直流過電流保護

電力系統中，直流輸電是長距離輸電的主要手段。隨之而來的繼電保護問題也隨之需要結局。直流輸電的繼電保護有別於交流繼電保護，但總體上，高壓直流輸電系統直流保護裝置的工作能力依然以可靠性 、選擇性 、速動性和靈敏性為衡量指標 。這些指標實際上取決於保護裝置的軟硬體性能 、保護原理的有效性和保護定值的合理性。通過測量換流器直流側電流的幅值，當發生故障電流超過給定值時閉鎖換流器，是直流過電流保護的主要手段。

基本介紹

• 中文名：直流過電流保護
• 外文名：DC over current protection
• 套用：柔性直流輸電繼電保護

整定預備量

對於直流保護 ,在不同的交直流系統運行方式 、故障位置和時刻下 , 故障過程以及與保護相關的特徵故障量往往會有較大的差異 。因此 , 直流保護整定計算前 ,也需要首先在不同的系統運行方式 、故障位置和時刻的仿真條件下 ,仿真得到一組特徵故障量波形 , 然後從中挑選出極限值用於整定計算 。對於這類與保護相關的特徵故障量和其極限值 ,可稱之為直流保護整定預備量 。

影響因素

為了確保直流保護裝置在系統各種運行方式下都能滿足靈敏性和選擇性等要求 ,必須考慮運行方式對直流保護整定預備量的影響 。

直流系統運行方式是指在運行中可供運行人員選擇的穩態運行狀態 ,與接線方式 、直流電壓方式和控制方式等有關 。雙極直流工程可能的接線方式有單極大地回線 、單極金屬回線 、雙極線並聯大地返回和雙極運行等。正常情況下均採用雙極方式正向輸送額定功率 , 當一極故障停運時 , 通過改變極 、接地極線路 、直流線路和轉換母線的配置 ,可轉換至其他方式 。此外 , 當絕緣降低或無功控制需要時 ,可採用降壓運行方式 ,同時還可能伴隨降電流 。直流系統運行方式的多樣性對保護定值的適應性提出了更高的要求 。目前的仿真研究通常重點考慮雙極額定功率運行方式和單極大地返回最小功率運行方式 ,在特殊情況下 ,例如研究直流線路橫差保護時 ,還需考慮單極金屬返回運行方式 。

故障時刻的影響。換流器網路拓撲隨著閥臂通斷狀態的變化而變化 ,穩態運行時拓撲變化具有周期性 ;受擾後 , 在直流控制保護系統的調節作用下 , 變化將無序 。網路拓撲的時變特性 ,導致不同時刻發生的直流故障會產生不同的故障過程和特徵故障量波形 。因此 , 在仿真獲取直流保護整定預備量時 ,需考慮故障時刻的影響 。實際情況下考慮到故障時刻影響時 ,可根據故障特徵設定典型時刻 。以整流側閥短路故障為例 ,考慮橋兩側交直流電流差值的變化情況 , 根據換流橋側繞組交替發生兩相和三相短路的基本故障特徵可知 :與兩相短路相比 , 三相短路中的差值變化更快 。因此 ,可以根據閥短路後繞組進入三相短路的快慢來選擇典型故障時刻 。

當然 ,故障過程還受到直流控制系統的調節作用影響 ,在面對特定的直流工程時 , 通過建立實際 、詳細的控制仿真模型可整體計及控制的影響 。因此 ,一般只考慮系統運行方式和故障時刻 2 個主要影響直流保護整定預備量的因素 。在電磁暫態仿真時 ,考慮上述影響因素的完備組合便可形成仿真集。仿真集中的元素可稱為故障模式 。每個故障模式表示了在特定運行方式下 、在特定時刻 、發生特定故障後的一個獨特故障過程 。

獲取方法

步驟 1 :對整定預備量的影響因素進行組合得到完備的故障模式集 。組合時 , 一般需考慮系統運行方式和故障時刻的影響 ,當保護區內有多個故障位置或多種故障類型時 , 還必須考慮故障位置或類型的影響 。在電磁暫態仿真程式中 ,對故障模式集中所有故障模式分別仿真 ,得到與保護相關的特徵故障量的波形集 。

步驟 2 :利用時間尺法 ,對波形集中的每條波形(數據列)逐條求取滿足保護選擇性或靈敏性要求的最大值或最小值 , 並形成集合 。

步驟 3 :從步驟 2 得到的最大值集合或最小值集合中,再次選取滿足選擇性或靈敏性要求的最小值或最大值,即為直流保護整定預備量。

柔性直流輸電中的套用

基於柔性直流技術的直流電網被認為能夠帶來未來電力系統發展的一次重要革命。直流電網是由大量直流端以直流形式互聯組成的能量傳輸系統，可以實現新能源的平滑接入、全局功率的調節互濟、長距離大範圍的電能傳輸 。在大規模分散式可再生能源接入、海洋群島供電、海上風電場群集中送出、新型城市電網構建等方面，直流電網被認為是最理想的組網方案， 也是未來智慧型電網發展的重要方向之一。

