直流滤波器保护跳闸分析及改进措施

直流滤波器保护跳闸分析及改进措施

李兴李靖翔蒋智宇

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局广东省广州市510405)

摘要：本文分析了世界上第一条±800kV特高压直流输电系统逆变侧穗东换流站的一起直流滤波器保护动作跳闸事故，说明C1差流过流保护逻辑在设计上存在缺陷：当故障时若其采样值短时达不到定值，则可能造成保护重新计而不动作的情况。文章最后针对该缺陷提出了优化意见，可有效降低短时采样达不到门槛值造成保护不动作而导致事故扩大的风险。

关键词：直流滤波器；差流过流保护；计时

DCfilterprotectiontrippinganalisisanditsImprovementmeasures

LIXingLIJin-xiangJIANGZhi-yu

(GuangzhouBureau,CSGEHVPowerTransmissionCompany,Guangzhou510405China)

Abstract:ThispaperanaliesInthispaperaDCfilterover-currentprotectiontrippingaccidentatSuidongConverterStationandillustratesadesigndefectinC1differentialcurrentover-currentprotectionlogic.Attheendofthepaper,atargetedsolutionisputforwardtodecreasetheincorrectactionofprotectioncausedbyShort-timesamplingfallsshortofthresholdvalue.

Keyword:DCfilter,C1differentialcurrentover-currentprotection,chronography

0引言

楚穗直流西起云南楚雄换流站，东至广东穗东换流站，是世界上第一条±800kV特高压输电工程，系统中出现谐波后极易造成谐振过电压[1,2]，影响绝缘，同时谐波对高压直流保护造成影响，导致保护的误动和拒动。设置直流滤波器来过滤谐波可提高高压直流系统稳定性，因此直流滤波器保护的正确配置对直流滤波器的正常运行有着重要作用。

1直流滤波器保护配置

在高压直流输电系统中，一般情况下双极直流均会配置两组直流滤波器，每组直流滤波器配置两套保护[3]。图1为±800kV穗东换流站直流滤波器保护配置，相应的保护主要有差动保护、C1电容器不平衡保护、差流保护、过压保护、反时限过流保护及失谐保护等[4,5]。从直流滤波器保护的对象来分，针对滤波器整体设置了差动保护和失谐保护[6,7]；针对高压电容器设置了C1不平衡保护、C1过负荷保护和C1桥差过流保护；针对高压电抗器设置了反时限过流保护；针对低压电阻/电抗器设置了过负荷保护[8,9,10]。其中差动保护及C1不平衡保护一般作为直流滤波器的主保护。

2一起直流滤波器跳闸事故分析

2.1跳闸事故描述

2016年09月，穗东换流站极1直流滤波器保护系统2C1差流过流保护（51C1DF）动作，极1直流滤波器退至接地状态，极1退至隔离状态，极1双阀组退至备用状态。当时直流功率为5000MW，跳闸后直流功率2850MW。一次设备外观无异常，极1直流滤波器保护系统2显示Ｔ（此CPU的一个或多个保护启动跳闸）。在第一次复电过程中，极1直流滤波器保护系统1和系统2C1差流过流保护（51C1DF）预告警。随后检修人员在排除二次设备故障后，进行一次设备检查，发现单只电容测量时发现四只电容器实测容值与额定容值相比偏大，初步分析判断上述4只故障电容器内部故障引起保护动作跳闸。

2.2保护动作原因分析

2.2.1极1直流保护系统2直流滤波器C1差电流过流保护（51C1DF）动作分析

穗东换流站直流滤波器C1差电流过流保护（51C1DF）判据如下：IFHD/MAX{IFHS，16A}>1.49pu，其中pu=2A/160A；动作延时为250ms，保护动作结果为启动ESOF，跳开相应极换流变交流侧开关、拉开直流滤波器高压刀闸，事故音响、事件记录、故障录波。而在动作出口前50ms，软件经判定后会发预告警信号。在跳闸时刻，故障录波如图2：

