特高壓直流輸電系統(tǒng)具有輸送容量大、送電距離遠(yuǎn)、輸電損耗低等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)的資源能源大范圍配置中發(fā)揮了重要作用。由于特高壓直流輸電線路較長(zhǎng)，沿途自然環(huán)境復(fù)雜，是直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障最頻繁的部分。直流線路故障以瞬時(shí)性接地故障居多，針對(duì)此類故障，控制保護(hù)通過(guò)移相重啟一般能夠恢復(fù)運(yùn)行，但是永久性接地故障也偶有發(fā)生，永久性接地故障會(huì)造成直流系統(tǒng)閉鎖，可能導(dǎo)致故障無(wú)法及時(shí)隔離，并且另一極在運(yùn)行時(shí)可能會(huì)形成分流回路的情況。

針對(duì)此類情況，有學(xué)者以滇西北直流工程為對(duì)象，重點(diǎn)研究通過(guò)改變保護(hù)閉鎖時(shí)序避免出現(xiàn)金屬旁路運(yùn)行而形成分流的情況，在實(shí)際應(yīng)用中得到了較好的效果，但是未研究出現(xiàn)永久故障時(shí)的處理策略，而且由于國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)區(qū)域內(nèi)的特高壓直流閉鎖時(shí)序差異較大，文中所提策略無(wú)法在國(guó)家電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)特高壓工程中進(jìn)行推廣。

本文對(duì)某特高壓直流工程某次直流線路的永久性接地故障過(guò)程進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究在直流系統(tǒng)因存在永久接地故障出現(xiàn)故障回路分流的情況時(shí)，如何及時(shí)有效地隔離故障，并且不改變現(xiàn)有的閉鎖時(shí)序，利用中性母線開(kāi)關(guān)的電流分?jǐn)嗄芰椭绷骺刂票Ｗo(hù)策略相配合實(shí)現(xiàn)永久接地故障的及時(shí)隔離。本文所提策略具有一定的工程實(shí)用價(jià)值，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文所提策略的可實(shí)施性。

1 直流線路永久故障分析

2020年2月28日，某特高壓直流工程極1發(fā)生永久接地故障，極1原壓重啟動(dòng)兩次不成功閉鎖。故障前雙極四閥組運(yùn)行，雙極總功率4000MW，極1閉鎖后功率轉(zhuǎn)帶至極2，然后啟動(dòng)自動(dòng)解鎖極1高端閥組的過(guò)程，高端閥組解鎖后由于接地故障依然存在，極1直流低電壓保護(hù)動(dòng)作，高端閥組再次閉鎖。直流線路故障期間重啟動(dòng)波形如圖1所示，直流低電壓保護(hù)動(dòng)作波形如圖2所示。

圖1 直流線路故障期間重啟動(dòng)波形

圖2 直流低電壓保護(hù)動(dòng)作波形

根據(jù)圖1波形能看出，極1線路發(fā)生故障后，首先電壓突變量和行波保護(hù)動(dòng)作請(qǐng)求移相重啟，去游離時(shí)間150ms。第一次重啟后故障依然存在，直流線路低電壓保護(hù)動(dòng)作再次請(qǐng)求移相重啟動(dòng)，去游離時(shí)間200ms，達(dá)到線路重啟動(dòng)邏輯規(guī)定的原壓重啟動(dòng)次數(shù)后閉鎖。

由于本工程配置有直流線路故障后重新解鎖高端閥組的功能，高端閥組解鎖后直流電壓一直在零附近，此時(shí)直流線路低電壓保護(hù)判斷直流未解鎖成功，保護(hù)未使能，所以直流線路低電壓保護(hù)不動(dòng)作，靠后備保護(hù)直流低電壓保護(hù)動(dòng)作閉鎖極，整流側(cè)執(zhí)行Z閉鎖，逆變側(cè)執(zhí)行Y閉鎖。

直流低電壓保護(hù)屬于直流和交流接地類故障的后備保護(hù)，僅配置在整流側(cè)，動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，一般工程的動(dòng)作時(shí)間定值設(shè)置為4s，如果直流線路故障重新解鎖高端閥組時(shí)則將動(dòng)作時(shí)間定值切換到2s，所以圖2中在高端閥組解鎖2s后直流線路低電壓保護(hù)動(dòng)作。

當(dāng)直流電壓持續(xù)低且無(wú)其他保護(hù)動(dòng)作時(shí)，直流低電壓保護(hù)才起作用，一方面考慮到此時(shí)直流電壓在直流設(shè)備的耐受能力內(nèi)，另一方面直流低電壓保護(hù)動(dòng)作可能由交流電壓異常或者控制系統(tǒng)異常導(dǎo)致，為方便后續(xù)快速恢復(fù)直流系統(tǒng)輸送功率，直流低電壓保護(hù)動(dòng)作后只執(zhí)行Z閉鎖，不跳交流進(jìn)線開(kāi)關(guān)，也不執(zhí)行極隔離。逆變側(cè)收到對(duì)站閉鎖信號(hào)后執(zhí)行Y閉鎖，由于逆變站無(wú)保護(hù)動(dòng)作，逆變側(cè)也不執(zhí)行極隔離。

