直流输电保护

直流输电系统保护(proteetion of HVDC system)检测发生于直流输电系统中两端换流站及直流输电线路和两端交流系统的故障，并发出相应的处理指令，以保护直流输电系统免受过电流、过电压、过热和过大电动力的危害，避免系统事故进一步扩大的技术。

直流输电保护的特性要求直流输电系统保护除了与交流继电保护一样，应 能满足快速性、灵敏性、选择性和可靠性的要求外，还应特别注意其抗电磁干扰和抗暂态谐波干扰的性能、双极系统中两个单极的保护必须完全独立等特性。直 流保护应为多重化配置，并应具有很强的软、硬件自检功能。新建的直流工程均采用微机型数字式直流系统保护。

直流输电系统保护通常分为直流侧保护、交流侧 保护和直流线路保护三大类，并分为6个保护分区:① 换流站交流开关场保护区，包括换流变压器及其阀侧连线、交流滤波器和并联电容器及其连线、换流母线; ②换流阀保护区，包括换流阀及其连线;③直流开关场 保护区，包括平波电抗器和直流滤波器，及其相关的设备和连线，④中性母线保护区，包括单极中性母线和双极中性母线;⑤接地极引线和接地极保护区;⑥直流线路保护区。各保护区的保护范围应是重叠的，不允许存在死区。

直流输电系统保护的主要特点是与直流控制系统的联系十分紧密，对于直流系统的异常或故降工况,通常首先通过控制的快速性来抑制故障的发展。例如:直 流控制可在10ms左右将直流故障电流抑制到额定值左右;又如，当换相电压急剧下降时，直流控制将自动降低直流电流整定值以避免低压大电流的不稳定工况 并防止故障的发展。根据不同的故障工况，直流保护启动不同的直流自动顺序控制程序，某些保护首先是告警，如果故降进一步发展，则启动保护停运程序。直流 系统保护停运的动作，首先是通过换流器触发脉冲的 紧急移相或投旁通对后紧急移相，使直流电流很快到零，直流线路迅速去能，然后闭锁触发脉冲并断开所连 的交流滤波器和并联电容器，如果需要与交流系统隔离，则进一步跳开交流断路器。在断开断路器指令发出的同时应投人断路器失灵保护。因此，直流控制和保护

的匹配，既能快速抑制故障的发展、迅速切除故障，又能在故障消除后迅速恢复直流系统的正常运行。

双极直流系统中，各极的直流保护应完全独立，必须避免单极故障误引起直流系统双极停运。对于双极公共部分的保护，如双极中性母线的保护，或接地极的保护，应具有准确的判据和措施，尽量减少直流系统双极停运。

对直流系统保护的另一要求是:虽然保护动作要影响两端换流站系统，但不管故障发生在整流侧还是在逆变侧，保护尽量不依赖于两端换流站之间的通信. 直流系统保护的功能和参数，必须针对不同工程的交直流系统特性，与直流控制系统，以及与相关交流系统的继电保护和安全自动装置的功能和参数进行统 一的研究、设计、匹配和试验，以确保直流系统设备的 安全、直流系统的高可靠性和可用率，以及相关交流系 统的安全。

直流输电系统保护的配置。直流输电系统保护通常按直流输电系统保护特性要求配置各种保护功能，对于每个设备或保护区要求配置不同原理的主保护和后备保护，这些保护可分为直流侧保护、交流侧保护和直流线路保护三大类。

1、 直流侧保护

主要包括:换流器保护、极中性母线保护、直流滤波器保护、平波电抗器保护、直流电压异 常保护、直流谐波保护、换流站接地网保护、金属返回线故障保护、直流开关场开关设备保护、双极中性母线 保护和接地极引线保护. 换流器保护主要有换流器的各种差动保护，过流保护以及换流器本体的保护等。通过对换流变压器阁佣套管中、换流器高压端直流线路出口处、以及换流 器中性母线处的电流互感器测量值的比较，根据各电 流的差值情况可区别不同的换流器故障而设工不同的 保护.如:以交流电流大于直流电流为判据的桥

差保护可作为换流阀内或换流变压器阀侧连线的短路故障保 护;以换流器直流侧高压端和低压端电流的差别为判 据的极差保护可作为极出口短路故障的保护;以直流 电流大于交流电流为判据的差动保护可作为逆变器的 换相失败或不触发故障的保护等.对于换相失败故障 的保护，通常要求延时(约200ms左右)动作，以避免当换相失败可自行恢复时而不必要地停运直流系统。

