[科普中国]-直流过电流保护

电力系统中，直流输电是长距离输电的主要手段。随之而来的继电保护问题也随之需要结局。直流输电的继电保护有别于交流继电保护，但总体上，高压直流输电系统直流保护装置的工作能力依然以可靠性 、选择性 、速动性和灵敏性为衡量指标 。这些指标实际上取决于保护装置的软硬件性能 、保护原理的有效性和保护定值的合理性。通过测量换流器直流侧电流的幅值，当发生故障电流超过给定值时闭锁换流器，是直流过电流保护的主要手段。

整定预备量对于直流保护 ,在不同的交直流系统运行方式 、故障位置和时刻下 , 故障过程以及与保护相关的特征故障量往往会有较大的差异 。因此 , 直流保护整定计算前 ,也需要首先在不同的系统运行方式 、故障位置和时刻的仿真条件下 ,仿真得到一组特征故障量波形 , 然后从中挑选出极限值用于整定计算 。对于这类与保护相关的特征故障量和其极限值 ,可称之为直流保护整定预备量 。

影响因素为了确保直流保护装置在系统各种运行方式下都能满足灵敏性和选择性等要求 ,必须考虑运行方式对直流保护整定预备量的影响 。

直流系统运行方式是指在运行中可供运行人员选择的稳态运行状态 ,与接线方式 、直流电压方式和控制方式等有关 。双极直流工程可能的接线方式有单极大地回线 、单极金属回线 、双极线并联大地返回和双极运行等。正常情况下均采用双极方式正向输送额定功率 , 当一极故障停运时 , 通过改变极 、接地极线路 、直流线路和转换母线的配置 ,可转换至其他方式 。此外 , 当绝缘降低或无功控制需要时 ,可采用降压运行方式 ,同时还可能伴随降电流 。直流系统运行方式的多样性对保护定值的适应性提出了更高的要求 。目前的仿真研究通常重点考虑双极额定功率运行方式和单极大地返回最小功率运行方式 ,在特殊情况下 ,例如研究直流线路横差保护时 ,还需考虑单极金属返回运行方式 。

故障时刻的影响。换流器网络拓扑随着阀臂通断状态的变化而变化 ,稳态运行时拓扑变化具有周期性 ;受扰后 , 在直流控制保护系统的调节作用下 , 变化将无序 。网络拓扑的时变特性 ,导致不同时刻发生的直流故障会产生不同的故障过程和特征故障量波形 。因此 , 在仿真获取直流保护整定预备量时 ,需考虑故障时刻的影响 。实际情况下考虑到故障时刻影响时 ,可根据故障特征设置典型时刻 。以整流侧阀短路故障为例 ,考虑桥两侧交直流电流差值的变化情况 , 根据换流桥侧绕组交替发生两相和三相短路的基本故障特征可知 :与两相短路相比 , 三相短路中的差值变化更快 。因此 ,可以根据阀短路后绕组进入三相短路的快慢来选择典型故障时刻 。

当然 ,故障过程还受到直流控制系统的调节作用影响 ,在面对特定的直流工程时 , 通过建立实际 、详细的控制仿真模型可整体计及控制的影响 。因此 ,一般只考虑系统运行方式和故障时刻 2 个主要影响直流保护整定预备量的因素 。在电磁暂态仿真时 ,考虑上述影响因素的完备组合便可形成仿真集。仿真集中的元素可称为故障模式 。每个故障模式表示了在特定运行方式下 、在特定时刻 、发生特定故障后的一个独特故障过程 。

获取方法步骤 1 :对整定预备量的影响因素进行组合得到完备的故障模式集 。组合时 , 一般需考虑系统运行方式和故障时刻的影响 ,当保护区内有多个故障位置或多种故障类型时 , 还必须考虑故障位置或类型的影响 。在电磁暂态仿真程序中 ,对故障模式集中所有故障模式分别仿真 ,得到与保护相关的特征故障量的波形集 。

步骤 2 :利用时间尺法 ,对波形集中的每条波形(数据列)逐条求取满足保护选择性或灵敏性要求的最大值或最小值 , 并形成集合 。

步骤 3 :从步骤 2 得到的最大值集合或最小值集合中,再次选取满足选择性或灵敏性要求的最小值或最大值,即为直流保护整定预备量。1

柔性直流输电中的应用基于柔性直流技术的直流电网被认为能够带来未来电力系统发展的一次重要革命。直流电网是由大量直流端以直流形式互联组成的能量传输系统，可以实现新能源的平滑接入、全局功率的调节互济、长距离大范围的电能传输 。在大规模分布式可再生能源接入、海洋群岛供电、海上风电场群集中送出、新型城市电网构建等方面，直流电网被认为是最理想的组网方案， 也是未来智能电网发展的重要方向之一。