整流側(cè)執(zhí)行Z閉鎖后會(huì)投入旁通對(duì)，為了能盡快實(shí)現(xiàn)故障隔離，投入旁通對(duì)后會(huì)合上閥組旁通開(kāi)關(guān)（bypass switch, BPS），同時(shí)逆變側(cè)也投入旁通對(duì)并合上BPS。極1閉鎖后的電流通路如圖3所示。

圖3 極1閉鎖后的電流通路

圖3中的實(shí)心閥組代表解鎖狀態(tài)，空心閥組代表閉鎖狀態(tài)，NBS（neutral bus switch）是中性母線開(kāi)關(guān)，IDNE是中性母線靠近接地極側(cè)電流，對(duì)其他開(kāi)關(guān)、刀開(kāi)關(guān)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。F1代表整流側(cè)極母線區(qū)接地故障，F(xiàn)2代表直流線路區(qū)接地故障，F(xiàn)3代表逆變側(cè)極母線區(qū)接地故障，F(xiàn)4代表整流側(cè)中性母線區(qū)接地故障，箭頭所指回路表示直流系統(tǒng)的直流電流流通的回路和電流流通的方向。

本次直流線路永久接地故障是在F2點(diǎn)發(fā)生永久接地故障，直流控制保護(hù)執(zhí)行閉鎖過(guò)程后形成極1兩端的BPS、極1直流線路、故障點(diǎn)共同形成了分流回路。從圖2可以看出在直流低電壓保護(hù)動(dòng)作后直流電流下降但是一直持續(xù)存在。此情況下只能手動(dòng)操作進(jìn)行極隔離或者申請(qǐng)停運(yùn)極2才能將故障隔離，增加了故障的隔離時(shí)間。

F1、F3、F4發(fā)生永久接地故障具有類似的情況。雖然在F3點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，逆變側(cè)極母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行Z閉鎖、整流側(cè)執(zhí)行Y閉鎖可能不會(huì)合上BPS，但是通過(guò)整流側(cè)的接地極、F3故障接地點(diǎn)和逆?zhèn)菳PS依然存在分流回路。F3故障極1閉鎖后的電流通路如圖4所示。

圖4 F3故障極1閉鎖后的電流通路

工程中配置的中性母線開(kāi)關(guān)分?jǐn)嚯娏髂芰σ话闶侵绷飨到y(tǒng)的額定電流，如果流入逆變側(cè)BPS和中性母線的電流大于逆變側(cè)中性母線開(kāi)關(guān)的分?jǐn)嗄芰Γ赡軙?huì)造成BPS分?jǐn)嗍　4故障時(shí)整流側(cè)中性母線差動(dòng)保護(hù)和極差動(dòng)保護(hù)會(huì)動(dòng)作，但是由于故障點(diǎn)靠近整流側(cè)，發(fā)生金屬性接地故障，另一極過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會(huì)存在較大的分流電流，也存在整流側(cè)中性母線開(kāi)關(guān)無(wú)法分?jǐn)嗟目赡苄浴９收细綦x只能依靠手動(dòng)操作極1隔離或者停運(yùn)極2實(shí)現(xiàn)。

2 處理策略

根據(jù)第1節(jié)中的分析，分流回路的存在是由于在直流系統(tǒng)中發(fā)生了永久性接地故障，并且閉鎖過(guò)程中合上了閥組旁通開(kāi)關(guān)。在閉鎖過(guò)程中投入旁通對(duì)和合BPS是為了更快地隔離故障，保護(hù)換流器不受過(guò)電壓或過(guò)電流的危害，所以在對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，不宜改變現(xiàn)有的閉鎖操作時(shí)序。本節(jié)討論形成分流回路后，如何及時(shí)切斷分流回路。

特高壓工程中都配置有NBS，其電流轉(zhuǎn)移能力一般是直流系統(tǒng)的額定電流，可用于故障的隔離操作。為了安全迅速地隔離故障，在極閉鎖后如果判斷出存在故障電流分流回路并且電流較大導(dǎo)致NBS無(wú)法打開(kāi)時(shí)，進(jìn)行移相重啟或者功率回降將電流降至安全范圍內(nèi)，然后再打開(kāi)NBS，達(dá)到故障隔離的目的。

2.1 移相重啟策略

直流系統(tǒng)發(fā)生金屬接地故障時(shí)，如果另一極進(jìn)入過(guò)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)有較大的電流流過(guò)故障點(diǎn)。如果NBS開(kāi)斷能力不足，或者未配置有NBS失靈保護(hù)，則此時(shí)無(wú)法隔離故障。故障電流由另一運(yùn)行極提供，此時(shí)如果使運(yùn)行極短暫移相，然后迅速打開(kāi)NBS可以實(shí)現(xiàn)故障的可靠隔離。移相重啟策略流程如圖5所示。

