柔性直流配网继电保护关键技术评述

柔性直流配网继电保护关键技术评述

李明

国网青海省电力公司检修公司 青海西宁 810000

摘要：与传统交流配网相比，直流配网需特别关注换流变压器、换流器、直流系统侧的故障。换流变压器同常规电力变压器类似有本体保护，也配置各种主保护和后备保护。主要配置换流变压器及引线差动保护（简称大差保护），换流变压器差动保护（简称小差保护）、绕组差动保护等。换流器在直流工程中起着整流、逆变的枢纽作用，是最为关键的元件之一。换流器区的故障类型主要包括：逆变器的换相失败故障、主接线回路短路、换流阀本体及其控制系统故障以及过电压、过电流等故障。根据保护原理的不同主要分为差动保护组、谐波保护组、触发保护组、电压、电流保护组和换流阀本体保护组等。由于柔性直流配网分支众多、线路短，据数据显示，线路故障约占整个直流系统故障总数的50%，是最主要的故障类型。常见的故障有双极短路故障、单极接地故障和断线故障。其中双极短路故障对系统危害最严重。

关键词：线路保护；换流器保护；换流变压器保护；配电物联网

引言

直流配电可以实现分布式电源和直流负荷高效并网、灵活潮流控制，正成为配电系统研究热点。保护技术作为保证直流配电系统安全运行的关键技术之一，是直流配电系统首要攻克的难题。在直流配电系统中，保护面临的挑战是如何利用受限和持续过程极短的故障电流可靠识别和快速隔离故障，且现场在建的直流配电工程迫切需要提出合理的保护配置与整定方法。

1配网故障与保护配置现状

1.1直流配网保护分区及主要故障

其中，直流线路区、换流器区、换流变压器是柔性直流配网中的故障频发地。其对应的继电保护技术也是国内外专家的研究热点。结合直流配电示范工程，研究了直流配网中的保护配置和线路故障定位方法，给出保护区域的划分方法，结合模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)及网络的故障特性，提出各保护分区的配置方案，并介绍了线路常见故障的保护配置和故障定位方法。在简单的直流配电系统中，单极接地故障是直流系统最常见的故障，多由绝缘老化、树枝接触或雷电造成的，不会引起持续性的过流，由于其故障传播速度快、影响范围广，已成为直流配电保护技术发展的瓶颈。换流器在直流工程中起着整流、逆变的枢纽作用，是最为重要的元件之一。阀桥复杂的接线方式和换相特性，使其故障形式和故障机理较复杂的多。

1.2保护配置现状

对线路双极故障常配置低压过流保护、电流差动保护，对线路单极接地故障常配置直流电压不平衡保护。为防止短路造成的阀过应力，就目前保护配置现状而言，主要配置阀组短路保护，可检测各个阀的短路、接地故障及换流变阀的相间短路故障。换相失败保护可有效检测交流电网扰动、其他异常换相条件造成的换相失败。谐波保护组首先通过检测线路中的谐波含量来实现故障的检测和保护。可保护换流器交流侧相间短路、相对地短路、阀短路、为防止电流过大，烧毁换流器，预防晶闸管的损坏，目前工程主要配置直流或交流过流保护。差动类保护通过换流变阀侧电流、换流器直流侧高压端及中性端电流差值的不同区分不同的故障类型。已有文献指出，一种保护类型可以保护不同类型的故障，针对某种故障的保护也可通过多种保护类型共同完成。在换流器区保护中，要根据实际情况选取部分保护协调配合，但需保证能够保护换流器区的所有故障类型，且每一故障都配置后备保护。

2系统过电压与过电流仿真分析

2.1未配置避雷器下的过电压与过电流仿真

基于上述仿真模型，在系统未配置避雷器情况下开展典型故障下的过电压和过电流仿真计算。仿真中设置故障持续时间为1s以模拟永久性故障，故障后1．5ms保护闭锁换流器，5ms故障侧直流断路器动作，30ms故障侧交流断路器动作。当系统发生故障时在电抗器两端、线路单极对地和线路极间产生了较大的过电压。这是由于系统发生双极短路故障时将产生较大的过电流，而在系统闭锁换流站和断路器动作切断电流时，电流突变为零，导致在电抗器产生较大的过电压，因此需要采取一定的过电压防护措施。

2.2避雷器配置方案

为提高系统供电可靠性，直流配电系统允许在单极接地故障下持续运行一段时间，因此避雷器的持续运行电压需考虑正常运行和单极接地故障两种情况下的最大值。

3配置避雷器对过电流影响分析

3.1联接变压器交流母线过电流

由于联接变压器至换流阀交流母线的过电流决定性故障工况为三相接地故障，该故障下交流母线上电压降为零，此时A型避雷器不动作，故配置避雷器与未配置避雷器两种情况下联接变压器至换流阀交流母线的过电流水平一致。

3.2桥臂电抗器过电流

当限流电抗器阀侧发生双极短路故障时，由于交流系统和子模块电容通过短路点放电导致桥臂电抗器上产生较大的过电流，而在系统保护闭锁换流器后则仅由交流系统向短路点放电，电流的突变导致桥臂电抗器上产生过电压，进而导致A2型避雷器动作，为系统提供新的电流通道，此时桥臂电抗器的电流为交流电源放电电流叠加避雷器动作电流。

3.3直流变压器出口限流电抗器过电流

由于直流变压器出口限流电抗器的过电流决定性故障工况为限流电抗器线路侧双极短路故障。该故障下极间电压降为零，此时DL型避雷器不动作。因此配置避雷器和未配置避雷器两种情况下直流变压器出口限流电抗器的过电流水平一致。

4故障电气量特征与保护方案

4.1故障电气量特征

直流配网线路故障占据着整个直流系统故障总数的近一半，故国内外很多学者把研究重点放在线路故障的研究。单极接地故障发生后，故障极被钳位至零电位，受换流器子模块电容的支撑作用，健全极电压升高升高到故障前2倍。当线路发生双极短路时，故障电流迅速上升，通过故障点、直流线路、换流站上下桥臂形成回路。极易造成换流器闭锁、线路过流等严重后果。

为解决直流侧故障电流上升快、过流幅值大导致难以隔离这一现象，从交流断路器、换流器和直流断路器为分类依据，总结各自适用的隔离措施及优缺点，通过搭建两电平电压源换流器(two-levelvoltagesourceconverter,two-levelVSC)型和MMC的直流系统，对隔离方法进行仿真测试，为工程实际中隔离措施的配置提供理论依据。

4.2直流线路保护

目前，直流线路发生故障，常用的直流保护有：低压过流保护、方向过流保护、直流过电压保护、直流电压不平衡保护、直流断线保护、直流低电压保护等。鉴于直流电网现有线路保护存在的问题，专家学者积极开展研究，取得了较为丰硕的成果。以某直流电网工程为背景，提出全网配置直流断路器、采用架空线输电的对称双极直流电网线路单端量快速保护方案，该方案速动性好，采用电压梯度检测故障，借助限流电抗器对故障电压的平滑作用实现对故障区间的判别，具有较好的选择性和可靠性。

结语

作为单端电气量保护的低压过流保护和作为双端或多端电气量保护的差动保护相互配合，能够满足直流保护快速性和选择性的要求。本文配置的直流线路保护方案能够正确反映直流线路各种典型故障。

参考文献

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