許衛(wèi)剛 ，張志宏 ，單 哲 ，査申森 ，汪道勇

（1.常州供電公司，江蘇 常州213003；2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇南京211102；3.國網(wǎng)運(yùn)行分公司，上海201708）

最后斷路器保護(hù)是直流工程逆變站的重要保護(hù)。當(dāng)逆變側(cè)失去交流電源后，由于換流母線上連接的大量無功補(bǔ)償設(shè)備不能立即切除，如果直流系統(tǒng)未能及時(shí)閉鎖，直流系統(tǒng)將會(huì)繼續(xù)向其充電，從而引起嚴(yán)重的暫時(shí)過電壓，對閥、避雷器、換流母線等造成影響[1-3]。為了防止這種情況的發(fā)生，在高壓直流輸電系統(tǒng)的逆變站中通常都安裝了最后斷路器保護(hù)，以確保在發(fā)生上述情況時(shí)可以迅速將閥閉鎖[4]。但是在常規(guī)直流的實(shí)際應(yīng)用中，該保護(hù)暴露出一些問題，存在安全隱患。因此在±800 kV向家壩-上海直流工程中，ABB公司采取了不同的保護(hù)設(shè)計(jì)思路。文中對特高壓直流和常規(guī)直流最后斷路器保護(hù)進(jìn)行了對比分析，指出了可能存在的隱患，并提出相應(yīng)的整改建議。對目前在運(yùn)的直流換流站和將投產(chǎn)的特高壓直流換流站的運(yùn)行維護(hù)工作有一定指導(dǎo)意義。

1常規(guī)直流最后斷路器保護(hù)

1.1保護(hù)信號(hào)

常規(guī)直流中的最后斷路器保護(hù)，通常需要采集交流場的開關(guān)量和運(yùn)行參數(shù)作為動(dòng)作判據(jù)，交流場接線如圖1所示。

圖1交流場接線

1.1.1 斷路器及隔離開關(guān)分合接點(diǎn)信號(hào)

通過采集斷路器和隔離開關(guān)的接點(diǎn)信號(hào)，從而判斷該間隔是否在隔離狀態(tài)。一個(gè)斷路器單元（包括一個(gè)斷路器和兩把隔離開關(guān)）中只要有一個(gè)設(shè)備在拉開位置，即判定該斷路器單元在隔離（Disconnect）狀態(tài)；當(dāng)交流出線對應(yīng)的邊斷路器單元和中斷路器單元或兩個(gè)邊斷路器單元都為隔離狀態(tài)時(shí)，即判定該間隔在隔離狀態(tài)。圖2為通過斷路器和隔離開關(guān)接點(diǎn)判斷交流間隔是否隔離的邏輯，其中拉開為1，合上為0。

圖2來自接點(diǎn)的間隔隔離邏輯

1.1.2 線路電流信號(hào)

當(dāng)故障發(fā)生在站外而不是站內(nèi)時(shí)，無法通過斷路器和隔離開關(guān)的分合接點(diǎn)來判斷間隔是否隔離，因此必須加入電流的判據(jù)。當(dāng)交流出線上的電流值低于電流參考值（政平站該參考值為50 A，華新站該參考值為70 A），且直流極為解鎖狀態(tài)時(shí)，即可判定該間隔為隔離狀態(tài)。圖3為通過電流判斷交流間隔是否隔離的邏輯。

圖3來自電流的間隔隔離邏輯

1.1.3 斷路器跳閘信號(hào)

通過采集斷路器跳閘接點(diǎn)（early_make）信號(hào)來判斷該間隔是否為跳閘狀態(tài)（trip）。當(dāng)交流出線對應(yīng)的邊斷路器單元為隔離狀態(tài)時(shí)，另外兩個(gè)斷路器只要有一個(gè)跳閘；或另兩個(gè)斷路器為隔離狀態(tài)時(shí)，交流出線對應(yīng)的邊斷路器跳閘，即可判定該間隔為跳閘狀態(tài)。此外，在對側(cè)交流站也裝有最后斷路器裝置，它是一個(gè)PLC裝置，通過對線路相關(guān)的本站斷路器和隔離開關(guān)位置接點(diǎn)進(jìn)行判斷分析，并結(jié)合相關(guān)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，從而確定是否給換流站發(fā)跳閘信號(hào)[5，6]。圖4為判斷交流間隔是否跳閘的邏輯。

