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摘要：基于MMC拓扑结构的多端柔性直流输电技术日益成熟，针对柔性直流输电直流保护策略的研究也越来越多。本文分析了柔性直流输电系统保护配置，并根据柔性直流系统的故障特征提出相应的失灵保护配置方案。
关键字：柔性直流输电；直流保护；失灵保护；
世界第一条多端柔性直流输电工程2013年底在汕头市南澳县投入运行，目前运行安全、稳定，这极大地增强了交流电网输电的灵活性，对孤岛供电、分布式电源并网、大型风电场并网等都起到了很好的效果。但是由于柔性直流输电技术是新技术，控制保护方面的研究较少，在工程投入运行一年多时间里，发现控制保护方面存在一些问题。比如，柔性直流输电系统的阀厅内部故障，控制保护系统动作结果是闭锁换流阀同时跳开断路器（启动断路器失灵保护），在断路器失灵跳不开的情况下，若失灵保护的原理是传统的判电流，则因柔性直流输电系统的阀厅故障的故障特征，断路器失灵保护是无法启动的，这将扩大了事故范围，给柔性直流输电系统带来安全隐患。因此，结合实际工程运行中发现的问题，研究柔性直流输电工程的故障特征，根据故障特征提出相应的改进措施和方法，不断完善柔性直流系统控制保护系统的功能，使柔性直流输电系统更安全可靠的运行。因此，研究柔性直流输电在发生故障时且断路器失灵时相应的失灵保护策略显得尤其重要[1]。
同时，研究柔性直流输电控制保护的故障特性对后续的柔性直流输电工程在设计和运行维护方面都具有重要意义。本文分析了柔性直流输电系统的故障特征，结合柔性直流输电系统的特点，提出了针对柔性直流输电系统的断路器失灵保护策略。
1断路器失灵保护原理及柔性直流输电系统对断路器失灵保护的配置要求[2]
目前，常规的断路器失灵保护配置是按照常规的断路器失灵保护。采用“相电流”、“零序或负序电流”动作，配合“保护动作”和“断路器合闸位置”三个条件，延时启动失灵。其中零、负序电流，“保护动作”和“断路器合闸位置”可分别由控制字投退，如图1所示。
传统的断路器失灵保护在系统故障发生故障保护动作，且断路器没分开的情况下，判断各相电流，若电流大于整定值，则失灵保护出口跳开相应断路器。但是，由于柔性直流输电系统的特殊系统结构和控制方式，从而导致柔性直流输电系统故障时，其特征量与传统的交流系统有明显的差别，致使传统的断路器失灵保护的策略不能很好地实现对柔性直流输电系统的保护。因此，研究柔性直流输电系统的故障特征，并基于故障特征提出相应的适用于柔性直流输电系统的断路器失灵保护策略。
根据柔性直流输电系统的特殊系统结构和控制方式，要求所配置的断路器失灵保护应满足柔性直流输电系统在所有故障情况下都能可能判定断路器是否失灵并可靠动作。
2柔性直流输电系统的故障特征[3-4]
柔性直流输电系统根据系统结构的划分，可以分为交流系统、换流站内以及直流输电线路三个主要部分，如图2所示。交流系统部分主要包括柔性直流输电系统所连接的交流电网和换流变压器，交流系统部分的故障影响直流功率的交换，造成换流站内直流部分的过电压或者过电流。换流站内部分的设备主要是电抗器、启动电阻、母线以及换流阀等。其中换流阀是换流站内部分的重要设备，换流阀故障后对直流的运行造成很大的影响。直流输电线路部分是功率传输的设备，直流输电线路一般采用电缆，因此故障的几率比较小。
本文针对柔性直流输电系统中一些常见故障，研究柔性直流输电系统的故障特征，提出相应的断路器失灵保护策略。
2.1交流系统故障
图1传统断路器失灵保护动作示意图
交流系统的故障主要有短路故障、断线故障以及操作或雷击过电压等，其中短路有：单相接地故障、两相接地故障、两相短路、三相短路故障。故障特征跟交流系统一样，交流系统故障产生的正序电流和负序电流都会对直流系统造成过电压或者过电流危害。
换流变压器是换流站与交流系统之间的能量交换的纽带，是柔性直流输电系统能够正常工作的核心部件。换流变压器的故障类型跟交流系统的变压器一样，可分为油箱内和油箱外两种故障。油箱外故障主要是套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。油箱内故障主要是绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的故障等。
2.2换流站内故障[5]
换流阀是直流输电系统中的重要部件，换流阀故障指由于绝缘损坏、机械失效或者控制系统故障引起换流阀失效。故障类型主要有子模块的故障和桥臂开路故障。
