特高压直流输电系统死区故障
清除方法分析
沈志刚桂传林
（国家电网公司运行分公司上海管理处，上海市201708）
摘要：在采用双极四阀组两端中性点接地典型接线方式的特高压直流输电系统中，中性母线开关与中性母线CT之间的区域是保护死区，该区域发生短路故障后，常规故障清除手段闭锁换流阀，断开直流开关并不能有效的切除故障点，另一极的运行电流仍能够通过中性母线刀闸继续向短路点供电，最终导致非故障极闭锁，扩大故障范围。
本文讨论了一种非常规的故障清除策略：在死区故障发生时，通过闭合中性母线接地开关分流，同时调整相关保护的动作延时，再利用中性母线刀闸切除短路电流，隔离故障点，确保另一极的正常运行不受影响，可以提高系统整体运行可靠性。
关键词：特高压；直流输电；死区故障；清除方法
1引言
在采用双极两端中性点接地典型接线方式的特高压直流输电系统中，中性母线开关与中性母线CT之间的区域是保护死区，该区域发生故障后，常规的故障清除手段闭锁换流阀、断开中性母线直流开关并不能有效的切除故障点，另一极的运行电流仍能够通过中性母线刀闸继续向短路点供电，最终导致非故障极闭锁，扩大故障范围。本文讨论了一种非常规的故障清除策略：在死区故障发生时，通过合上中性母线接地开关分流，同时调整相关保护的动作延时，再利用中性母线刀闸切除短路电流，隔离故障点，确保另一极的正常运行不受影响，可以有效提高直流输电系统的整体运行可靠性。
2双极直流输电系统保护死区界定
图1所示是特高压直流输电系统双极两端中性点接地典型接线方式。整个系统由整流侧换流站，直流线路和逆变侧换流站构成[1]，图中整流侧接线和逆变侧基本一致，因此对整流侧设备进行了简化，仅以四个串联可控硅阀组进行表示。
图1[2]双极两端中性点接地典型接线
该系统实际由两个独立运行的单极大地回线系统构成。正负两极在大地回路中的电流方向相反，实际大地电流为两极电流差值，双极平衡运行时通过接地极的电流接近0。这种接线方式有非常高的可靠性：当换流站的一个极或输电线路发生故障需退出工作时，可以转为单极大地回线运行方式，另一个极仍能够保持运行，整个系统只损失故障极的负荷。[3]特高压输电系统中甚至能在线投退换流阀组，使两极不平衡运行。
直流系统保护应满足可靠性、灵敏性、选择性、速动性的基本要求。保护分区域配置，重叠覆盖，每个区域或设备至少有一个选择性较强的主保护和覆盖区域稍大的后备保护。单极设备故障不应引起双极停运。区域内故障应首先由本区域保护首先动作，满足选择性要求。
中性母线开关与中性母线CT之间的区域，按照保护分区，属于极中性母线区域。该区域主保护是极中性母线差动保护。以极1为例，保护测量流过IDNC和IDNE两只CT的电流，在双极运行时差流超过定值，保护动作，闭锁极1换流阀，并跳开中性母线开关
P1-WN-Q1。由于四把中性母线刀闸WN-Q11、WN-Q12、WN-Q13、WN-Q14正常运行时保持合闸，此时断开中性母线开关并不能隔离故障点，正常运行极通过中性母线刀闸仍能向短路点供电。
最终，该区域内故障会导致双极区域保护动作，闭锁正常极，扩大停电范围，降低直流输电系统运行可靠性。
3死区故障发展过程分析
以双极四阀组特高压直流系统为例，假设故障前极1单阀组，极2双阀组不平衡运行。极1发生死区接地，分析故障发展过程。
(1)中性母线差动保护动作
由于中性母线处于地电位，短路支路与原接地线并联来分配直流电流。作为故障区域的主保护，中性母线差动保护最先动作，闭锁故障极的两个换流器。
表1中性母线差动保护原理[4]
保护区域极中性母线CT IDNC与IDNE之间的区域
保护测量IDNC，IDNE
保护目的及时检测区域内接地短路，清除故障
动作方程Idiff(IDNC, IDNE)= (IDCN+IFILT-IDNE)
Idiff(IDNC, IDNE)>0.2IDNE+0.35ID_NOM,5ms跳
闸
Idiff(IDNC, IDNE)>0.1IDNE+0.05ID_NOM,150ms
跳闸
后备保护换流极差动保护
动作后果移相、跳交流开关、闭锁、极隔离
需要注意的是，保护动作虽执行极隔离，但极隔离操作时间过长，无法立即切除死区故障点。
极隔离操作过程超过10s：极1NBDP动作出口，极1运行阀组Z闭锁，直流电流下降（IDL_low为真）；阀闭锁20ms后开始极隔离顺控；5s后自动拉开极母线刀闸P1-WP-Q17；P1-WP-Q17刀闸分到位后拉开中性母线开关NBS；NBS分闸到位1s后再拉开中性母线刀闸WN.Q11，WN.Q13。