圖4間隔跳閘邏輯

1.2保護(hù)邏輯

當(dāng)一個(gè)間隔處于隔離狀態(tài)時(shí)，如果發(fā)生另一個(gè)間隔跳閘的事件，最后斷路器保護(hù)就會(huì)動(dòng)作，使雙極閉鎖。如圖5所示，當(dāng)W1間隔在隔離狀態(tài)時(shí)，如果W2間隔發(fā)生跳閘事件，同時(shí)還滿足以下條件：（1）直流在解鎖狀態(tài)；（2）本系統(tǒng)為工作系統(tǒng)；（3）本站為逆變站，最后斷路器保護(hù)就出口跳閘。當(dāng)W2間隔為隔離狀態(tài)時(shí)，跳閘邏輯也一樣。動(dòng)作后果為：（1）雙極Y閉鎖；（2）跳開交流側(cè)換流變出線開關(guān)；（3） 啟動(dòng)開關(guān)失靈保護(hù)；（4） 啟動(dòng)故障錄波；（5） 閉鎖禁止切換系統(tǒng)。

此外，當(dāng)一個(gè)間隔隔離而另一個(gè)間隔不隔離時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出“只剩一條線路（only one line left）”的告警，提醒運(yùn)行人員注意。該邏輯是通過異或門（相同為0，相異為1）來實(shí)現(xiàn)的。圖5為常規(guī)直流最后斷路器保護(hù)跳閘邏輯，來自ABB設(shè)計(jì)的三-常直流工程政平換流站Hidraw軟件。

圖5常規(guī)直流最后斷路器邏輯

1.3存在隱患

正常情況下，采用上述保護(hù)邏輯是沒有問題的，常規(guī)3 000 MW的直流系統(tǒng)的最小功率是300 MW（低于最小功率時(shí)，極會(huì)閉鎖）。在只有兩條線路的情況下，如果線路電流低于50 A或70 A時(shí)，兩條交流線路的功率相加才50～70 MW，此時(shí)極早已閉鎖。但在特殊運(yùn)行工況下卻可能存在安全隱患，龍政直流逆變側(cè)政平換流站就存在這樣的問題。

政平站建站之初，在從500 kV武南站來的兩回線路（政武5273線，政南5274線）上安裝了最后斷路器保護(hù)，2004年政平站擴(kuò)建了到岷珠站的兩回交流線路：岷政5271線，岷平5272線。由于岷珠站只有兩臺(tái)750 MW的主變，在失去5273線，5274線的情況下，不足以支撐龍政直流額定功率運(yùn)行，因此5273線，5274線的最后斷路器保護(hù)仍保留了下來（5271線，5272線上沒有設(shè)置最后斷路器保護(hù)）。在秋冬季直流小功率運(yùn)行方式下,受交流系統(tǒng)潮流影響，直流輸送的大部分功率經(jīng)過5271線和5272線送到岷珠站去，在5273線和5274線上輸送的功率很小，有時(shí)功率潮流方向甚至?xí)聪颍次淠险镜墓β释ㄟ^5273線和5274線轉(zhuǎn)送到岷珠站。在這種情形時(shí)，5273線，5274線中的一次電流有效值就有可能在50 A以下，按照保護(hù)邏輯（見圖3），軟件會(huì)將本處于運(yùn)行狀態(tài)的間隔誤判為處于隔離狀態(tài)，若此時(shí)5273線和5274線兩條線路中一條電流小于50 A，另一條發(fā)生故障引起線路保護(hù)動(dòng)作跳閘，政平站最后斷路器保護(hù)將會(huì)動(dòng)作并導(dǎo)致直流雙極Y閉鎖。而實(shí)際上，此時(shí)的交流出線并未全部斷開，系統(tǒng)不應(yīng)該向換流器發(fā)出閉鎖指令。而且這樣的小功率完全可以通過5271線和5272線送到岷珠站，沒必要雙極閉鎖。因此，在上述這種特殊的運(yùn)行方式下，直流系統(tǒng)的可靠性被大幅度降低。

此外，最后斷路器保護(hù)邏輯中還存在另一個(gè)安全隱患：在5273和5274兩條交流出線同時(shí)跳閘（或同時(shí)收到來自武南站的最后斷路器跳閘信號(hào)）時(shí)，系統(tǒng)反而不會(huì)發(fā)出閉鎖指令（見圖5）。如果此時(shí)雙極運(yùn)行在大功率下（如3 000 MW）時(shí)，將導(dǎo)致大功率全部轉(zhuǎn)移到岷政5271線和岷平5272線上，超過了岷珠站目前所能承受的容量，從而引起政平站內(nèi)設(shè)備過電壓。

