特高压直流输电换相失败保护动作方程的改进

特高压直流输电换相失败保护动作方程的改进姜姝，王钢，李海锋，黄敏（华南理工大学电力学院，广东省广州市，510640）摘 要：目前国内的特高压直流输电工程均基于ABB和西门子公司的直流保护系统，二者所设计的换相失败保护存在一定的差异。

通过故障特性分析，对两类换相失败保护的动作方程进行了比较，在此基础上改进了现有换相失败保护的动作方程，提高了保护的灵敏性。

利用PSCAD/EMTDC仿真软件，基于±800 kV特高压直流输电仿真模型，对换相失败故障和阀区内接地故障下保护的动作进行仿真验证。

结果表明，本文所提改进的特高压直流输电系统换相失败保护动作方程具有有效性和合理性。

关键词：特高压直流输电；换相失败保护；动作方程0 引言特高压直流输电具有远距离、大容量、低损耗的优势，适合我国能源和负荷分配不均，用电负荷快速增长的国情。

建设±800 kV特高压直流输电工程是中国电力工业发展的必由之路[1~3]对于±800kV特高压直流输电，由于目前世界上还没有成熟技术，在中国乃至世界上仍是一个具有相当多技术难点的工程实践课题。

总体看来，特高压直流输电工程的控制保护系统在原理上与常规的±500 kV直流输电工程并无大的不同。

但特高压直流工程的接线方式与常规直流不同，每极采用两个12脉动换流器串联而成，对直流控制保护系统的可靠性提出了更高的要求。

工程界和学术界对特高压直流输电保护系统的保护配置、动作原理及动作策略等方面展开了全面的分析和研究[4~8]。

换相失败是逆变器最常见的故障，特高压直流工程配有相应的换相失败保护。

目前国内的特高压直流输电工程均基于ABB和西门子公司的直流保护系统，二者所设计的换相失败保护存在一定的差异和不足，因此有必要对特高压直流输电的换相失败保护进行深入研究。

通过对特高压直流输电系统阀组区接地故障和换相失败的故障特性进行详细分析，本文比较了现有两类特高压直流输电系统换相失败保护的动作方程。

在此基础上，对换相失败保护的动作方程进行了改进。

1 现有换相失败保护的动作方程±800kV特高压直流工程每极采用两个12脉动换流器串联而成，1个12脉动换流器简称1个阀组。

保护以1个阀组为单元进行配置，每个极中两个阀组的保护分区相互独立。

因此，本文以其中的1个阀组为例进行分析。

十二脉动逆变器的原理接线图如图1所示。

图1 12脉动逆变流接线图及阀组区内接地故障分布换相失败是逆变器最常见的故障，在许多情况下发生一次换相失败故障后系统又能自动恢复正常运行，只有连续发生换相失败时才需要停运相应的换流器。

换相失败通常是触发脉冲故障或交流电网故障引起，因此在动作时间上必须考虑极控切换时间和交流系统保护最长切除故障时间。

通常为防止换相失败还配备相应的控制功能，保护动作后立即提前触发故障的逆变器，避免出现连续换相失败的发生，如故障仍未消除，则闭锁该换流器，跳交流侧开关[9~10]。

目前国内的特高压直流输电工程均基于ABB和西门子公司的直流保护系统，二者所设计的换相失败保护的动作方程存在一定的差异。

1.1 ABB的换相失败保护动作方程ABB有专门的换相失败保护，其动作方程为：Y桥：01maxDmax VY DI I I k I−>+ (1)同时满足：2maxVY DI k I<(2)D桥：01maxDmax V Y DI I I k I−>+(3)同时满足：2maxVD DI k I<(4) 式中，I Dmax=max(I dH, I dN)。

I dH和I dN分别为换流器高压侧和中性线直流电流，I VY、I VD分别为Y、D 桥三相交流电流绝对值的最大值。

I 0为比率差动的最小动作电流，一般取为0.133 pu ，k 1、 k 2为比例系数，一般取为0.1、0.65。

1.2 西门子的换相失败保护动作方程西门子通过桥差保护和阀组差动保护共同实现换相失败期间换流器的保护。

桥差保护的动作方程为：Y 桥：max(,)VY VD VY set I I I I −> (5) D 桥：max(,)VY VD VD set I I I I −> (6) 阀组差动保护的动作方程为：max(,)Dmin VY VD set I I I I −> (7) 式中，I Dmin =min (I dH , I dN )。

set I 为保护的动作定值，一般取为0.1pu 。

2 换相失败保护动作方程的比较2.1 故障特性分析1）故障时I dH 的变化趋势分析为简化说明，将阀组保护分区内发生的故障称为区内故障。

稳态时单极运行方式下，I dH 与整流侧直流电压U d1和逆变侧直流电压U d2满足如下关系：d1d2dH U U I R−=(8) 式中R 为直流回路电阻。

当逆变器发生区内故障时(故障5除外)时，U d2减小，由式(8)知I dH 增大，在直流故障电流被整流侧电流调节器控制后I dH 减小。

2）故障时I dH 和I dN 的关系分析由于换流变阀侧绕组分别为Y 接法和D 接法，所以区内发生故障时，该侧绕组不能产生零序电流，故有：00VYj VDj I I ∑=∑= (9)式中I VYj 、I VDj 分别为Y 、D 桥三相交流电流，j=a,b,c 。