其中IFHD表示差流，IFHS表示和流。对故障录波系统中的IFHD和IFHS电流波形进行IFHD/MAX{IFHS，16A}处理后得到波形如图3所示，在250ms的展宽时间内，若保护在动作门槛点处的采样值大于1.49pu的门槛值，保护则出口动作，若采样值小于动作门槛，保护复归。由图3可知，故障发生后IFHD/MAX{IFHS，16A}波形在一段时间内大于1.49pu的门槛值，后在图3中所标识的波形处，其值跌落到门槛值附近，由于保护的采样周期为4ms，且两套保护系统的采样时钟会有微小不一致，可能导致极1保护系统1的采样点在此处落门槛值以下，保护被复归，后保护采样值又大于门槛值，保护逻辑重新开始计时；极1保护系统2的采样点在此处落门槛值以上，保护不复归，保护逻辑持续计时，达到250ms的延时后保护出口闭锁极1。由此可见，保护系统1未动作而保护系统2动作正确。

2.2.2两套直流保护系统直流滤波器C1差电流过流保护（51C1DF）发预告警分析

故障时刻极1两套直流保护系统的直流滤波器和电流IFHS与差电流IFHD波形如图4所示，由图可知故障时刻两套直流保护系统的IFHD电流波形基本一致，幅值有一个突然增大的过程，IFHS电流波形基本一致。按照之前方法将IFHD与IFHS按照IFHD/MAX{IFHS，16A}逻辑处理后所得波形如下。可见极1两套直流保护系统的IFHD/MAX{IFHS，16A}波形达到直流滤波器C1差电流过流保护（51C1DF）判据门槛值（1.49pu）并持续226ms，由于未达到保护动作出口延时250ms，两套直流保护均不满足动作出口条件，而根据定值，在保护出口50ms（约持续200ms）前会发出预告警，保护发出预告警信号后复归。所以在复电过程中51C1DF发预告警正确，保护正确不出口。

2.3小结

①故障发生后IFHD/MAX{IFHS，16A}波形在250ms动作延时计时内，有一时刻其采样值跌落到门槛值附近。由于两套保护系统的采样会有微小不一致，可能导致极1保护系统1的采样点在该时刻落在门槛值以下，保护被复归后，保护采样值又大于门槛值，保护逻辑重新开始计时；极1保护系统2的采样点在计时时刻开始均在门槛值以上，保护不复归，保护逻辑持续计时，达到250ms的延时后保护出口闭锁极1。由此可见，保护系统1未动作而保护系统2动作是正确的。

②第一次复电时，极1两套直流保护系统的IFHD/MAX{IFHS，16A}波形达到直流滤波器C1差电流过流保护（51C1DF）判据门槛值（1.49pu）并持续226ms，超过200ms但未达到保护动作出口延时250ms，两套直流保护均不满足动作出口条件，所以在复电过程中51C1DF发预告警正确，保护正确不出口。

③一次设备检查中发现四只电容器容值异常，初步分析判断上述4只故障电容器内部由于电容元件发生击穿，导致其所在串段短路，使电容器容值大幅增大，从而引起C1电容器A、B柱桥臂值偏差增大，使不平衡电流增大而引起保护动作跳闸。

3保护逻辑改进意见

3.1C1差电流过流保护（51C1DF）逻辑设计缺陷描述

在穗东换流站直流滤波器跳闸案例中，由于送两套保护的采样回路微小差异，导致其中一套C1差电流过流保护（51C1DF）保护重新计时，达不到动作时限，保护未动作。在该逻辑中存在着如下设计缺陷：若在直流滤波器故障，两套直流保护对IFHD和IFHS采样，运算为IFHD/MAX{IFHS，16A}的动作判据时，假若在250ms的时间展宽内出现低于1.49p.u.门槛值的数据，则保护可能重新计时。假设两套保护均遇到这种情况，则即使故障很严重，但在展宽内只要有采样值达不到门槛值，保护均不会动作而重新计时。在一种极端情况下，若IFHD/MAX{IFHS，16A}值始终在临界情况，则不断有达不到门槛值的采样量，保护也永远不会动作，此时故障有恶化的风险。现有的保护逻辑示意图如图5左图：

图5现有C1差电流过流保护（51C1DF）动作逻辑及优化后逻辑对比

Fig.5ComparisonofC1Differentialcurrentprotection(51C1DF)LogicBetweenExistingandOptimized