圖5 移相重啟策略流程

直流系統(tǒng)發(fā)生極閉鎖后，首先判斷是否發(fā)生了故障極閉鎖后的分流情況，可采用極閉鎖信號(hào)并且中性母線電流IDNE＞ISET1進(jìn)行判斷，其中ISET1可以選取150A。整流側(cè)檢測(cè)到有分流情況后，運(yùn)行極執(zhí)行移相重啟，如果僅逆變站檢測(cè)到閉鎖有流情況，則通過(guò)站間通信請(qǐng)求整流側(cè)運(yùn)行極執(zhí)行移相重啟，移相持續(xù)時(shí)間100ms，考慮到站間通信延時(shí)和移相時(shí)電流下降需要時(shí)間，在移相開(kāi)始40ms后兩站開(kāi)始分開(kāi)NBS。

在移相期間電流下降到0，基本可以不用考慮NBS失靈，能可靠實(shí)現(xiàn)極隔離。但是此方案在一極閉鎖后，執(zhí)行另一極的移相命令時(shí)，相當(dāng)于短時(shí)間內(nèi)雙極閉鎖，對(duì)系統(tǒng)有一定的沖擊，所以本方案適用于NBS分流能力較弱，或未配置NBS失靈保護(hù)的換流站。

2.2 功率回降策略

流過(guò)故障點(diǎn)的電流由運(yùn)行極提供，如果流過(guò)故障極的電流超過(guò)NBS的分?jǐn)嗄芰Γ梢哉?qǐng)求運(yùn)行極將功率回降到NBS分?jǐn)嗄芰σ韵拢缓笤倮_(kāi)NBS實(shí)現(xiàn)極隔離，如果流過(guò)閉鎖極的電流小于NBS的分?jǐn)嗄芰Γ瑒t直接打開(kāi)NBS，不需要功率回降，此方案能充分利用NBS的分?jǐn)嗄芰Γ瑫r(shí)需要配置NBS失靈保護(hù)作為后備保護(hù)。功率回降策略流程如圖6所示。

圖6 功率回降策略流程

為充分利用NBS的分?jǐn)嗄芰Γ瑴p少對(duì)電網(wǎng)功率的沖擊，故障極閉鎖后判斷中性母線流過(guò)的電流小于NBS的分?jǐn)嗄芰r(shí)，直接分開(kāi)NBS進(jìn)行極隔離，否則請(qǐng)求運(yùn)行極功率回降到NBS分流能力以下，一般情況下是直流系統(tǒng)的額定電流。所以功率回降策略起作用時(shí)，只請(qǐng)求運(yùn)行極將直流電流回降到直流系統(tǒng)額定電流。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提策略的有效性，以某實(shí)際特高壓工程參數(shù)建立RTDS系統(tǒng)，直流系統(tǒng)的額定電流和NBS的分流能力均是5 000A，額定電壓800kV，故障前直流雙極運(yùn)行總功率6 000MW，模擬F1發(fā)生永久金屬接地故障，極1閉鎖后，極2進(jìn)入過(guò)負(fù)荷運(yùn)行。分別驗(yàn)證移相重啟策略和功率回降策略的可行性。

3.1 移相重啟策略

移相重啟策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，極1故障后，極2進(jìn)入過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，極1由于分流了大部分的電流，其直流電流大于5000A，此時(shí)極1無(wú)法分開(kāi)NBS進(jìn)行極隔離，極1判斷出閉鎖并且存在故障分流回路后，請(qǐng)求極2移相，移相后整流側(cè)和逆變側(cè)相繼分開(kāi)極1的NBS，移相期間整流側(cè)極1電流降到0，逆變側(cè)極1電流由于雙極線路互感作用產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，出現(xiàn)流過(guò)逆變側(cè)接地極和整流側(cè)極1故障點(diǎn)的反向電流，其值在2000A左右，也在拉開(kāi)NBS的安全范圍內(nèi)。

圖7 移相重啟策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 功率回降策略

功率回降策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，極1故障閉鎖后，極2進(jìn)入過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，極1檢測(cè)到閉鎖狀態(tài)并且有分流回路后請(qǐng)求極2回降功率至額定功率，極2功率回降后，整流側(cè)極1分流電流降至4 600A，然后整流側(cè)和逆變側(cè)極1相繼分開(kāi)NBS實(shí)現(xiàn)故障隔離。

圖8 功率回降策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文分析了某特高壓工程直流線路發(fā)生永久接地故障時(shí)，故障極閉鎖后未實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)隔離的原因，提出了兩種實(shí)現(xiàn)故障隔離的方案，其中移相重啟策略適用于NBS分流能力較小的場(chǎng)合，但是對(duì)直流系統(tǒng)輸送功率干擾較大，功率回降策略對(duì)功率干擾相對(duì)較小。

本文所提策略在執(zhí)行過(guò)程中都使直流功率產(chǎn)生了一定的擾動(dòng)，后續(xù)需要研究進(jìn)一步增加NBS分流能力的可能性，充分利用NBS實(shí)現(xiàn)故障隔離。但是NBS分?jǐn)噍^大電流時(shí)容易產(chǎn)生振蕩，開(kāi)斷過(guò)程中對(duì)直流系統(tǒng)的干擾也需要進(jìn)一步研究。

本文編自2021年第11期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“一次直流線路永久故障分析及對(duì)策”，作者為劉孝輝、張靖 等。