劉俊兵　李書勇

摘要：文章從理論上分析了直流輸電系統(tǒng)單極金屬回線運(yùn)行方式下發(fā)生線路接地故障時(shí)的各種電氣量的變化情況，并通過案例進(jìn)一步驗(yàn)證了正在建造的昭從直流工程在以往的直流工程上增加的51MRGF金屬回線接地保護(hù)的重啟動(dòng)功能的合理性，并根據(jù)金屬回線方式運(yùn)行下的故障特點(diǎn)提出了有關(guān)金屬回線轉(zhuǎn)大地回線的建議。

關(guān)鍵詞：直流輸電；單極金屬回線；RTDS仿真；線路接地故障；51MRGF保護(hù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM721 文章編號(hào)：1009-2374（2015）32-0136-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.32.073

直流輸電工程有多種運(yùn)行方式可以選擇，常見的有雙極大地、單極大地和單極金屬運(yùn)行方式。后兩者運(yùn)行方式可以保證在一極故障或者檢修停運(yùn)時(shí)仍能正常輸送功率，從而降低對(duì)整個(gè)輸電系統(tǒng)的影響。當(dāng)單極大地長(zhǎng)期大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，大地中會(huì)持續(xù)流過大電流，給接地極和變壓器帶來嚴(yán)重影響。為避免這種現(xiàn)象發(fā)生，在直流系統(tǒng)需要單極長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的情況下，往往采取單極金屬回線的方式運(yùn)行。

1 單極金屬回線運(yùn)行方式下線路接地故障分析

以溪洛渡直流輸電工程為例，在RTDS仿真系統(tǒng)上模擬線路接地故障，對(duì)金屬回線方式線路故障時(shí)的保護(hù)策略進(jìn)行闡述和分析。

運(yùn)行工況如下：回I單極金屬回線方式下穩(wěn)定運(yùn)行，功率為1600MW。正常運(yùn)行時(shí)，極1、極2線路中流過的電流為3200A，逆變側(cè)高速接地開關(guān)接地以提供電位鉗制點(diǎn)，Idsg=0A。如圖1所示：

圖1 直流輸電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1.1 極1線路發(fā)生金屬性接地故障時(shí)的現(xiàn)象

回I極1單極金屬回線運(yùn)行時(shí)，模擬極1線路發(fā)生金屬性接地故障。故障瞬間，由于大地電阻很小，整個(gè)逆變側(cè)極1閥組被短路，電流流過極1線路、故障接地點(diǎn)并經(jīng)過大地、逆變站高速接地開關(guān)和極2線路構(gòu)成回路。

圖2 直流輸電系統(tǒng)故障點(diǎn)圖

根據(jù)圖2分析可知：故障瞬間，由于短路原因，整流側(cè)極母線和中性母線電流突然變大，并且伴隨著線路電壓突然變小。線路保護(hù)檢測(cè)到故障，行波保護(hù)（WFPDL）和突變量保護(hù)（27du/dt）動(dòng)作。

同樣，由于接地點(diǎn)和高速接地開關(guān)形成通路，導(dǎo)致逆變側(cè)整個(gè)極1閥組被短路。極母線和中性母線電流幾乎下降到0，線路電壓也大幅跌落，高速接地開關(guān)流入很大負(fù)向電流。逆變側(cè)線路保護(hù)檢測(cè)到故障，行波保護(hù)（WFPDL）和突變量保護(hù)（27du/dt）動(dòng)作。整流側(cè)極控發(fā)出移相重啟命令，線路重啟成功，故障消除后，極1恢復(fù)正常狀態(tài)額定運(yùn)行。

1.2 極1線路發(fā)生高阻接地故障時(shí)的現(xiàn)象

在以往的高肇直流、興安直流運(yùn)行中均發(fā)生過上述直流系統(tǒng)停運(yùn)事故。針對(duì)這一情況，在建的昭從直流工程中，直流線路保護(hù)增加了51MRGF保護(hù)的重啟動(dòng)功能，將有效地解決金屬回線方式下高阻接地故障導(dǎo)致直流閉鎖的問題。