柔性直流電網的發展尚面臨若干關鍵技術問題亟待解決。其中， 有別於傳統交流電網和常規高壓直流輸電系統，多端柔性直流電網特殊的故障暫態特徵、複雜快速的換流器故障控制以及直流斷路器等一次設備的性能制約對其繼電保護賦予了新的挑戰和任務。

過電流故障暫態特徵

柔性直流系統直流故障暫態特徵是直流保護研究的理論基礎。而基於不同類型換流器的柔性直流系統故障特性存在明顯的差異， 相應地對保護的要求也有所不同。VSC和MMC是最為典型的兩種換流器拓撲結構，該小節分別總結關鍵故障特徵，並分析各自對保護的要求。

兩電平 VSC 型直流系統中，兩極短路故障以後，直流側將承受電容放電產生的快速過流。而且由於直流電容直接並聯於換流器直流出口，電容放電、故障電流上升均不受換流器動作控制， 必須由保護快速動作於直流斷路器切除故障。

而從保護交流側設備和換流器角度出發， 由於一旦直流電壓過零， 交流側和換流器橋臂就會快速過流，因此希望保護能夠在直流電壓過零以前實現故障檢測、故障識別( 故障區段定位) 以及故障隔離全套動作。

從全網運行可靠性以及故障後的系統快速恢復考慮，電壓跌落到零意味著系統的完全崩潰，且故障消失後需要長時間的恢復過程， 事實上柔性直流電網對保護的動作速度要求將進一步提高; 而且兩電平 VSC 故障電流上升速度快且不受控的問題在柔性直流電網中將會由於多站疊加而加劇， 因此在多端柔性直流電網中的套用存在一定的局限性。

MMC 型直流系統發生故障後，直流故障過電流峰值大小主要由換流器閉鎖時刻決定， 因此故障後換流器的快速閉鎖能夠有利於降低故障過電流水平，並減小故障隔離的難度。目前，實際工程中能夠做到直流故障以後 1 ～ 2 ms 甚至幾百微秒級的快速故障檢測、閉鎖，有效避免了子模組電容的大幅度放電，有利於系統快速恢復，同時有效限制了直流線路故障電流。但是， 閉鎖以後系統仍將承受不控整流形式的過電流危害， 因此需要後續保護快速切除故障。

直流斷路器

從提高直流電網供電可靠性的角度而言， 利用直流斷路器進行故障隔離能夠實現最小範圍、有選擇性的故障切除， 是最理想的直流故障隔離手段。從技術角度出發， 直流斷路器主要可以分成三種類型: 機械式斷路器、固態斷路器和混合式斷路器 。機械式斷路器電流分斷能力有限， 且動作速度較慢; 固態斷路器切除容量和動作速度較機械式斷路器而言有明顯提升， 但是大量電力電子器件串聯導致通態損耗過大; 混合式斷路器結合固態斷路器和機械式斷路器的優點， 在保證動作速度和切除容量的前提下，通態損耗大為減小，是最具前景的直流斷路器類型。

重合閘策略

由於直流故障隔離技術尚不成熟， 為降低故障率，目前柔性直流輸電工程均基於直流電纜輸電。但是，為降低投資成本、提高輸電容量， 基於架空線路輸電將成為下一代柔性直流技術發展的核心問題 。架空線路輸電場景下，直流故障發生機率大大提高，基於換流器自清除的故障隔離技術能夠實現故障電流的快速清除，因此具有很好的套用前景。但是，考慮到架空線路瞬時性故障機率較大，必須配置有效的故障重合閘方法用以判斷故障性質。

在點對點式架空線柔性直流輸電系統中， 具備故障自清除能力的 MMC 具有很好的適用性。以全橋子模組型 MMC 系統為例， 直流故障發生以後可以通過閉鎖換流站實現故障電流的快速清除， 無需依賴直流斷路器。在上述套用場景下， 目前採取的故障重合閘方法主要是在清除故障電流、並保持換流站閉鎖狀態一段時間以後( 保證故障線路充分去游離， 恢復絕緣性能一般為一百到幾百毫秒) ， 在零功率模式下解鎖換流站，通過判斷是否能夠建立直流電壓實現對故障點存在與否的判讀 。然而， 這種方法以電壓建立與否作為判據，若重合於永久性故障，會由於電容二次放電而快速過流， 對系統造成二次危害。

另一種重合閘方法在利用換流器清除直流故障電流並經歷一段時間的去游離過程後， 將換流器運行於不控整流橋方式。若故障仍然存在， 交流側電源將立即向故障點以不控整流運行方式饋入故障電流; 相反如果故障已經消失，那么交流側電源將無法形成饋流通路，因此直流線路上不會出現電流。所以，可以通過判斷直流線路是否再次出現電流來判斷故障是否已經消失: 若直流線路不再出現電流，則故障已經消失， 為瞬時性故障， 可重啟換流站; 若再次出現電流， 則故障仍然存在， 判定為永久性故障，立即重新閉鎖換流站。