直流分壓器故障引起接地極斷線保護(hù)誤動(dòng)的分析

朱皆悅，劉 峰，屠云良

（華北電力大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

在高壓輸電系統(tǒng)的直流保護(hù)配置中，雙極公共區(qū)域和極中性線區(qū)域的部分設(shè)備和保護(hù)配置一直是被關(guān)注的重點(diǎn)，因?yàn)檫@些區(qū)域的設(shè)備故障，通常不僅會(huì)引起故障極的保護(hù)動(dòng)作，還會(huì)在特定條件下，導(dǎo)致非故障極的保護(hù)誤動(dòng)，最終引起雙極閉鎖。

在換流站防止單極、雙極強(qiáng)迫停運(yùn)的隱患排查中，重中之重是防止因單一元件故障導(dǎo)致的雙極強(qiáng)迫停運(yùn)的情況發(fā)生。而華新?lián)Q流站閥廳中性線直流分壓器一旦發(fā)生故障，就會(huì)引起雙極閉鎖。現(xiàn)從接地極斷線保護(hù)原理、直流分壓器故障可能引起閉鎖的隱患分析以及解決隱患的方法來(lái)加以論述。

1 接地極斷線保護(hù)原理

華新?lián)Q流站閥廳中性線上采用SCHNEWNDT公司生產(chǎn)的HVR-OO型直流分壓器。2012年3月發(fā)布的《華新?lián)Q流站設(shè)備運(yùn)行規(guī)范》，規(guī)定其測(cè)量范圍是±90 k V，為接地極斷線保護(hù)提供中性母線電壓采集量。由于HVR-OO直流分壓器安裝在閥廳內(nèi)部，使得日常巡視和維護(hù)十分不便，巡檢人員容易造成疏忽，同時(shí)對(duì)分壓器發(fā)生故障后的嚴(yán)重后果也估計(jì)不足。

直流接地極斷線保護(hù)的目的，是保護(hù)中性母線設(shè)備在接地極引線開(kāi)路的情況下免受過(guò)電壓，該保護(hù)與中性母線避雷器殘壓相配合，與中性母線設(shè)備耐壓水平相匹配。

當(dāng)換流站發(fā)生接地極斷線故障時(shí)，站內(nèi)中性母線會(huì)因失去參考電位而升高，中性母線電流降低，此時(shí)通過(guò)判斷中性母線電壓（UDN）和中性直流母線開(kāi)關(guān)電流（IDNE）是否超過(guò)定值來(lái)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。

1.1 保護(hù)原則

2012年3月發(fā)布的《華新?lián)Q流站直流控制保護(hù)》，對(duì)保護(hù)原則解讀為：

1）長(zhǎng)時(shí)間中性母線過(guò)電壓是接地極引線開(kāi)路保護(hù)的判據(jù)。

2）如果保護(hù)檢測(cè)到中性母線電壓過(guò)高時(shí)，保護(hù)將發(fā)出閉合站內(nèi)接地開(kāi)關(guān)（NBGS）指令，使中性母線電壓下降。

3）如果在中性母線電壓過(guò)高的同時(shí)，流經(jīng)中性母線的電流過(guò)小，這表明接地極引線開(kāi)路，電流從靠近換流器的避雷器流過(guò)。

4）該保護(hù)動(dòng)作為單系統(tǒng)直接出口，不切換系統(tǒng)。

1.2 動(dòng)作邏輯

2012年3月發(fā)布的《華新?lián)Q流站運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定的動(dòng)作邏輯示意圖，如圖1所示。

1）邏輯一 UDN＞10 k V時(shí)，延時(shí)60 s合NBGS，若故障未消除則延時(shí)90 s跳閘。

2）邏輯二 UDN＞20 k V時(shí)，延時(shí)350 ms合NBGS，若故障未消除則延時(shí)450 ms跳閘。

3）邏輯三 UDN＞30 k V且IDNE＜75 A時(shí)，延時(shí)450 ms跳閘。

圖1 動(dòng)作邏輯示意圖

2 直流分壓器故障隱患分析

引起接地極斷線保護(hù)動(dòng)作的原因，按故障點(diǎn)位置一般分為站外接地極線路斷線和站內(nèi)極中性母線開(kāi)路兩種。

這兩種故障大多發(fā)生在直流分壓器工作在正常狀態(tài)下，但是在日常運(yùn)維中，還得考慮第三種情況，即當(dāng)閥廳中性線直流分壓器本身發(fā)生故障時(shí)其可能導(dǎo)致的后果。

