特高压换流站双极中性母线差动保护优化建议

特高压换流站双极中性母线差动保护优化建议

魏中奥,张春亮

国网内蒙古东部电力有限公司内蒙古超特高压分公司

内蒙古锡林浩特市  026000

摘要：本文主要介绍特高压换流站双极中性母线差动保护的保护原理及动作后果，通过两起高压直流输电系统强迫停运案例与特高压换流站运维实际情况相互对照，分别从保护范围、信号采集、保护逻辑及动作后果，四个方面进行分析，并针对其中所发现的问题提出相应的优化与建议。

关键词：特高压换流站；双极中性母线；差动保护；优化建议

0引言

在特高压直流输电系统中，直流控制保护系统是核心设备之一，直接关系到整个直流输电系统以及相关交流系统的安全、可靠运行。据统计，直流控制保护系统故障是引起直流输电系统单、双极强迫停运的主要原因之一。

在整个直流控制保护区域中，虽然双极公共区域保护数量不多，但涉及的设备和测量点较多，且保护逻辑复杂，保护动作可能会影响到非故障极的正常运行。如果处置不当，导致双极闭锁的可能性非常大，为特高压直流系统安全稳定运行带来巨大隐患。本文主要以特高压换流站双极公共区域中的中性母线差动保护为例，对其进行分析与优化，从而有效地提高特高压直流输电系统的稳定性与可靠性

1双极中性母线差动保护原理

1.1  保护概述

双极中性母线差动保护主要针对直流输电系统接地极引线和极中性母线之间的接地故障，保护范围如下图中蓝色框所示。

特高压换流站直流场一次主接线简图

参与特高压换流站双极中性母线差动保护的电气量（红色框图所示）包括：

1、IDNEP1极Ⅰ接地极侧中性母线电流；2、IDNEP2极Ⅱ接地极侧中性母线电流；3、IDGND站内接地开关电流；4、IDME金属回线电流；5、IDEL1接地极引线电流1；6、IDEL2接地极引线电流2；7、IANCE中性区域避雷器F1泄露电流。

保护通过判断流入与流出保护区域的电流数值是否一致，从而确定此区域内是否发生接地故障。

1.2  保护判据及动作逻辑

额定直流电流：ID_NOM=6250A（定值）；

制动电流：I_BIPOLE_RES=|IDNE—IDNE_OP|

差动电流：IDIF_BNBDP

当阀组阳极不接地（极Ⅰ）时：

IDIF_BNBDP=|(IDNE—IDNE_OP)—(IDGND+IDME+IDEL1+IDEL2+IANE)|；

当阀组阳极接地（极Ⅱ）时：

IDIF_BNBDP=|(IDNE_OP—IDNE)—(IDGND+IDME+IDEL1+IDEL2+IANE)|；

特殊情况：当极Ⅰ未连接时，IDNE电流值取0；当极Ⅱ未连接时，IDNE_OP电流值取0；当06001在断开位置时，IDGND电流值取0；当04000在断开位置时，IDME取值为0；当两极均未连接且04000在断开位置时或接地极线未连接时，IDEL1、IDEL2、IANE均取值为0；以上逻辑由直流控制保护软件采集直流场开关、刀闸位置信号进行判断，本文不再赘述。

2双极中性母线差动保护误动案例分析

2011年1月31日，葛洲坝换流站双极中性母线差动保护动作，导致极Ⅱ闭锁[1]。保护动作的原因为：极Ⅰ的NBS刀闸位置状态信号采集错误，使保护误判为极Ⅰ已停运，造成保护差动电流计算错误，最终导致保护动作，闭锁极Ⅱ。

本起事件是由于单一元件故障最终导致单极强迫停运，即事件的根本原因为保护设计存在缺陷。包括两个问题：1、保护差动电流计算是否应引入隔离刀闸状态信号；2、隔离刀闸状态信号的引入方法是否存在缺陷。

2013年3月5日，龙泉换流站发生双极相继闭锁[2]，其中导致极Ⅱ闭锁的原因为：该极PCP由于B系统测量板卡故障，使双极中性母线保护差动电流增大，造成保护动作。导致极Ⅰ闭锁的原因为：极Ⅱ闭锁后，极Ⅰ直流电流同时流过NBGS和接地极线路，使IDGND测量数值与实际值出现偏差，产生了较大差动电流，最终导致双极强迫停运。

