高压直流输电系统换流器保护分析及研究

引言

随着我国社会经济不断发展,当今交流输电系统的输送容量已经无法满足社会用电负荷快速增长的需求。在我国能源分布、负荷分布不均匀的背景下,高压直流输电系统发挥着巨大的效用。该系统具备功率调节快速、输送容量大、线路损耗低等优势。为了能够保障高压直流输电系统的运行稳定性,必须确保换流器正常动作。作为整个直流系统的核心设备,换流器在保障系统正常运行中起到了决定性作用。这就需要深度加强对换流器保护的分析与研究工作,提升高压直流输电系统的运行效率、可靠性和经济效益。

1常见故障位置

换流器的保护原则是区域故障保护动作,区外故障保护不动作。其中,区域故障主要是换流器设备故障。输电保护系统按极配置,每极一组有s2脉动换流器,三个极的s2脉动换流器保护区保持独立。再者,在系统正常运行过程中,换流器故障特性和单极大地回线方式类似,如图1所示。

2常见故障保护分析

2.1阀组短路保护

该保护装置可以直接检测各个阀的短路、接地故障以及换流变阀的相间短路故障,避免因为短路故障造成换流阀遭受过应力。针对此类故障,换流器会自动启动保护动作。其主要表现在:

2.1.1直流母线短路

直流母线短路主要是在交流侧交替产生两相、三相短路,增加交流电流,短路电流达到理想值,直流电流随之衰减,此时系统会自动判定故障,并将其切除。此外,整个换流器出现直流短路故障时,交流电流增加,高低压侧直流分流器电流显示为零,此时依然会自动保护,交流电流显示为零。母线接地短路下部故障相当于直流线路末端短路,此时不会自动保护。

2.1.2桥臂短路

桥臂短路时交流侧电流激增,甚至能够达到两相短路电流的.~3倍,直流电流有所下降。此时交流侧电流要比直流额定电流大.倍以上,换流器做自动保护动作。在逆变侧位置,增加相反直流电流,交流侧电流随之下降,可能在某个时间下降到零,但是属于区域外故障,因此换流器保护不动作。

2.2换相失败保护

该保护装置可以有效检测由于交流电网扰动、其他异常换相条件造成的换流器换相失败,减少由于交流电网扰动导致的换相失败次数,从而确保直流系统安全。在整流侧短路中,整流侧是重要的送电端,在整流侧正常运行时,任何接地故障点都会导致交流电流大于额定电流,结合保护判定依据,整流侧接地故障均不会启动保护动作。逆变侧一次换相失败,直流控制系统会自动调整到可正常运行状态,如果连续换相,则为了避免进一步恶化,就会自动启动保护动作。如果换相失败,直流电流会增加。如果6脉动组换相失败,则另一组桥交流侧电流与直流相等,此时不会启动保护动作,只有在整个换流器换相失败时,交流侧电流逐渐较小到零,才会启动保护动作。

2.3直流差动保护

在正常运行中,由于换流器出口高低压侧直流电流相同,如果换流器出现了接地故障,则部分电流会直接通过接地点,此时高低压侧电流侧不等,换流器会启动保护动作。也就是直流电差值的绝对值大于动作阈值,系统会自动动作。在出现高压母线短路故障时,此时低压侧直流电、高压出口直流电增加,但是高压侧直流分器位置电流为零,该故障会启动保护动作。如果高压侧直流电增加,低压侧直流为零,判定保护依据成立,也可以启动保护动作。中性母线短路时,低压侧分流,直流电流减少了,可以启动保护动作。换流器内部短路也会造成低压侧分流,同样可以启动保护动作。

2.4直流/交流过电流保护

要想避免主流电流过大烧毁换流器,就要重点预防晶闸管损坏问题。其保护原理是检测直流换流器电流最大值,如果故障电流超出了设定预制,此时换流器闭锁。为采用直流运行和主保护配合形式,通常要设置保护定值、延时分段。

在交流过电流保护中,测量换流变压器阀侧Y绕组、D绕组电流,主要是采集最大值和平均值,进行差值对比。如果产生了控制故障问题或短时过载故障动作,交流保护作为其他保护系统的备用保护,在相关保护装置不动作的前提下才会动作,所以保护定值、动作延迟较大。在逆变侧,换流变桥侧短路会提升交流电量,其余故障都不会产生交流过流故障。所以只在环流变桥短路故障且不动作时,换流器才会启动自动保护动作。

3换流器保护控制策略

换流器保护控制主要分为单极故障保护控制和双极故障保护控制。

3.1单极故障控制策略

在保护系统检测到某个换流器产生了故障,此时向故障极发送紧急停运信号,整流站接受到命令信号之后会立刻移相1609,此时整流器处于逆变工作状态,直流电降到零,闭锁换流器,将直流系统开关断开,交流侧开关跳开。通过站内通信系统向剩余两个极控制系统发送控制模式切换信号,系统自动切换到双极直流输电形式。改变全极定电流控制整定值,保障整个系统可以正常运行。此时系统功率会有所下降,只有原来的3/4。由于此时会降低传输功率,不会产生功率过剩的情况,所以要同时切除数据滤波器,降低无功补偿量,换流母线电压可以控制在规定范围内。

3.2双极故障控制策略

如果系统中两个极同时发生故障,则要紧急停运两个故障极。由于输电系统没有产生故障,为了能够提升输电线路利用率,可以将开关倒闸操作系统设计成金属回线形式。此时直流功率会大幅度降低,为原来的./7左右。在直流保护系统检测到两个极产生故障时,会紧急启动停运功能,将故障双极停运:同时通过站间系统非故障极发送控制模式转换信号,将电流控制整定值重新设定,确保整个系统正常运行。

4结语

综上所述,为了能够保障我国电网事业健康发展,就要加强对高压直流输电系统换流器保护的分析,针对换流器常见的故障部位及不同故障情况,采用不同的保护方案,并对现有的保护方案进行有效管控,提升换流器使用效能,这样才能确保输电系统的安全。