對(duì)于金屬回線上的高阻接地故障，同理，由于無主保護(hù)保護(hù)金屬回線，51MRGF保護(hù)同樣解決了高阻接地故障導(dǎo)致直流閉鎖的問題。

回I極2金屬回線運(yùn)行方式下，模擬極1線路發(fā)生高阻接地故障。直流電壓、電流的變化不能被行波保護(hù)檢測(cè)到，但由于接地故障的存在，導(dǎo)致產(chǎn)生電流分流現(xiàn)象，整流、逆變兩側(cè)的直流電流將出現(xiàn)差值，此差值即為流過高速接地開關(guān)的負(fù)方向電流Idsg。

由于兩站的行波保護(hù)和突變量保護(hù)不動(dòng)作，而逆變側(cè)Idsg很大，到達(dá)了后備保護(hù)51MRGF的定值，經(jīng)過一定延時(shí)后51MRGF請(qǐng)求移相，并重啟動(dòng)成功。這樣直流系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)行，消除了不必要的停運(yùn)。

故障時(shí)逆變側(cè)極1電流IdL1由3200A逐漸變小到800A，Idee4也就是流入高速接地開關(guān)的電流Idsg由0逐漸變大到2400A。極2電流IdL2基本保持3200A不變，電壓UdL保持在437kV左右，線路行波保護(hù)不能檢測(cè)到故障，主保護(hù)不動(dòng)作。由于高速接地開關(guān)分流的原因，故障過程中始終有IdL1+Idee4=IdL2=3200A不變，符合故障實(shí)際情況。

金屬回線接地保護(hù)51MRGF的動(dòng)作方程為：

Idsg_Idee_SUM=|Idee1+Idee2+Idsg|>Iset

式中：Idee1、Idee2分別為接地引線電流，Idsg為高速接地開關(guān)電流。

直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，Idee1、Idee2、Idsg均為0，51MRGF保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，而線路接地故障發(fā)生后Idsg_Idee_SUM最大時(shí)有2400A，達(dá)到定值，51MRGF保護(hù)會(huì)動(dòng)作。在昭從直流工程中，51MRGF保護(hù)增加了線路重啟動(dòng)功能，重啟動(dòng)時(shí)間定值是200ms。而76SG保護(hù)動(dòng)作閉鎖的時(shí)間定值是900ms，所以故障發(fā)生后，51MRGF保護(hù)會(huì)重啟動(dòng)。而76SG保護(hù)雖然也能到達(dá)電流動(dòng)作定值，但由于時(shí)間定值達(dá)不到，則不會(huì)動(dòng)作。整流側(cè)移相后，經(jīng)過250ms去游離，故障消除，系統(tǒng)重新建立電壓成功，直流恢復(fù)運(yùn)行。這樣就避免了出現(xiàn)以往直流工程中由76SG保護(hù)動(dòng)作閉鎖直流系統(tǒng)的事故。

2 金屬回線方式下的中性母線接地故障分析

同樣以溪洛渡直流輸電工程為例，在RTDS仿真系統(tǒng)上模擬中性母線F9、F15接地故障。運(yùn)行工況為：回I極1金屬回線1600MW方式下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

2.1 逆變側(cè)中性母線F9點(diǎn)接地故障

由于逆變側(cè)高速接地開關(guān)接地提供了電位鉗制點(diǎn)，逆變側(cè)中性母線電壓為0。當(dāng)發(fā)生F9點(diǎn)接地故障時(shí)，故障點(diǎn)和接地開關(guān)距離很近，兩點(diǎn)之間的電位差為0。所以，雖然故障點(diǎn)和接地開關(guān)構(gòu)成了短路回路，但是故障電流依然很小，對(duì)直流系統(tǒng)的運(yùn)行影響不大，相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作定值達(dá)不到，保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。同樣，F(xiàn)15點(diǎn)故障也不會(huì)給直流系統(tǒng)運(yùn)行帶來影響。