2.1 站外接地極線路斷線

1）在雙極平衡運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)發(fā)生站外接地極線路斷線時(shí)，雙極的IDNE基本不變，雙極UDN測(cè)量值均會(huì)升高，將由某極的接地極斷線保護(hù)動(dòng)作經(jīng)延時(shí)合上NBGS，UDN下降為0 k V，雙極繼續(xù)運(yùn)行，不閉鎖。相對(duì)應(yīng)的是圖1中的動(dòng)作邏輯圖一或邏輯二。

2）在雙極不平衡運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)生站外接地極線路斷線時(shí)保護(hù)動(dòng)作合上NBGS，由站接地極過(guò)流保護(hù)正常閉鎖雙極。

3）在單極運(yùn)行方式下，當(dāng)保護(hù)動(dòng)作合上NBGS后，由站內(nèi)接地極過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘。

2.2 站內(nèi)極中性母線開(kāi)路

1）在雙極運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)任意一極的閥廳中性線直流分壓器至00102與00103刀閘之間發(fā)生任何一點(diǎn)開(kāi)路時(shí)，換流閥中性母線側(cè)由于開(kāi)路無(wú)法接地，UDN測(cè)量值必然會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于30 k V，并且由于處在開(kāi)路狀態(tài)，中性直流母線開(kāi)關(guān)電流IDNE小于75 A，符合圖1中邏輯三的動(dòng)作條件，該故障極不合NBGS直接跳閘，另一極可繼續(xù)以單極大地回線方式運(yùn)行。

2）單極運(yùn)行狀態(tài)下，出現(xiàn)上述故障時(shí)直接單極閉鎖。

2.3 分壓器本身發(fā)生故障

當(dāng)HVR-OO型直流分壓器故障使得UDN測(cè)量值升高并且超過(guò)10 k V或者20 k V時(shí)，由于此刻接地極未發(fā)生異常情況，IDNE測(cè)量值基本正常而且小于75 A，根據(jù)邏輯一或者邏輯二，此時(shí)接地極斷線保護(hù)會(huì)經(jīng)相應(yīng)延時(shí)合上NBGS，但由于直流分壓器故障使得UDN未能因站內(nèi)接地極合上而測(cè)量值下降，仍將高于動(dòng)作值，保護(hù)會(huì)繼續(xù)經(jīng)延時(shí)閉鎖該極。

此時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)很快將轉(zhuǎn)為單極運(yùn)行，接地極電流全部轉(zhuǎn)移到站內(nèi)接地極，而單極運(yùn)行狀態(tài)下的直流最小運(yùn)行電流至少為300 A，使得站接地極電流（IDGND）必然超過(guò)站接地極過(guò)流保護(hù)定值的動(dòng)作值。也就是說(shuō)單極運(yùn)行時(shí)，當(dāng)IDGND＞100 A時(shí)報(bào)警，若IDGND＞200 A，則延時(shí)2 s跳閘。最終的動(dòng)作結(jié)果是因站接地極過(guò)流保護(hù)閉鎖僅剩的另一個(gè)極，造成雙極閉鎖，這是典型的因單一設(shè)備故障導(dǎo)致的雙極強(qiáng)迫停運(yùn)案例。

3 解決方法

3.1 遵循的原則

1）由于站內(nèi)接地極開(kāi)關(guān)NBGS的特殊性，出于最大限度保護(hù)站內(nèi)設(shè)備和站內(nèi)接地網(wǎng)的目的，應(yīng)該盡量避免由于單極設(shè)備故障引起的保護(hù)動(dòng)作合NBGS開(kāi)關(guān)。

2）需要避免因更改一個(gè)邏輯而影響與其他保護(hù)的配合。

因UDN超過(guò)10 k V或者20 k V時(shí)，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，保護(hù)出口發(fā)合上NBGS開(kāi)關(guān)命令。修改前的接地極斷線保護(hù)中合NBGS開(kāi)關(guān)的部分軟件圖，如圖2所示。