柔性直流电网的发展尚面临若干关键技术问题亟待解决。其中， 有别于传统交流电网和常规高压直流输电系统，多端柔性直流电网特殊的故障暂态特征、复杂快速的换流器故障控制以及直流断路器等一次设备的性能制约对其继电保护赋予了新的挑战和任务。

过电流故障暂态特征柔性直流系统直流故障暂态特征是直流保护研究的理论基础。而基于不同类型换流器的柔性直流系统故障特性存在明显的差异， 相应地对保护的要求也有所不同。VSC和MMC是最为典型的两种换流器拓扑结构，该小节分别总结关键故障特征，并分析各自对保护的要求。

两电平 VSC 型直流系统中，两极短路故障以后，直流侧将承受电容放电产生的快速过流。而且由于直流电容直接并联于换流器直流出口，电容放电、故障电流上升均不受换流器动作控制， 必须由保护快速动作于直流断路器切除故障。

而从保护交流侧设备和换流器角度出发， 由于一旦直流电压过零， 交流侧和换流器桥臂就会快速过流，因此希望保护能够在直流电压过零以前实现故障检测、故障识别( 故障区段定位) 以及故障隔离全套动作。

从全网运行可靠性以及故障后的系统快速恢复考虑，电压跌落到零意味着系统的完全崩溃，且故障消失后需要长时间的恢复过程， 事实上柔性直流电网对保护的动作速度要求将进一步提高; 而且两电平 VSC 故障电流上升速度快且不受控的问题在柔性直流电网中将会由于多站叠加而加剧， 因此在多端柔性直流电网中的应用存在一定的局限性。

MMC 型直流系统发生故障后，直流故障过电流峰值大小主要由换流器闭锁时刻决定， 因此故障后换流器的快速闭锁能够有利于降低故障过电流水平，并减小故障隔离的难度。目前，实际工程中能够做到直流故障以后 1 ～ 2 ms 甚至几百微秒级的快速故障检测、闭锁，有效避免了子模块电容的大幅度放电，有利于系统快速恢复，同时有效限制了直流线路故障电流。但是， 闭锁以后系统仍将承受不控整流形式的过电流危害， 因此需要后续保护快速切除故障。

直流断路器从提高直流电网供电可靠性的角度而言， 利用直流断路器进行故障隔离能够实现最小范围、有选择性的故障切除， 是最理想的直流故障隔离手段。从技术角度出发， 直流断路器主要可以分成三种类型: 机械式断路器、固态断路器和混合式断路器 。机械式断路器电流分断能力有限， 且动作速度较慢; 固态断路器切除容量和动作速度较机械式断路器而言有明显提升， 但是大量电力电子器件串联导致通态损耗过大; 混合式断路器结合固态断路器和机械式断路器的优点， 在保证动作速度和切除容量的前提下，通态损耗大为减小，是最具前景的直流断路器类型。

重合闸策略由于直流故障隔离技术尚不成熟， 为降低故障率，目前柔性直流输电工程均基于直流电缆输电。但是，为降低投资成本、提高输电容量， 基于架空线路输电将成为下一代柔性直流技术发展的核心问题 。架空线路输电场景下，直流故障发生概率大大提高，基于换流器自清除的故障隔离技术能够实现故障电流的快速清除，因此具有很好的应用前景。但是，考虑到架空线路瞬时性故障概率较大，必须配置有效的故障重合闸方法用以判断故障性质。

在点对点式架空线柔性直流输电系统中， 具备故障自清除能力的 MMC 具有很好的适用性。以全桥子模块型 MMC 系统为例， 直流故障发生以后可以通过闭锁换流站实现故障电流的快速清除， 无需依赖直流断路器。在上述应用场景下， 目前采取的故障重合闸方法主要是在清除故障电流、并保持换流站闭锁状态一段时间以后( 保证故障线路充分去游离， 恢复绝缘性能一般为一百到几百毫秒) ， 在零功率模式下解锁换流站，通过判断是否能够建立直流电压实现对故障点存在与否的判读 。然而， 这种方法以电压建立与否作为判据，若重合于永久性故障，会由于电容二次放电而快速过流， 对系统造成二次危害。

另一种重合闸方法在利用换流器清除直流故障电流并经历一段时间的去游离过程后， 将换流器运行于不控整流桥方式。若故障仍然存在， 交流侧电源将立即向故障点以不控整流运行方式馈入故障电流; 相反如果故障已经消失，那么交流侧电源将无法形成馈流通路，因此直流线路上不会出现电流。所以，可以通过判断直流线路是否再次出现电流来判断故障是否已经消失: 若直流线路不再出现电流，则故障已经消失， 为瞬时性故障， 可重启换流站; 若再次出现电流， 则故障仍然存在， 判定为永久性故障，立即重新闭锁换流站。2

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学