子模块内部故障种类众多，但均可以等效为子模块的交流端口短路故障。而桥臂电抗和换流阀接口处联接较为薄弱，有可能发生开路故障。桥臂开路故障发生于换流器内部，对于换流器的安全有着很大威胁。即使换流器能够通过切除故障相和调整控制方式实现继续运行，这种非全相运行模式将会产生大量的负序分量。
2.3直流输电线路故障
柔性直流输电系统直流线路可能发生直流电缆故障和直流架空线路故障。
图2柔性直流输电系统结构图
架空线可能由于雷电、污染、外力的破坏等原因导致对地绝缘失效，或者由于两导体间绝缘的破坏等原因发生短路、断线等故障。直流电缆故障主要由于接头故障或者外力破坏导致连接失效而造成电缆断线故障、电缆单极接地故障以及电缆双极短路故障。柔性直流输电系统各区域故障类型归纳见表1。
交流系统和换流变的故障，则有交流线路保护和换流变压器保护动作，动作结果是跳开交流断路器并闭锁换流器，如果断路器失灵，则传统的断路器失灵保护的电流判据原理满足要求去启动出口跳开相关断路器。
换流站内故障和直流线路故障，在直流保护的范围内，直流保护动作结果是闭锁换流器并跳开交流侧断路器。若断路器失灵，在无其他失灵保护动作的情况下，此时断路器失灵保护，因换流器闭锁后，流过断路器的电流因阀厅的直流电容的作用而很小，无法达到失灵保护的电流判据定值，从而使断路器失灵保护无法动作出口。因此，针对换流阀内部故障时的断路器失灵保护提出新的要求和改进。
3柔性直流输电系统的失灵保护的改进
本文在第二节中通过分析柔性直流输电系统的故障特征，总结出柔性直流输电系统的换流阀故障时，传统电流判据失灵保护因电流很小而无法正确动作的结论。根据结论，需对柔性直流输电系统的断路器失灵保护进行改进。因为柔性直流输电系统的控制保护分为直流保护装置、换流器保护装置及换流阀保护装置，所以本文将分别介绍各个保护装置中的失灵保护的改进[6-7]。
3.1直流保护装置中失灵保护的配置原理
直流保护采用A/B套双冗余配置，直流保护的保护范围如图1所示，动作结果是闭锁换流阀，跳开交流侧断路器。闭锁换流阀是通过换流器控制系统和换流阀控制系统去闭锁功率模块的触发脉冲。跳开交流侧断路器是通过直流保护装置的跳闸出口压板去跳开交流侧断路器，同时启动失灵保护，延时200ms后，判断换流阀侧的交流电压是否大于0.5pu并且交流侧断路器是否仍在合位，如果是则失灵保护出口并通过远方传输装置去跳开相关断路器。
直流保护的失灵保护策略如图3所示。
图3直流保护中失灵保护动作示意图
3.2换流器控制保护系统中失灵保护的配置原理[8]
换流器控制保护系统主要配置：（1）阀差动保护；（2）阀过流速断保护；（3）环流检测保护；（4）桥臂电容电压和过压保护；（5）双极短路故障保护，动作结果是闭锁换流阀，跳开交流侧断路器。闭锁换流阀是通过换流器控制系统和换流阀控制系统去闭锁功率模块的触发脉冲。跳开交流侧断路器是通过换流器保护装置的跳闸出口压板去跳交流侧断路器，同时启动失灵保护，延时200ms后，判断换流阀侧的交流电压是否大于0.5pu并且交流侧断路器是否仍在合位，如果是则失灵保护出口并通过远方传输装置去跳开相关断路器[10]。
换流器保护的失灵保护策略如图4所示。
图4换流器保护中失灵保护动作示意图
3.3换流阀控制保护系统中失灵保护的配置原理
换流阀控制系统配置了功率模块的过压过流保护，保护动作结果是跳开交流侧断路器，并闭锁换流阀。
换流阀的保护动作后其跳开交流断路器是通过给换流器控制系统一个信号，由换流器控制系统进行判断来出口跳开交流断路器的，失灵逻辑同3.2部分。
4总结
柔性直流输电系统在其阀厅的换流器故障和换流阀水冷系统故障时候，若断路器失灵，则断路器失灵保护因系统短路电流很小，无法满足断路器失灵保护的判据，从而扩大故障范围。本文在分析柔性直流输电系统的故障特征的基础上，总结了柔性直流输电系统的断路器失灵保护策略[11-12]。
a)柔性直流输电系统的断路器失灵保护增加以换流阀侧交流电压为判据的；
b)从目前的运行效果来看，本文提出的断路器失灵保护策略效果良好；
c)本文提出的断路器失灵保护策略适用于南澳多端柔性直流输电系统，对于其它柔性直流输电工程则需根据实际工程进行修改后再应用。
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作者简介
李洁（1985-），男，广东汕头人。工程师，从事继电保护整定计算及运行管理工作。