(2)中性母线开关保护动作
中性母线开关NBS位于极中性母线上，起连接或隔离换流器和中性线的作用。在一极停运时，该开关断开换流器与中性线连接，将直流电流转移到接地极。如果断路器不能成功开断电流，则保护将使其重合闸。其工作原理是，测量中性母线的直流电流，当发出中性母线开关分闸命令一段时间内，电流不为零，则保护将对它发出重合闸指令。
死区故障时断开中性母线开关无法切除短路电流，因此中性母线开关保护动作，重合NBS，并合上中性母线接地开关NBGS来分流。由于极隔离逻辑需要NBS保持1s分闸状态才继续拉开WN.Q11和WN.Q13，因此NBS重合后不再执行WN.Q11和WN.Q13分闸指令，使极2的运行电流仍能通过中性母线刀闸流入故障点。
表2中性母线开关保护原理[4]
保护区域中性母线开关P-WN-Q1
保护测量IDNE
保护目的当中性母线开关不能开断短路电流时，及时重合开
关，防止其损坏
动作方程NBS已分闸同时IDNE>40A超过140ms
后备保护后备中性母线开关保护
动作后果重合中性母线开关、合NBGS
(3)站内接地过电流保护动作
站内接地过电流保护检测站内直流开关场保护区的接地故障和站内接地点的电流，如果流入站内接地网的电流较大，将引起站内接地网电压升高，有直流电流流过换流变压器从而导致换流变压器饱和。该保护计算站内接地电流有两种不同方式：主保护是直接测量流过NBGS的电流IDGND，后备保护是测量接地极线电流IDEL、金属回线电流IDME和中性母线电流IDNE，这些电流的代数和超过一定值时，表明站内接地电流过大，如果是双极运行方式下，先通过极平衡调整入地电流；如果是单极运行，直接闭锁直流系统。
表3 站内接地过电流保护原理[4]
保护区域站接地网
保护测量IDGND
保护目的及时检测站内接地网过流，防止换流变饱和
动作方程单极运行时，IDGND>200A，2s后极闭锁；
双极运行时，IDGND>100A，1.5s后执行极平衡；
双极运行时,IDGND>100A，NBS正常时3s后双极闭
锁、NBS异常时12s后双极闭锁；
后备保护后备站内接地过流保护
动作后果极平衡、合NBGS、闭锁、极隔离
系统的最小运行电流即450A，因此直流中性母线开关失灵导致NBGS被合上后，必然导致站内接地网过流。此时如无有效的故障清除手段，会导致正常运行极停运，违背保护动作选择性要求。
4故障清除策略
在中性母线开关保护NBSP动作的同时，启动NBSF（Neutral bus switch failure）顺控逻辑：①合上中性母线接地开关NBGS分流；②判断极2与站内接地点已连接（相关刀闸和NBGS已合到位）；③分P-WN-Q11、P-WN-Q13。此时极2运行电流通过故障点、NBGS 开关、接地极三点入地，由于大地电阻远小于刀闸开断电流时的电弧电阻，拉开刀闸的同时可以转移故障电流，隔离故障点；④当接地极连接且IDGND小于5A时分NBGS开关，站内接地网电流完全转移至接地极；此外尽管NBGS合上后会启动SGOCP保护，但在双极运行方式且NBS异常情况下，SGOCP跳闸延时自动从3s调整至12s，以保证该顺控逻辑有足够的时间完成系列操作，完成故障清除工作。
5结论
在采用双极两端中性点接地典型接线方式的特高压直流输电系统中，中性母线开关与中性母线CT之间的区域是保护死区，该区域发生故障后，常规的故障清除手段闭锁换流阀、断开中性母线直流开关并不能有效的切除故障点，另一极的运行电流仍能够通过中性母线刀闸继续向短路点供电，最终导致非故障极闭锁，扩大故障范围。此时通过合上中性母线接地开关分流，同时调整相关保护的动作延时，再利用中性母线刀闸切除短路电流，可以隔离故障点，确保另一极的正常运行不受影响，有效提高了直流输电系统的整体运行可靠性。
参考文献
[1]浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电.北京：电力工业出版社，1982
[2]苏州换流站设备规范，2012
[3]高压直流输电工程技术.赵畹君.北京：中国电力出版社，2004
[4]锦屏—苏南±800kV特高压直流输电工程资料，2011．
作者简介：
沈志刚1978年生，男，工程师，从事特高压直流输电系统运行维护与技术管理工作。
桂传林1983年生，男，助理工程师，从事特高压直流输电系统运行维护工作。