特高压直流输电换流阀短路保护原理及特性研究

特高压直流输电换流阀短路保护原理及特性研究

冯育杰金石炜陈兆兴夏鹏侯宇

国网辽宁省电力有限公司检修分公司辽宁省鞍山市114000

摘要：随着特高压直流输电(UHVDC)技术的发展，直流输电已经成为了远距离大容量输电的主要模式，直流输电已得到了越来越广泛的应用。在大电网时代，直流输电不仅成为交流输电的一种有力补充，而且成为了电力系统中最具有重要经济和技术意义的环节之一，成为了国内电力科研工作者研究的重要方向。换流器是高压直流输电系统中最为关键、复杂且昂贵的元件，其故障形式和机理、保护配置和原理与交流系统有着很大的不同。

关键词：特高压；直流输电；换流阀；短路保护；原理；分析

1导言

特高压直流输电系统以其更远的输送距离，更大的输送功率，更大区域的非同步互联，更低的功率损耗，灵活的功率调节，更低的线路造价等优势而被越来越多的应用在电力传输领域。特高压直流输电换流阀的本体，作为关键设备，其运行稳定性、安全性、可靠性是通过设计、制造、安装、调试的全过程质量控制才能得以实现的。特高压直流输电换流阀的安装过程，是换流阀从图纸和零部件完成到实体阀的最后关键阶段，需要对整个安装过程中影响特高压换流阀性能的关键节点进行合理控制，才能彻底保证特高压换流阀的优良品质，实现更好的长期稳定运行。

2阀短路保护(VSCP)检测原理

为了保护换流阀免受由于换流变压器压器直流侧短路造成的过应力破坏，特高压直流输电系统中均设置了阀短路保护;该保护主要通过测量换流变压器压器阀侧电流(IVY，IVD)和直流极母线电流(IDC1/2P)和中性线电流(IDC1/2N)，并计算出最大的换流变压器压器电流和最大的直流电流，正常运行时这2个值是平衡的。当换流变压器压器阀侧电流幅值高于直流电流则可作为阀短路或其他相间短路的判据，在交流侧电流过大时，换流器被立即跳闸。

3特高压直流输电换流阀

特高压直流输电工程通常采用双极十二脉动换流器单元系统，电压等级在±800kV及以上，电流可以从4000A到最高6250A。该特高压双极直流输电系统包括2个完整的可独立输电的单极直流系统，即极1直流系统和极2直流系统。每个完整的单极系统包含2个单极换流器单元，分别安装在整流换流站和逆变换流站。每个换流站内的单极换流器单元由2个12脉动阀组串联组成。一个阀厅仅包含一个12脉动阀组。因此每个换流站共分四个独立阀厅，即极1高压阀厅、极1低压阀厅、极2高压阀厅、极2低压阀厅。锡盟站换流阀设备由西安西电电力系统有限公司自主制造，换流阀采用空气绝缘、水冷却的户内悬吊式双重阀结构。每个阀厅换流阀阀组由6个双重阀阀塔组成。根据电流流向不同，双重阀阀塔分为2种结构，即电流上结构和电流下结构。阀侧星形接法的3相双重阀阀塔是其中一种结构，阀侧三角形接法的3相双重阀阀塔是另一种结构。每个阀厅换流阀阀组通过冷却水管、管母金具、光纤分别与换流阀冷却系统、换流变压器、换流阀控制单元对应连接。在换流阀整体设计中，综合考虑了各种相关的复杂因素，如过电压与绝缘配合、阀电子电路单元抗电磁干扰、主回路电气件合理布局和散热、换流阀的防火和抗震等要求、机械性能和电气性能要求、安装维护便捷要求等，按特定装配工艺，将换流阀的各个组成部件通过标准化作业组装在一起，具有安装快捷，维护方便的特点，有效保证了换流阀和整个直流输电系统的稳定性、可靠性及安全性。

4ＲTDS仿真分析

利用ＲTDS仿真系统对酒泉—湖南特高压直流输电工程中所配置的换流阀短路保护进行仿真试验及功能验证。相关系统参数如下:系统为双极全压大地回线方式运行，额定容量8000MW，直流线路额定电压为800kV，整流站交流系统电压为750kV，逆变站为525kV，其控制方式均为典型方式控制。模拟整流站极Ⅰ高端阀组Y/Y绕组阀桥臂100ms短路故障，IVD为低端阀组交流侧电流，IDNC为双极中性线电流，IDCP为极母线电流。故障发生后，在397ms时MAX(IVY，IVD)－MAX(IDC1/2P，IDC1/2N)＞［0.5×ID_NOM+0.2×MAX(IDC1/2P，IDC1/2N)］，整流站极Ⅰ高端阀组Y桥阀短路保护动作，故障电流最大21.6kA，使得整流站高端阀组执行换流器X闭锁，高端阀组隔离。逆变站换流阀过流保护(DCOCP)检测到故障电流大于动作定值，即Max(IVY，IVD，IDCN)＞Iovc_set，经延时后高端阀组执行换流器Y闭锁，极Ⅰ高端阀组封脉冲闭锁，退出运行。逆变站故障发生后，换流变压器阀侧故障短路电流最大2.1kA，系统检测到换相失败，导致Y桥阀短路保护动作，逆变站高端阀组执行换流器X闭锁，高端阀组隔离。

换流阀直流侧短路故障(全压0.1p.u.功率情况下的故障7模拟：一是整流站(以高端阀组为例)在ＲTDS仿真系统中，模拟整流站极Ⅰ直流母线与双极中性线之间100ms短路故障，仿真试验时，换流变压器阀侧故障短路电流峰值为19.2kA，Y桥阀短路保护动作，D桥阀短路保护动作，整流站高压阀组执行X闭锁，将高端阀组隔离。逆变站由于DCOCP动作导致高压阀组执行换流器Y闭锁，极Ⅰ高压阀组封脉冲闭锁，退出运行。二是逆变站(以低端阀组为例)在ＲTDS设置模拟逆变站极Ⅰ直流母线与双极中性线之间3s短路故障，换流变压器阀侧故障电流峰值达到5.4kA，逆变站低端换流器换相失败被检测到，延迟进行控制系统切换，然后双桥换相失败保护动作，极Ⅰ低端换流器执行换流器Y闭锁，换流器隔离。整流站在逆变站执行换流器Y闭锁后执行正常闭锁停运，极Ⅰ低端阀组封脉冲闭锁退出运行。三是仿真试验结果：首先换流阀发生阀短路故障时，其特征是交流侧交替发生两相短路和三相短路，由于流过故障阀的电流发生反向而导致其故障电流量剧烈增大，故障时具有交流侧电流激增，直流线路电压、电流和输送功率同时减小的现象。其次整流站发生阀短路故障时比逆变站严重得多，而逆变站发生阀短路故障同时将触发换相失败保护动作。最后当系统输送功率为额定功率时，阀侧故障电流可达到额定值的数倍，此时无论整流站或逆变站的差流很大，制动电流较小，保护可以可靠动作，而当系统输送功率为最小功率时，即0.1p.u.时，由于整流站故障电流比逆变站故障电流大得多，使得整流站差流值较大，逆变站差流值较小，逆变站存在出现保护拒动的可能。

5结论

换流阀短路保护作为特高压直流输电工程控制保护中的重要组成部分，为避免换流阀因故障损坏提供了可靠保护。通过对该保护的配置及动作逻辑进行了分析并结合ＲTDS验证了该工程所配置的换流阀保护具有较高的灵敏性及可靠性，本文的分析结论对该工程的后续建设及研究具有一定的技术支撑和参考意义。

参考文献：

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