本次事件暴露出的问题：1、保护动作后，未及时发出告警信息，导致运行人员无法及时处理。2、双极中性母线差动保护动作后，合上NBGS导致事故扩大。

3双极中性母线差动保护改进措施

3.1  双极中性线区域主接线优化

根据双极中性母线差动电流的计算公式，整个差动保护共涉及7个电流测点，其中IANCE支路设备仅有中性区域避雷器，考虑到避雷器为内绝缘设备，随着运行时间的增加存在逐渐老化的风险[3]，且存在中性母线避雷器被直击雷影响导致发生接地故障的可能，从而导致直流双极闭锁。

中性区域避雷器在直流系统大地回线运行时接入回路运行，主要用于防止接地极线路遭受雷击。因此，将中性区域避雷器配置于接地极线路处也可起到相同的保护效果。

3.2  控制极保护出口的优化

目前基于ABB技术的双极区保护均采用了控制极功能，即当一极取得控制位后，如果双极区保护将直接导致保护出口，而未取得控制位的另一极保护即使动作也不会出口[4]。目前的直流控制保护按照三重化原则进行冗余配置，采用“三取二”出口逻辑，从配置上避免了单一元件测量故障导致保护动作，且直流测量均采用电子式电流互感器的方式，合并单元会对测量故障进行检测。但在某些极端情况下，非控制极的两套保护测量装置均损坏或合并单元均出现错误，从而使非控制极的双极中性母线差动保护一直满足动作条件，只是无法出口，一旦控制极切换后，双极区保护立即出口。

为尽早发现测量装置故障特提出改进方案，主要目的在于：（1）让非控制极双极中性母线差动保护满足动作条件后可以向后台发送告警信号，从而使运行人员能尽早发现测量异常情况及时处理；（2）使保护判断过程更加合理，从而避免单极故障导致双极闭锁的情况。

针对以上问题，对保护的优化提出以下优化方案：整体修改双极中性母线差动保护逻辑，增加双极中性母线差动保护非控制极的所有告警、切换、动作段的告警信号。

增加切换控制极重新判断的方法，即在双极中性母线差动保护动作出口前切换控制极进行判定，当切换控制极后仍保护动作则保护出口，否则发出报警信号。

3.3  保护动作合NBGS优化

保护动作投入NBGS可以在一定程度对设备起到保护作用，但也会对直流输电系统的运行带来负面影响。

1）NBGS属于双极共用设备，其运行方式的改变势必会对双极运行产生影响。保护动作于闭合NBGS的策略会增大双极强迫停运的发生几率。

2）站内NBGS合闸成功后，将起到双极中性母线故障电流的分流作用，但是由于双极中性母线差动电流定值较低，若极平衡不成功，NBGS回路分流，有可能导致NBGS流过较大的暂态电流，从而超出其电流测量设备正确传变的极限，甚至会导致保护的误动作。

3）闭合NBGS后支路分流电流和故障电流均从换流站入地，合NBGS并未从根本上改变故障对直流系统运行的影响，因此，保护动作于闭合NBGS不利于直流输电系统的可靠运行。

因此，通过分析合NBGS对直流系统的影响，取消双极中性母线差动保护动作后合NBGS的逻辑更有利于降低保护动作出口闭锁整个直流系统的风险。

综上所述，修改后的双极中性母线差动保护程序流程图如下图所示。

双极中性母线差动保护程序流程图

4结束语

本文结合两起高压直流输电系统强迫停运案例与特高压换流站实际运维情况相互对照，系统全面的对双极中性母线差动保护的性能进行分析讨论，针对保护范围、信号采集、保护逻辑及动作后果提出以下四点优化建议：

1、对双极中性线区域主接线进行优化，将中性区域避雷器配置于接地极线路电流互感器外侧，使得双极中性母线差动保护范围不再涵盖中性区域避雷器支路。

2、对双极中性母线差动保护逻辑进行优化，去除保护告警与出口中控制极限制，在出口时增加切换控制极再次判定的逻辑，使得保护出口逻辑更加合理，从而大大减少保护误动的可能。

3、取消双极中性母线差动保护动作后闭合NBGS的动作策略。

参考文献

[1]王海军，杨宁，等.龙泉换流站双极中性线差动保护分析[J].湖北电力， 2011，35(6).

[2]姚其新，韩情涛，等.龙泉换流站直流控制保护系统运行分析[J].电力系统保护与控制， 2015，43(11).