圖2 修改前軟件

圖中：接地極斷線保護(hù)合NBGS開(kāi)關(guān)命令為ELOC＿CL＿ORD＿NBGS。信號(hào)1（CL＿NBGS＿1）：UDN大于10 k V時(shí)，合NBGS開(kāi)關(guān)信號(hào)；信號(hào)2（CL＿NBGS＿2）：UDN大于20 k V時(shí)，合NBGS開(kāi)關(guān)信號(hào)；信號(hào)3（ELOCP＿DEBL＿IND）：極解鎖信號(hào)。

3.2 解決方法

在保護(hù)出口前增加一個(gè)邏輯，只有當(dāng)兩個(gè)極都發(fā)合上NBGS開(kāi)關(guān)動(dòng)作信號(hào)時(shí)（ELOC＿CL＿ORD＿NBGS＿OWN＿P和ELCO＿CL＿ORD＿NBGS＿OTH＿P），保護(hù)跳閘才出口。如圖3所示，增加了另一個(gè)極的合上NBGS開(kāi)關(guān)信號(hào)并將兩個(gè)極的信號(hào)相與。

圖3 修改后軟件

3.2.1 修改后的邏輯驗(yàn)證一

1）華新?lián)Q流站雙極平衡運(yùn)行時(shí)，當(dāng)站外接地線發(fā)生斷線時(shí)，雙極UDN測(cè)量值均會(huì)升高，雙極的接地極斷線保護(hù)均會(huì)發(fā)NBGS合上命令，經(jīng)相應(yīng)延時(shí)合上NBGS，雙極轉(zhuǎn)為站內(nèi)接地運(yùn)行，雙極不閉鎖。

2）雙極不平衡運(yùn)行時(shí)，兩極保護(hù)動(dòng)作均合上NBGS，若不超過(guò)站極地極過(guò)流保護(hù)定值，則繼續(xù)運(yùn)行；若超過(guò)定值，則由站接地極過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，正常閉鎖雙極。

3）單極運(yùn)行時(shí)，該極發(fā)合上NBGS開(kāi)關(guān)后由站接地極過(guò)流保護(hù)正常閉鎖。

3.2.2 修改后的邏輯驗(yàn)證二

在任意一極的閥廳中性線直流分壓器至00102、00103刀閘之間任何一點(diǎn)開(kāi)路時(shí)，UDN＞30 k V并且IDNE＜75 A，該故障極跳閘，另一極繼續(xù)運(yùn)行，動(dòng)作邏輯三不變。

3.2.3 修改后的邏輯驗(yàn)證三

當(dāng)某一極閥廳中性線直流分壓器本身發(fā)生故障時(shí)，該極UDN值雖然超過(guò)動(dòng)作值，但因另一極UDN測(cè)量值正常，經(jīng)與門(mén)后不會(huì)發(fā)合上NBGS開(kāi)關(guān)命令，導(dǎo)致的結(jié)果是故障極閉鎖而另一極正常運(yùn)行，這樣就避免了因單一設(shè)備故障導(dǎo)致的雙極強(qiáng)迫停運(yùn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在直流輸電系統(tǒng)中，換流站中性母線區(qū)域作為兩極的公共部分，涉及大地回線、金屬回線等運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換，涉及的設(shè)備和測(cè)量點(diǎn)比較多，保護(hù)邏輯復(fù)雜，多數(shù)保護(hù)動(dòng)作又為單系統(tǒng)不經(jīng)切換直接出口，而且保護(hù)動(dòng)作后果可能會(huì)影響另一極的運(yùn)行，在運(yùn)行和檢修過(guò)程中如果處理不當(dāng)就有可能引起雙極閉鎖。

文中提及的華新?lián)Q流站閥廳中性線母線HVR-OO型直流分壓器故障和與之相關(guān)的接地極斷線保護(hù)，由于動(dòng)作后果涉及合上NBGS開(kāi)關(guān)，而NBGS開(kāi)關(guān)的合與分，包括極中性母線、雙極中性母線上的故障又較容易引起雙極閉鎖，因此還需要運(yùn)維人員日常對(duì)該區(qū)域可能發(fā)生的故障及其引起的保護(hù)動(dòng)作深入分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以便更好地對(duì)該區(qū)域設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)工作，采取有效措施，防止單、雙極強(qiáng)迫停運(yùn)。