达到正常情况下的几十倍,这时候如果TA特性不一致,就会产生较大的差电流,可能导致差动保护,同时由于直流滤波器本身就流过大量的谐波电流,导致不能用常规的TA饱和判据来判断差电流的产生原因,所以在差动保护算法中要充分考虑TA暂态特性不一致和TA饱和等因素。本次误动作的直接原因在于:当直流线路发生接地短路时,直流滤波器中的储能元件电容器通过直流线路接地点对地放电,产生含有丰富谐波分量的放电电流,而直流滤波器和直流线路的TA特性不一致,形成暂态不平衡电流,致使保护误动。2.3不平衡电流ipbdp图3中的IT1和IT2是2个直流滤波器的放电电流,可以看出,极母差动电流中谐振频率约为l.2kHz的信号是因为直流滤波器的高压电容放电。IT2的峰值达到了5.5kA,震荡频率1.2kHz,暂态过程持续约15ms。由于此放电电流的存在,IDL的波形不再是平滑的波形,而是呈现叠加了直流滤波器放电电流的“振荡”波形。虽然有直流滤波器放电电流的影响,但是极母线差动电流应该可以相互抵消掉放电电流的影响,差流仍然应该为0,不平衡电流IPBDP_DIFF是由于OCT的传变特性不同而产生的不平衡电流。在正常运行情况下,直流滤波器中谐波电流的大小主要取决于触发角α(从脉冲触发到阀导通的角度)、重叠角γ(两个阀同时导通的角度)和输送功率的变化,当交流电压不平衡时还会产生非特征谐波。这些谐波分量的频率和幅值的大小随着直流控制系统工况的改变和交流系统的运行情况发生很大的变化,很难在其中寻找一个占主导地位的分量,这样,直流滤波器保护用TA必须尽可能不失真地反映多个频率的电量。为了满足直流滤波器稳态不平衡、暂态不平衡、差动速断、比率差动等保护的要求,测量IT1和IT2的OCT型号定为DOCT4000,额定频率为0.6kHz,最大允许幅值误差为3%,最大允许相位移1ms,最小截至频率(-3dB)为1.2kHz。测量线路直流电流IDL的OCT主要是测量直流分量的大小,因此型号定为COCT/X-01B,额定频率为0Hz,最大允许幅值误差0.5%,最大允许相位移500μs,最小截至频率(-3dB)为7kHz。由于这两种TA的特性不同,即使在一次电流相同的情况下,二次侧也会不同。这样,在直流线路接地故障时,根据IDL、IDP、IT1和IT计算的差动电流就是不平衡电流,其暂态分量很大,有可能导致一些超快速保护误动。3处理方法3.1直流滤波器放电只要躲过直流滤波器的放电暂态过程,就可以避免极母线差动的误动作。若将动作延时改为8ms,则可以躲过直流滤波器放电的暂态过程。但是厂家在动模试验时发现,极母线区内故障时,由于直流控制系统的迅速动作(移相),故障电流迅速减小,若极母差保护为长延时,则极母差保护可能拒动。因此,此方案不能被采纳。3.2极母差动保护极母线差动保护误动作的主要原因是直流滤波器的暂态高频分量在不同特性的OCT上传变特性不同。在ABB最初的设计中,线路电流在进入极母差保护计算前,首先经过了一个最小截至频率(-3dB)为1274Hz的二阶低通滤波器,才得到极母差用的IDL,以尽量消除参与差流计算的高次谐波分量的影响。极母差保护误动作后,ABB修改了极母线差动保护逻辑,利用截至频率为0.5kHz的低通滤波器,消除参与差流计算的各个分量的高频分量,然后再用过滤后的分量计算差流。2006-11-07在靠近宜都侧又进行了一次人工直流接地故障试验,图4是记录下来极母线差动电流,可以看出,极母线差动保护的不平衡电流峰值已经由7.225kA下降到5.364kA,但是仍然超过ABB技术报告给出的要求。之所以出现这种情况,主要是两种TA特性的不同造成的,而且二次侧相位移问题并没有解决。3.3极收极母差动保护若在直流滤波器上增加新的OCTCOCT/X-01B,替换原OCTDOCT4000来测量直流滤波器电流,来参与极母线差动保护,就可以从根本上避免区外故障时不平衡电流的形成。但是COCT/X-01B是用于测量直流量的,测量滤波器上的高频信号不准确,不能满足直流滤波器本身不平衡等保护的要求。此外,这个方法需要增加设备,实施起来比较困难。图1所示直流线路发生接地故障时,IT1和IT3相等,IT2和IT4相等,测量IT3、IT4的电磁式TA型号为OSKF123,额定频率为50Hz,准确度为0.5级,其暂态特性与测量IDL、IDP的OCT暂态特性比较接近,因此,ABB用IT3、IT4代替IT1、IT2参与极母线差流计算,同时保留了截止频率为0.5kHz的低通滤波器,增加了校正IDP、IDP的相角环节,以消除与IT3、IT4之间的相角差。图5是采取上述措施后,2007-08-27极2线路接地故障记录下来的极母线差动电流,可以看出,极母线差动保护的不平衡电流峰值已经下降到1.879kA,且无连续5ms在1.2kA以上,避免了极母差保护的误动。这也是目前宜华直流极母线差动保护的实际运行状况。然而,采用IT3、IT4代替IT1、IT2参与极母线差流计算,会扩大极母线差动的保护范围,当直流滤波器发生接地故障时,极母差保护会误动作,破坏了极母差保护的选择性。直流极母线电流IDP和直流线路电流IDL与直流滤波器上的电流存在相位差,如果将IDP和IDL进行适当移相,可以将极母线差动电流在故障发生后5ms内降至很低,小于极母线差动保护定值,使得测量误差尽可能小。根据以上现象,分别将极母线电流IDP和直流线路电流IDL延迟3ms,并用PSCAD/EMTDC进行仿真计算,如果直流极母线蓑动保护的各个参量电流响应特性确实存在不一致,则修改相应软件,弥补电流互感器(TA)响应特性的不一致。4保护的可