当区内不发生接地故障时，运用基尔霍夫定律可得：dH dN I I = (10)同理，当区内发生接地故障时可得：dH dN F I I I =+ (11) 式中I F 为入地电流。

3）交流侧电流和直流侧电流的关系分析 从Y 桥和D 桥的连接点引出一条虚线MN ，将高压侧十二脉动换流器分区分为Z 1、Z 22个区域，并在连接点处增加虚拟测点I dM 。

当区域Z 1内没有发生故障时，由式(10)可得I dH =I dM 。

根据阀的单向导通性有：VYj VYj VYj dHI VYj dM I I I I I ><⎧=⎪⎪⎨−=⎪⎪⎩∑∑ (12) 可得VY dH I I = (13)同理，若区域Z 2内没有发生故障，则VD dN I I = (14) 2.2 两类保护动作方程的比较ABB 的两条判据，实质上是折线式比率差动保护，可改写为如下形式：Y 桥：I Dmax -I VY >max{I 0+k 1 I Dmax ,2k ′I Dmax } (15) D 桥：I Dmax -I VD >max{I 0+k 1 I Dmax ,2k ′I Dmax } (16) 式中221k k ′=−。

当Y 桥发生换相失败时I dH 增大；为非接地故障，由式(10)可知I dN =I dH ，增大；Y 桥交流侧短时开路，I VY 减小；故障发生在区域Z 2之外，且由式(14)知I VD =I dH ，增大。

则式(15)左侧增大，ABB 的Y 桥换相失败保护动作；式(5)左侧增大， 西门子Y 桥桥差保护动作；ABB 的D 桥换相失败保护、西门子D 桥桥差保护、西门子阀组差动保护不动作。

应用2.1节所述规律，在Y 桥换相失败、D 桥换相失败、双桥换相失败故障下，对保护的动作情况进行分析，两类换相失败保护的动作情况归纳如表1：表1发生换相失败时两类保护的动作分析故障桥 动 作 的 保 护 Y 桥 ABB Y 桥、西门子Y 桥桥差保护 D 桥 ABB D 桥、西门子D 桥桥差保护 双桥 ABB Y、D 桥、西门子阀组差动保护在区内接地故障下（故障位置如图1所示），以逆变器直流高压端接地故障（故障位置1）为例进行分析。

故障发生时，I dH 增大；为接地故障，由式(11)可知I dN 减小；Y 桥交流侧短时开路，I VY 减小；故障发生在区域Z 2之外，由式(14)知I VD =I dN ，减小。

则式(15)、(16)左侧增大，ABB 的Y 、D 桥换相失败保护动作。

西门子Y 、D 桥桥差、阀组差动保护不动作。

类似的，在区内其它接地故障下，对保护的动作情况进行分析，两类换相失败保护的动作情况归纳如表2：表2 发生区内接地故障时两类保护的动作分析 故障位置 动 作 的 保 护1 ABBY、D 桥换相失败保护2 ABB D 桥换相失败保护、西门子D 桥桥差保护3 ABB Y、D 桥换相失败保护4 ABB Y、D 桥换相失败保护、西门子D 桥桥差保护5 ABB D 桥换相失败保护、西门子D 桥桥差保护基于以上分析，ABB 和西门子换相失败保护的动作特性可以总结为：1）西门子通过桥差保护和阀组差动保护共同实现换相失败期间换流器的保护。

在单桥故障时桥差保护动作，并可准确定位故障桥；双桥故障时阀组差动保护动作。

2）西门子和ABB 采用了不同原理，但是在换相失败发生时，均可以可靠动作。

3）在区内接地故障下， ABB 换相失败保护动作；西门子桥差保护在部分接地故障下动作。

3换相失败保护动作方程的改进在特高压直流输电工程的主接线形式下，阀组区的隔离开关不具备断流能力，对于阀组区的接地故障，无法通过隔离故障阀组来隔离故障，必须停运整极，所以阀区接地故障须由极保护作为其主保护和后备保护，阀组保护分区内的保护不需要动作。

所以特高压直流输电工程的换相失败保护应躲开阀组保护分区内的接地故障[11]。

然而，由上节的分析可知，现有的换相失败保护均不能可靠的躲开阀组区的接地故障。

因此，可对其加以改进：Y 桥：min max D VY I I −>{I op0, I op0+k(I VY - I set0)}（17） D 桥：min max D VD I I −>{I op0, I op0+k(I VD -I set0)} (18) 式中I op0为最小动作电流，I res0为最小制动电流，也称拐点电流。

当I Dmin -I VY (I VD )≤I set0时，制动函数g 1=I op0；当I Dmin -I VY (I VD )>I set0时， g 2=I op0+k(I Dmin -I res0)。

其中I op0按可靠躲过最大过负荷工况下的不平衡电流确定，I res 可取为1pu 。

比率系数k=(I opmax - I op0)/(I kmax - I res0)，其中最大动作电流I opmax 按躲过当最大区外故障短路电流I kmax 确定[12]。

由于换相失败为非接地故障，根据式(10)可知，发生换相失败时I Dmin =I Dmax ，所以式(17)和式(18)可靠动作并能准确定位故障桥。

在区内接地故障时，由式(11)得:I Dmin = I dN = I dH -I F由于入地电流的分流，电流I Dmin 很小，保护不动作。

满足特高压直流输电换相失败保护躲开阀区接地故障的要求。