通过对换流变压器阀侧电流、换流器直流侧中性母线电流以及换流阀冷却水温度等参数的测量，可构成换流器的过电流保护，它不仅保护换流器.而且可保 护相关的设备。

此外，根据对交流电压的测量、换流变压器分接头位置的测量，可设置电压应力保护并联动分接头控制，防止交流电压变化引起的换流阀及其它换流设备电压应力的增加。

对于换流器的触发脉冲，通常均设置监视系统.通过控制系统发出的脉冲与换流器晶闸管元件实际的触发脉冲的比较，可对换流器的误触发或丢失脉冲进行 辅助保护.在阀内，需为晶闸管设置强迫导通保护，以避免当阀臂导通时，某个晶闸管不开通而承受过大的电压应力。

对于换流器本体，通常要求设置阀温度的监视。大部分工程使用温度的计算值，以对阀的过热应力进行保护。对于晶闸管工作状态的监视是换流器必不可少 的。当晶闸管击穿损坏个数达到一定程度时，则必须闭锁换流器。由于换流器中的晶闸管元件备有冗余量，因此击穿损坏的晶闸管数量不超过冗余量时，可进行报警处理.换流器应进免在过大的触发角下运行，因此还可针对触发角设置保护性监视，以避免阀承受过大的换相应力。

换流器的辅助设备，如阀冷却系统、阀控制及其辅助电源系统，以及测量系统等都是十分重要的，工程中通常均需双重化配置，并配有性能良好的监测、故障自检报带以及主

设备和备用设备的切换逻辑。

极中性母线保护 通过检侧换流阀中性母线侧电流、直流滤波器电流以及流人接地极引线的电流并比较它们的差值，可以对中性母线或连接于中性母线的相关设备(如滤波器或电容器)的接地故障设置极中性母线差动保护。根据阀中性母线侧直流电压和直流电流的监侧，可以判断极中性母线的开路故障并采取停运直流系统的保护措施。

直流滤波器保护通常为常规结构的直流滤波器设置谐波电流过负荷保护、差动保护和电容器组不平衡保护，以防止外部及其内部故障造成设备的损坏。对于电容器元件的监视，通常进行告警和进一步停运的分段保护措施.电容器组不平衡保护的参数设置应根 据工程进行具体研究，既要灵敏又不应误动，而且应特 别注意当电容器组对称损坏时，由于测试不到不平衡电流而出现保护拒动。

对于有源直流滤波器，其电子回路部分的自检、多重配置及主备故障切换是必要的。

平波电抗界保护 对于油浸式平波电抗器，其本体保护配置与常规的交流变压器保护相同。对于空气绝缘的平波电抗器一般没有特殊的保护配里，但应配置绕组的温度监视。平波电抗器的对地短路故障，通常由换流器直流侧保护中的极差动保护进行保护。

直流电压异常保护 指对直流电压发生的过电压或欠电压进行保护。可针对直流开关场、直流线路、交流 系统以及直流控制系统的故障进行保护，并根据直流 电压、直流电流和触发角侧量值的综合情况来判断故障。该保护通常是首先作用于交流滤波器的投切控制，如无效时，再启动停运直流系统的保护程序，可保护换流器和所有需承受直流电压的设备二对于交流系统故障引起的直流欠压保护动作，应通开清除交流故障的时间，以减少直流系统的停运.

直流谐波保护 通过对直流电流中的异常谐波 (主要是工频和二次谐波)进行检侧，超过整定允许值并长达预定时间后，启动保护程序停运直流系统。主要 针对交流系统故障、换相失败、或换流阀的触发失灵等故障。

换流站接地网保护 通常对换流站内接地网的电压和流人接地网的电流进行检侧，如果侧到高于保护整定值的过电压或过电流时则保护动作停运直流系 统。当直流系统为双极平衡运行时，直流接地网过电流保护动作应使直流系统双极停运，以避免造成更大的过电流流人而损坏站内接地系统。

金属返回线故阵保护 对于直流系统在金属回线运行方式下，通过监测接地一端换流站的接地点的电流与金属回线电流的差值.可判断金属返回线的接地 故障并启动停运直流系统的保护程序。直流线路电流和站内中性母线电流的差动保护可对金属返回线的开路故障进行保护。

直流开关场开关设备保护 主要指对换流站直流开关场的中性母线开关、中性母线接地开关、大地回路 转换开关和金属回路转换开关的保护。其基本保护原理均为当发出开关断开指令并经整定的延时后，如果仍测到有电流流过开关，则重合此开关，以免开关损坏。