1.4改進(jìn)措施

1.4.1小負(fù)荷運(yùn)行隱患

為了防止小負(fù)荷狀態(tài)下交流最后斷路器保護(hù)誤動(dòng)作，現(xiàn)場采取了一些臨時(shí)措施，即當(dāng)龍政直流較長時(shí)間處于低功率運(yùn)行時(shí)，修改Hidraw軟件，將電流判據(jù)由“50 A”改為“-50 A”（即取消最后一個(gè)斷路器保護(hù)的電流判據(jù)），待大功率后再恢復(fù)[7]。但該措施不夠完善，由于需要人為判斷功率水平并修改保護(hù)定值，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，給現(xiàn)場人員帶來很大安全壓力，因此應(yīng)該對軟件邏輯進(jìn)行修改。可以考慮在邏輯中加入判據(jù)。即設(shè)定一個(gè)功率參考值，在該參考值之下就退出最后斷路器保護(hù)的電流判據(jù)，超過參考值就投入電流判據(jù)。圖6為修改后的軟件邏輯，虛線部分為增加的功率判據(jù)。

圖6修改后的電流判斷邏輯

還可以進(jìn)一步考慮，當(dāng)直流系統(tǒng)運(yùn)行在大功率工況下時(shí)，如果發(fā)生最后斷路器保護(hù)動(dòng)作的情況，可以不閉鎖雙極直流，而是只閉鎖單極或緊急降功率，這樣可靠性大大提高，對系統(tǒng)的沖擊也可以減小到最低。要實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能有賴于對系統(tǒng)潮流的計(jì)算和仿真研究，對現(xiàn)有軟件的改動(dòng)也較大。

1.4.2 最后斷路器保護(hù)拒動(dòng)隱患

為了消除武南站最后斷路器保護(hù)裝置動(dòng)作后政平站最后斷路器保護(hù)不起作用的隱患，可考慮將兩個(gè)間隔的跳閘狀態(tài)取與，當(dāng)同時(shí)為1時(shí)，即可啟動(dòng)保護(hù)跳閘。圖7為修改后的最后斷路器保護(hù)跳閘邏輯,虛線部分為增加的判斷同時(shí)跳閘的邏輯。

2特高壓直流最后斷路器保護(hù)

圖7修改后的最后斷路器保護(hù)跳閘邏輯

±800 kV特高壓直流系統(tǒng)輸電線路長、輸送容量大，兩端換流站配置無功補(bǔ)償設(shè)備的單組容量及總?cè)萘烤取?00 kV直流工程高得多，因此應(yīng)更加重視最后斷路器跳閘故障引起的過電壓[8]。

根據(jù)仿真研究，表1[8]列出了特高壓直流雙極額定功率運(yùn)行時(shí)逆變站發(fā)生最后斷路器跳閘后不同閉鎖延時(shí)避雷器能耗計(jì)算結(jié)果(“—”表示能耗/電流為0，避雷器不動(dòng)作)。

表1逆變站最后斷路器跳閘直流不同閉鎖延時(shí)避雷器能耗

通過計(jì)算避雷器能耗，并與參考值進(jìn)行比較，可以判斷是否出現(xiàn)交流系統(tǒng)甩負(fù)荷，從而確定是否閉鎖直流。以下以±800 kV直流特高壓奉賢換流站為例進(jìn)行分析，圖8為奉賢站高端換流變進(jìn)線區(qū)域接線。

2.1保護(hù)信號(hào)

2.1.1 電壓量

從高端換流變進(jìn)線區(qū)域的電壓互感器TV3出來的三相電壓量經(jīng)過換相電壓計(jì)算器后得到換流閥網(wǎng)側(cè)電壓，取其最大值，經(jīng)一定時(shí)間保持后濾波得到保護(hù)所需的電壓量Uac。

圖8奉賢站高端換流變進(jìn)線區(qū)域接線

2.1.2 電流量

最后斷路器保護(hù)所需的電流量來自高端換流變進(jìn)線區(qū)域的電流互感器TA4，該電流互感器用于測量流過避雷器F1的三相電流值?，F(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過eTDM總線到達(dá)保護(hù)主機(jī)后，經(jīng)過濾波、取絕對值等處理，得到保護(hù)所需要的三相電流值I1，I2，I3。

