换流站主设备保护关键技术研究

第1章 绪论 换流站连接交流系统和直流系统，所处位置电磁环境复杂，换流变压器和换流器作为耦合交直流系统的关键设备，其接线及运行方式存在特殊性，相较于常规交流系统变电站，换流站内关键性主设备所配置的各类保护动作性能可能面临特殊的问题。 本章将对换流变压器接线及运行方式，以及换流站内关键设备所配置各类保护的原理和整定原则进行介绍，并分析了各保护存在的异常动作行为和风险。 1.1 高压直流换流站接线方式及主设备保护配置 根据我国资源分布和能源需求的特点，国家正快速推进高压直流输电（high voltage direct current，HVDC）工程的建设，将逐渐形成复杂的大规模交直流混联电网。HVDC的核心技术集中在换流站设备上，换流站内各核心设备的安全可靠运行对于整个直流输电工程至关重要。作为耦合交直流互联系统的枢纽，换流站所处位置的电磁环境复杂，且站内换流变压器（简称换流变）和换流器接线及运行方式特殊。因此，相比于常规变电站，换流站内主设备保护的动作性能面临更大的挑战。换流站内关键性主设备所配置的各类保护是否完善，以及在各类故障和各种非故障扰动下保护是否具有足够的可靠性，都直接关系整个交直流互联电网的安全稳定运行。下面对换流站接线方式及主设备保护配置的相关保护进行介绍。 1.1.1 换流变接线及运行方式 换流变通常是指由单相双绕组变压器连接组成两台完全独立的三相变压器组，一台Y/Y接线，一台Y/△接线，并联运行形成一组12脉动换流变。例如，图1.1所示±500 kV天广超高压直流输电系统中，T11和T12为极Ⅰ一组12脉动换流变。在特高压换流站中，电气主接线采用双极、每极±(400 + 400) kV的双12脉动换流器串联接线方案，即在整流侧（站1）或逆变侧（站2）特高压换流站内，单极为两组12脉动换流变构成，近中性线的一组12脉动换流变为低端换流变，近极母线的一组12脉动换流变为高端换流变，如图1.2所示。每个换流器单元配置一组并联旁路断路器，每站每极中任何一组12脉动换流器退出运行，都不会影响剩余换流器构成不完整极运行。因此，整流侧和逆变侧两极各四组12脉动换流变可构成100余种单极或双极、完整或不完整、平衡或不平衡的组合运行方式。 图1.1 ±500kV天广超高压直流输电系统模型 对于超/特高压换流变，在任何组合运行方式下，每组12脉动两台换流变均是同时投退的。 图1.2 士800kV特高压直流输电工程模型 1.1.2 换流变差动保护 换流变作为直流输电系统中进行交直流变换的关键设备，其安全稳定运行对提高直流输电系统的可靠性和可用率具有重要意义。换流变所配置保护的性能如何，直接影响到换流变乃至整个直流输电系统的安全稳定运行。与应用于交流输电系统中的变压器类似，差动保护由于动作原理简单、灵敏度高，也普遍应用于保护换流变，作为其主保护。 由于换流变配置了较多的电流互感器（current transformer，CT），可以配置更加复杂和完善的差动保护，通常包括换流变引线及差动保护（大差保护）、换流变小差保护、引线差动保护和换流变绕组差动保护等。 图1.3为某换流站内极Ⅰ换流变主要差动保护配置图。CT1、CT2、CT4和CT6构成该组换流变大差保护，保护范围包括从换流变网侧的交流开关到换流变阀侧的所有线路和元件。对于每台换流变而言，CT3和CT4构成Y/Y换流变的小差保护，CT5和CT6构成Y/△换流变的小差保护，两套小差保护用于保护对应的换流变。目前主流的换流变大差保护和小差保护在应对励磁涌流问题时均采用二次谐波制动判据。从换流变大差保护和小差保护的配置及相应判据可以看出，当换流变引线部分无故障时，若不考虑CT的传变特性差异，则大差保护计算得到的差流值恒等于两套小差保护计算的差流值之和。 图1.3 换流变主要差动保护配置图 CT1、CT2、CT3和CT5构成引线差动保护，保护交流开关到换流变高压侧套管部分；CT3和CT9、CT5和CT10构成绕组差动保护，分别保护换流变的绕组。 值得注意的是，因为换流变低压侧连接换流阀的交流侧，且三相换流变由三个单相变压器组接而成，空间有限，所以Y/△接线换流变低压侧CT6一般接在三角环内，差动保护计算不需要进行星角变换。 1.1.3 换流变零序差动保护 换流变作为HVDC工程的核心设备之一，除配置纵联差动保护作为主保护外，还装设了零序差动保护，用来保护其中性点接地的Y侧绕组。其特点为：保护整定值较小，灵敏度高，动作性能高度依赖于保护用相CT和中性线CT的传变特性。 换流变零序差动保护原理如图1.4所示，规定电流正方向为图中箭头所指方向。 图1.4 换流变零序差动保护原理示意图 当系统正常运行时，自产零序电流 ，中性点零序电流 。当系统发生区内不平衡接地故障时（图1.4中f1）， 与 电流方向相反，幅值差增大，此时零序差动保护具有很高的灵敏度，保护动作；当系统发生区外接地故障时（图1.4中f2），故障零序电流对于保护而言是穿越性电流， 与 电流大小相等，方向相同，保护可靠闭锁。 比例制动式零序差动保护常用的判据动作方程有如下几种。 （1）零序差动保护动作方程之一： （1.1） （2）零序差动保护动作方程之二： （1.2） （3）零序差动保护动作方程之三： （1.3） （4）零序差动保护动作方程之四： （1.4） （5）零序差动保护动作方程之五： （1.5） 式中：Iop为动作电流（零序差动保护的零差电流）；Ires为制动电流；Iop.0为保护启动电流；Ires.0为制动电流起始值；K0为制动系数，表征不同工况下保护的制动需求，一般取0.5～0.8。 零序差动保护启动电流Iop.0的整定公式为 （1.6） 式中：Krel为可靠系数，通常取1.3～1.5；Ker为CT的传变误差系数，取0.02；？m为CT的变比未完全匹配引起的误差，一般取0.05；IN为变压器接地绕组的额定电流（经CT传变后的二次值）。制动电流起始值Ires.0可按0.8IN～1.0IN选取。 1.1.4 换流变零序过电流保护 图1.5 换流变零序过电流保护配置图 除配置上述差动类主保护外，Y/Y换流变和Y/△换流变还都配备了零序过电流保护，用作其自身及相邻元件接地故障的后备保护。按照接入元件零序电流的来源不同，零序电流可分为自产零序电流和外接零序电流，而零序过电流保护采用的零序电流来自换流变中性线专用零序CT，如图1.5所示。 零序过电流保护装置配置有两段定时限零序过电流保护，采用相同的定值；同时，保护配置有零序反时限保护。但是，按照国家电力调度通信中心继电保护定值单，零序反时限保护不投入。为防止换流变空投等原因引起保护误动，零序电流保护设置了二次谐波闭锁功能，当零序电流中二次谐波含量大于整定值时闭锁保护；设置控制字，决定是否投入零序过电流保护各段以及是否利用二次谐波闭锁保护。 零序过电流保护通常配置为两段式：一段告警，二段跳闸。其动作方程为 （1.7） 式中：I0 max为换流变末端故障时的*大零序电流；I0op为零序电流保护动作电流；Krel为可靠系数，一般不小于1.3。 换流变高压侧零序过电流保护延时定值需要与区外故障零序过电流保护延时相配合。灵敏度按下式校验：