双极中性母线保护 通过对极1和极2中性母线电流、接地极引线电流检测值的比较，可设置双极中性母线故障的差动保护。

接地极引线保护通常需对接地极引线设置过流保护。对于结构为两根接地极引线时，应设置接地极引线电流横差保护或线路开路保护.对两个电流进行不平衡监测，以及对接地极引线的电压进行监视，以判断其发生对地短路故障，或发生开路故障，保护应发出报警信号，或进一步停运直流系统。接地极引线保护还可采用阻抗监测原理或脉冲反射原理，

这两种原理的保护均可在小电流(双极平衡运行时小于直流额定电流 的1%)时，不使用通信通道测得接地极引线的故障。 此外，还可为接地极引线设置纵差保护，但这种保护必须依赖换流站与接地极之间的专用通信通道。

2、 交流侧保护

包括换流变压器及交流母线保护、 交流滤波器保护。

换流变压器及交流母线保护 换流变压器同常规的电力变压器一样，具有油温、油位和漏油的监侧、绕组温度的监侧、分接头箱及油枕的压力保护和油流保护、瓦斯保护，以及冷却系统故障保护等本体保护。对于换流变压器及交流母线通常还配置有各种主保护和后备保护。如对于一次绕组和二次绕组内部故障的电流差动保护、对于交流换流母线故障的差动和过电流保护、对于交流换流母线以及换流变压器故障的更大范围的差动保护、对于中性点接地故障的零序电流保护、换流器闭锁时换流变压器阀侧交流连线接地故障保护、换流母线过电压保护等。

当换流变压器或换流母线保护动作时，如果换流器处于解锁状态，则应首先闭锁换流器，然后跳交流开关。

在直流翰电系统中换流变压器的分接头控制十分重要且动作频繁，因此应特别注意分接头位里及机械部件的监侧和保护。

交流滤波器保护 对构成交流滤波器的电容器、 电抗器和电阻器予以保护，也包括并联电容器组的保护。对于典型的“H”型电容器结构，通常通过检测中 间点的电流而启动电容器的不平衡保护。还可通过检 测流过滤波器的电流，配置并联电容器过电流保护和 电

抗器接地故障保护，还有电抗器和电阻器热检侧的过负荷保护、并联电抗器内部短路接地的电流差动保护，以及通过对滤波器中零序电流和单相阻抗值变化的检测而设置的滤波器失谐保护。交流滤波器的开关 是直接影响换流站交直流系统运行的重要部件，必须配置检测信号可靠的断路器失灵保护。

换流站交流开关场还应配置常规的交流线路、交流母线、重合闸、断路器失灵等保护。

3、 直流线路保护

主要有行波保护、直流电压变化率保护、直流欠压保护和直流线路纵差保护等。

对于直流输电架空线路，要求保护具有全线速动性能，并能区别直流开关场内故障、逆变侧换相失败故障，以避免区内故障区外保护动作。通常采用行波保 护，即通过对直流线路故障点向换流站两端发射的电 压和电流行波的快速检测来判断故障，最快可在故障后约2ms检测到行波量，不需远动通信就可启动直流 线路接地故障保护。通常与行波保护配用的还有直流电压变化率(du/dt)保护，以区别其它故障。但du/dt 保护的定值要经过仔细的研究、试验和选择。还可根据 换流站线路出口处所测得电流变化的方向(di/dt的方向)来区分直流线路和直流开关场故障。对于直流线路的高阻接地，直流电压下降幅值和速率都较低，可根据 直流线路两端电流的差值，采用选择性和灵敏度都很 好的直流线路纵差保护，但此保护需要依靠两端换流站间的通信通道，因而其动作延时较长。具有长时限的直流欠压保护也可作为直流线路故障的后备保护。

直流架空线接地故障的保护逻辑最终由整流侧控制保护系统实现。其常规的保护逻辑是测得故障发生后整流器紧急移相，使其变为逆变器运行，直流电流迅 速到零.等待弧道去游离后，再自动起动直流系统，使其恢复到故障前的直流电压和直流电流。去游离时间 通

常在100~500 ms左右。再起动次数可视工程要求 而定。如果由于线路污秽等原因造成全压再起动不成 功，也可设置有降压再启动的保护逻辑，如果再起动均不成功，则应停运直流系统。有较大延时的直流欠压保护动作时，通常不采用自动再启动的保护逻辑.

当工程中采用双极线并联运行方式时，由于一极线故障可在健全极线上产生较大的电压变化率，健全极线的保护将应设里电压闭锁环节防止误动作。直流工程均配置有直流线路故障定位装里。其基本原理是测量故障行波到达两端换流站的时间差，并由全球卫星定位系统(GPS)统一定时，以精确判定故障的位置。其定位精度一般要求在0.5 km范围内(或正负一个塔距)。

对于直流电缆线路，其故障一般是永久性的，因而不采用自动再起动.