3.2优化建议

针对上述设计缺陷，可针对动作出口计时逻辑进行优化。对IFHD/MAX{IFHS，16A}采样值进行计时累加，若在一定时限内（时限不宜过长）采样值超过1.49p.u.的计时累计超过250ms，则C1差电流过流保护跳闸。若在时限内不能累计超过250ms，则重新计时；若在时限内累计超过250ms，则保护跳闸。优化逻辑后，若出现短时采样值达不到定值，可避免保护重新计时导致不动作或动作时间延长，引发事故扩大。修改后的保护逻辑示意图如图5右图。

4结语

穗东换流站直流滤波器保护跳闸事件是由于四只电容器容值异常导致C1差电流过流保护动作。在保护动作过程中，由于采样值在临界点短时低于门槛值，导致其中一套保护重新计时，该套保护不出口动作。该事件暴露出51C1DF保护中计时逻辑存在缺陷。本文最后根据该缺陷提出优化建议，由原有只对采样值是否高于门槛值来开启计时这一逻辑优化为在计时周期内进行计时累计，可大大降低因短时间采样达不到定值，保护不出口动作导致故障恶化的风险，为今后超高压直流输电系统类似逻辑提供重要参考。

参考文献:

[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2004.

[2]蔡永梁，陈潜，张楠，王海军.贵广直流工程之流滤波器保护算法改进及验证[J].南方电网技术，2010,4(1):106-108.

CAIYongliang,CHENQian,ZHANGNan,WANGHaijun.ImprovementandValidationofDCFilterAlgorithminGuizhou-GuangdongHVDCProject.SouternPowerSystemTechnology,2010,4(1):106-108.

[3]程江平，周全.直流滤波器保护的研究与改进[J].电力系统保护与控制，2011，39(4):105-109,145.

CHENGJiang-ping,ZHOUQuan.StudyandimprovementodDCfilterprotection[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(4):105-109,145.

[4]霍鹏飞，王国功，刘敏，张培珍，邹卓霖.向上±800kV特高压直流输电工程的直流保护闭锁策略[J].电力系统保护与控制，2011,39(9):137-139,144.

HUOPeng-fei,WANGGUO-gong,LIUMin,ZHANGPei-Zhen,ZOUZhuo_lin.TheDCprotectionblckstrategyinXiangjiaba-Shanghai±800kVUHVDCtransmissionproject[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(9):137-139,144.

[5]张望，黄利君，郝俊芳，等.高压直流输电控制保护系统的冗余设计[J].电力系统保护与控制，2009，37(13);88-91.

ZHANGWang,HUANGLi-jun,HAOJun-fang,etal.RedundantdesignofcontrolandprotectionsystemforHVDCtransmission[J].PowerSystemProtectionandControl,2009，37(13);88-91.

[6]HansHillborg.Xiangjiaba-Shanghai±800kVUHVDCtransmissionprojectswitchingsequencesandinterlocking,1JNL100119-390[S],2007.

[7]殷培峰,马应魁,马莉.基于直流输电系统换流器谐波的分析与处理[J].电气自动化,2014,36(1):79-81.

YINPei-feng;MAYing-kui;MALi.AnalysisandTreatmentofHVDCConverter-basedHarmonicWave[J].PowerSystem＆Automation,2014,36(1):79-81.

[8]HansHillborg.DCSystermProtectionfortheThreeGorges------Changzhou±500kVDCTransmissionProject[R].LudviksSwedenABBPowerSystem1999.

[9]HammadA.E.AnalysisofSecondHarnonicInstabilityfortheChateauguayHVDC/SVCScherne[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1992,7(1):410-415.

[10]KAZACHKOVY,BOYARSKYA,KRAICHIKY,etal.TheThirdHanonicintheRussiaFinlandDCInterconnection[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1994,9(4):2009-2017.

作者简介：

李兴（1975-），男，四川宣汉人，高级工程师，学士，从事高压直流输电运行管理工作，（电话）020-37122801（电子信箱）lixing@ehv.csg.cn；

李靖翔（1985-），男，湖北襄阳人，工程师，学士，从事高压直流输电运行管理工作，（电话）020-37122818（电子信箱）ljx.hust@163.com；

蒋智宇（1990年出生），男，湖南永州人。助理工程师，工学学士，从事高压直流输电运行及研究工作。电话：15820226110，E-mail：kody39@sina.com。