基于高压直流断路器的保护通道性能分析与研究

基于高压直流断路器的保护通道性能分析与研究

刘崇涛

济南城投设计有限公司 山东济南 250100

摘要：高压直流断路器能快速切断直流电流，完成直流输电系统运行方式切换和线路故障清除，被称为电网的“网络关节”和“安全守卫”，对保障直流系统安全、经济、灵活运行意义重大。正常稳定的通信过程对于输电系统的安全运行方式至关重要。加装直流断路器后，当直流线路差动保护及高压直流断路器动作时，需要站间提供高可靠及超低时延通信通道，负责快速传输正负极直流母线电流、本站保护动作信息等，达到毫秒级快速切除故障的目的。

关键词：高压直流断路器；保护通道性能；措施

1高压直流断路器的原理

对于高压直流断路器而言，其结构组成包含了三条支路，分别为通流、转移以及吸能支路。其中通流支路的作用在于实现电流传导，由于通态损耗要求非常小，因此为达到电源断开电流转移的控制要求，通常在通流支路上会增加相关的液晶组件（IGBT）。系统动作时只要将通流支路的开关打开，电流就能按照设定的方案进行。且在断开以后，通过吸能系统将多余的能力吸收。针对混合式直流断路器来说，转移支路属于一系列的IGBT或集成门极换流晶闸管控制组件，通过此类设备的应用能够让电流得到速的阻断，能够满足高压系统的控制要求。

在机械式直流断路器系统中，转移支路又被称之为辅助支路，其组成结构包含了触发间隙、电感以及电容等结构。一般情况下在机械开关口位置很容易出现大电流燃弧和灭弧现象，由此可认为开断支路就是通流支路。同时也可以认为开断是辅助支路实现的，这主要是由于主流通支路开关口电流为零时，系统断路器的电流不为零，开关过程还处于动作状态，并且停止，由此可判定断路器完成开关。因此，机械直流断路器的一系列动作均可以理解成电流向辅助支路转移的一个过程，而其中开断主要是通过辅助支路实现的。

2高压直流断路器技术标准

2.1保护速度快

由于柔性直流输电系统特性阻抗的主要参数较小，只要存在短路故障问题，通过断路器的电流就会随着时间增加和扩大。根据现行国家行业标准的要求，断路器需要在故障发生后3至5ms内断开故障。如果不能满足这一要求，故障发生后，电流也会持续上升，很容易超过系统分断水平，无法达到分断状态。此外，由于系统电压过高，换流阀和其他设施受损。

2.2具有重合闸功能

以一个大型新能源项目为例，分析的核心是采用架空电缆的柔性直流电网设计形式。断路器必须完成快速重合闸的实际操作，并实现故障检修，使系统运行具有更高的安全系数。只要断路器具有重合闸功能，就应在规划断路器的步骤中分析重叠到永久故障的问题。此外，分析维护换流阀等基础设施的运行状态，充分考虑断路器的分断等级。重合闸的再分闸应具有快速操作的要求，即断路器具有与第一次分闸相同的速度。同时，分析了换流阀受二次动力工程影响的效果，甚至加速断开的现象。同时，在知道重合闸功能的前提下，能量吸收也会在一定程度上上升。在这种情况下，断路器设计方案的难度系数增大，操作质量难以保证。

2.3故障可被就地检测与识别

传统的通信和交换系统对断开时间有很高的调节，但调节不如柔性和直线系统。同时，如果要实现故障检修功能，不同支路使用的断路器动作持续时间应稍有不同，应根据实际情况进行改进和优化。基于这一核心概念，在选择交流断路器进行通信时，根据集中继电保护装置系统的使用情况，按照规定发出系统命令，以做好实际操作和动作时钟频率控制。此外，根据使用撑杆断路器动作实现准确的故障解决，继电保护装置机器可以稳定运行，并按规定完成动作操作。过电流保护系统的命令传输只能在一定时间后到达直流断路器，传输信号系统也会有延迟响应，很容易超过断路器的操作时间。因此，在没有任何明确规定的直流电网继电保护装置系统的情况下，为了确保断路器的动作持续时间满足要求，尽可能减少动作持续时间，达到故障检修的效果，必须确保直流断路器具有故障诊断和识别功能。

3高压直流断路器保护通道通信方式分析

3.1高压直流断路器保护通道可靠性分析

高压直流断路器保护采用完全双重化配置：每一套保护独立，2套保护同时运行，任意一套动作可出口，保证安全性。每一套保护采用“启动+计算”的出口逻辑，启动和保护从采样、保护逻辑到出口的硬件完全独立，只有启动逻辑满足开放，同时计算逻辑满足条件，保护通道才会出口。

正常情况下，单套保护只需要2个即双保护通道，即保护+启动合起来采用双通道，然而本次直流保护设备比较特殊，直流保护装置分为一主一从保护CPU，相当于是“启动+计算”各一个CPU。要求每一个CPU均需与对侧站对应保护的CPU进行通信，且每一路通信通道均要求为双通道。

保护A启动、计算的通道一和通道二之间、保护B启动、计算的通道一和通道二之间均采用主备关系，各自相互独立，相互不影响。

保护A中的2个启动通道中的1个通道、2个计算通道中的1个通道可用即可满足需要；或者保护B中的2个启动通道中的1个通道、2个计算通道中的1个通道可用即不影响业务。

图1完全双重化冗余配置逻辑

3.2传输速率分析

直流断路器改造后，直流保护站间通信采用2Mbps复用光纤通信方式。站间数据传输速率设置为200μS传输一次数据，直流保护实现差分数据同步。通过理论分析并结合电力系统电磁暂态仿真，在直流保护站之间使用2Mbps复用光纤通信后，不会影响青澳站线路差动和故障隔离的性能。添加直流线路差动保护元件后，由于两端电流采样值需要通过快速站间传输传输，采样同步和通信将有约1ms的延迟，因此可以在10～15ms内（包括直流断路器的5ms动作时间）跳闸以隔离故障设备。

直流保护站之间的通信由同步数字系统设备通过2Mbps多路复用通道进行，要求传输80字节的数据μs为保证数据传输的可靠性，两站之间的数据传输频率设置为5kHz，即200μS传输一次数据，直流保护实现差分数据的同步。

为了保证线路差动通道的可靠性，直流保护站之间的通信采用冗余通信方式。当主通道数据有效时，首选主通道发送的数据进行直流保护计算和处理；当主通道无效时，直流保护计算处理选择备用通道发送的数据。当主备通道数据无效时，退出直流线路差动保护功能。

3.3通道数据同步处理方案

通过光纤自环，测试本地采样数据时延，记录“本地采样相移系数＿2M”和链路时延“2M1＿T”;

按照实际光差通道连接时，记录实际链路时延“2M1＿T”。

通过整定保护装置设备参数中“本地采样相移系数＿2M”、“FT3寻点相移系数＿2M”等定值，补偿光差通道链路时延，实现数据同步。

该时延补偿方式，对光差通道链路时延稳定性有较高的要求，当光差通道链路时延变化较大（超过1ms）时，保护装置设备参数中设置的定值与实际链路时延不匹配，容易造成插值计算模块出错，可能导致光差保护误动作。

结论

随着柔性直流电网的发展趋势，高压直流断路器在直流系统中的重要性非常重要，对直流断路器的快速动作、稳定性、合理性等也提出了更高的要求。在当前直流电网的不同类型应用领域下，提出了断路器的选型，并强调混合式直流断路器变换器的基本原理简单可靠。是目前理想的高压直流断路器，将得到更广泛的应用。

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