2.2保護(hù)邏輯

2.2.1 能量積分

最后斷路器保護(hù)按每相進(jìn)行計(jì)算，以A相為例，當(dāng)電壓量Uac超過電壓定值Uhigh（奉賢站為460.0 kV）時(shí)以及電流量I1超過電流定值Istart（奉賢站為20.0 A）時(shí)，選擇器選通積分計(jì)算回路，將I1與電壓常數(shù)Uconst（奉賢站為0.595 MV）相乘，經(jīng)積分器計(jì)算后與跳閘值Rtrip（奉賢站為3.1 MJ）進(jìn)行比較，如果大于或等于跳閘值，就發(fā)A相最后斷路器保護(hù)動(dòng)作信號(hào)至總出口邏輯。圖9為避雷器能量積分邏輯。

圖9 能量積分計(jì)算邏輯

積分公式如下：

其中：ET-ΔT為上一次積分的值；ΔT為保護(hù)軟件的中斷周期，單位為 Tic，1 Tic=1 ms。

2.2.2 能量釋放

最后斷路器保護(hù)按每相進(jìn)行計(jì)算，以A相為例，當(dāng)電壓量Uac和電流量I1中有一個(gè)或兩個(gè)都小于定值時(shí)，開放能量釋放計(jì)算。脈沖發(fā)生器每隔1 000 Tic就發(fā)出一次脈沖，由0變1，進(jìn)行一次能量釋放計(jì)算。將避雷器散熱常數(shù)Rcoolconst（奉賢站為1/3 600）乘以1 000后與上次計(jì)算的積分值相乘并取負(fù)，經(jīng)積分器計(jì)算后與跳閘值Rtrip（奉賢站為3.1 MJ）進(jìn)行比較，如果大于或等于跳閘值，就發(fā)A相最后斷路器保護(hù)動(dòng)作信號(hào)至總出口邏輯。能量釋放計(jì)算邏輯見圖10。

圖10能量釋放計(jì)算邏輯

能量釋放的積分方程如下：

2.2.3 出口邏輯

當(dāng)同時(shí)滿足以下條件時(shí)，最后斷路器保護(hù)會(huì)出口：（1）任一相發(fā)最后斷路器保護(hù)動(dòng)作信號(hào)；（2）Uac大于電壓定值Uhigh(本條件起到聯(lián)鎖作用，防止保護(hù)誤動(dòng))；（3）最后斷路器保護(hù)設(shè)置為可用；（4）換流站為逆變站；（5）沒有收到閉鎖最后斷路器保護(hù)的信號(hào)。圖11為特高壓直流最后斷路器保護(hù)出口邏輯。

動(dòng)作后果為：（1）Z 閉鎖；（2） 換流器隔離；（3）啟動(dòng)故障錄波。

2.3存在隱患

±800 kV向家壩-上海直流工程是第一次采用避雷器動(dòng)作特性作為最后斷路器保護(hù)判據(jù)，相對于常規(guī)直流中采用的最后斷路器保護(hù)設(shè)置，其更多地依賴一次設(shè)備的性能，因此對避雷器提出了更高的要求，必須要保證避雷器在交流甩負(fù)荷情況下的能耗能滿足保護(hù)動(dòng)作要求，使保護(hù)正確動(dòng)作。在保護(hù)定值的設(shè)置上要考慮能躲開站內(nèi)操作過電壓，防止誤動(dòng)。由于避雷器存在個(gè)體差異，因此與其特性有關(guān)的定值，如散熱常數(shù)等的設(shè)定也很重要。此外，在保護(hù)設(shè)置上還可能存在以下隱患：保護(hù)只采集高端換流變進(jìn)線區(qū)域的電壓值以及避雷器電流值，如果高端換流變退出檢修，出現(xiàn)一個(gè)完整極加一個(gè)1/2極運(yùn)行的模式或者兩個(gè)1/2極運(yùn)行的模式時(shí)，將失去該極的最后斷路器保護(hù)功能，從而帶來安全隱患。

3結(jié)束語

常規(guī)直流中的最后斷路器保護(hù)主要檢測斷路器、隔離開關(guān)接點(diǎn)和線路電流，邏輯較為簡單，在特殊情況下還可以修改定值，退出部分保護(hù)功能。但保護(hù)需要檢測的環(huán)節(jié)較多，在特定工況下會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作后果不合理的情況。通過采取整改措施，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。特高壓直流中的最后斷路器保護(hù)采用計(jì)算避雷器能耗作為保護(hù)判據(jù)，需要檢測的量比較少，但與一次設(shè)備的性能關(guān)系較緊密，其實(shí)際效果還需要經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試和現(xiàn)場運(yùn)行的檢驗(yàn)。

在今后直流工程中應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，綜合考慮站內(nèi)出線、電網(wǎng)潮流變化、設(shè)備可靠性等各種因素后，確定最后斷路器保護(hù)的選型。

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