2.2 整流側(cè)中性母線F9點(diǎn)接地故障

與逆變側(cè)的故障特征不一樣，同樣是F9點(diǎn)接地故障，由于整流側(cè)與逆變側(cè)接地開關(guān)之間有金屬回線的線路，線路上會(huì)產(chǎn)生一定的電壓差，所以整流側(cè)中性母線電壓并不為0。正常運(yùn)行時(shí)，UdN大約在-32kV左右。此時(shí)，如果發(fā)生F9點(diǎn)故障，故障點(diǎn)則會(huì)與逆變側(cè)高速接地開關(guān)通過大地構(gòu)成短路回路。而大地電阻相比金屬回線電阻小很多，在兩點(diǎn)之間的電位差的作用下故障點(diǎn)就會(huì)流過很大短路電流。此時(shí)，整流站87DCM保護(hù)動(dòng)作，閉鎖直流系統(tǒng)。同樣，F(xiàn)15點(diǎn)故障亦會(huì)有保護(hù)動(dòng)作。

2.3 兩站中性母線接地故障對(duì)比分析

通過以上分析可以看出，同樣的故障在整流和逆變兩站的保護(hù)反應(yīng)情況是不一樣的。對(duì)于整流側(cè)，由于故障特征明顯，相關(guān)保護(hù)會(huì)做出反應(yīng)，而逆變側(cè)，由于故障特征不明顯，保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，直流系統(tǒng)仍然可以正常運(yùn)行，但是這樣就產(chǎn)生了一個(gè)隱患。當(dāng)逆變側(cè)需要由金屬回線轉(zhuǎn)入大地回線運(yùn)行時(shí)，由于中性母線F9點(diǎn)故障的存在，導(dǎo)致逆變側(cè)故障點(diǎn)和站外接地極構(gòu)成短路回路，產(chǎn)生很大故障電流，逆變站閥短路保護(hù)和87DCM動(dòng)作，閉鎖直流系統(tǒng)。金屬轉(zhuǎn)大地運(yùn)行失敗。所以當(dāng)直流系統(tǒng)需要從金屬回線轉(zhuǎn)入大地回線運(yùn)行時(shí)，必須在運(yùn)行人員確定逆變側(cè)中性母線無接地故障時(shí)才可進(jìn)行相關(guān)操作，避免直流停運(yùn)的事故發(fā)生，保證直流系統(tǒng)能安全穩(wěn)定

運(yùn)行。

3 結(jié)語

本文從理論上分析了直流輸電系統(tǒng)單極金屬回線運(yùn)行方式下發(fā)生線路接地故障時(shí)的保護(hù)動(dòng)作情況，并通過搭建的RTDS仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?yàn)證了理論分析的正確性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步驗(yàn)證了牛從直流工程在以往的直流工程上增加的51MRGF金屬回線接地保護(hù)的重啟動(dòng)功能的合理性和必要性。此外，根據(jù)金屬回線方式運(yùn)行下的逆變側(cè)中性母線接地故障的特點(diǎn)，給出了有關(guān)金屬轉(zhuǎn)大地運(yùn)行需要注意的事項(xiàng)。提出了當(dāng)直流系統(tǒng)需要從金屬回線轉(zhuǎn)入大地回線運(yùn)行時(shí)，必須在運(yùn)行人員確保逆變側(cè)中性母線無接地故障時(shí)才可進(jìn)行相關(guān)操作的建議，對(duì)直流輸電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有一定指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：劉俊兵（1986-），男，湖北荊州人，中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局助理工程師，研究方向：繼電保護(hù)；李書勇（1979-），男，南方電網(wǎng)科學(xué)研究院高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，研究方向：電力系統(tǒng)仿真分析。

（責(zé)任編輯：蔣建華）