直流输电系统保护

直流输电系统保护1．微机化

1）集成度高：可以将单独运行的换流系统内，所有能引起该系统停运的设备故障保护集中在一套保护系统中，有关高一级的极或双极的保护功能也都尽可能集中在这个基本的保护系统中。

2）判断准确：便于输入信号处理、定量计算、判据设定、延时选择和冗余配置；因此，提高了保护动作的准确性和系统的可靠性，便于故障分析处理。

3）便于修改：各种功能可以通过软件功能和参数的修改进行修正，方便地投入或退出。

4）经济性好：由于保护功能集中，可以节省保护硬件投资；通过软件修改，提高和完善保护功能，也节省了技改经费；同时系统可靠性提高也带来一定经济效益。

直流输电系统保护2．与直流控制系统的关系密切

1）由于直流系统的控制是通过改变换流器的触发角实现的；

2）直流保护动作的主要措施也是通过触发角变化和闭锁触发脉冲完成的；

3）直流系统的控制与保护功能关系密切；

4）直流控制和保护的配合，既能快速抑制故障的发展，迅速切除故障，又能在故障消除后迅速恢复直流系统的正常运行。

直流输电系统保护3. 多重冗余配置

1）直流系统的保护基本属于系统保护，它包括换流器、直流开关场、中性母线、直流线路及交流开关场保护等不同保护区域的保护功能。

2）直流输电系统为了防止直流保护装置本身的故障，造成运行可靠性降低，直流保护装置采用了冗余配置。

3）直流保护的冗余用于提高保护装置本身的可靠性，最终达到提高整个系统可靠性的目的。

4）三套硬件和电源独立的，功能完全相同的保护通道，输出采用“三选二”方式（即：两两之间先“与”，三个输出再“或”），可以避免任何一套保护装置本身故障造成的保护设备误动和拒动。

所有提高常规直流输电可靠性的措施对于提高特高压直流输电的可靠性依然有效，并且要进一步予以加强。主要包括：降低元部件故障率;采取合理的结构设计，如模块化、开放式等;广泛采用冗余的概念，如控制 保护系统、水冷系统的并行冗余和晶闸管的串行冗余等;加强设备状态监 视和设备自检功能等。

针对常规直流工程中存在的问题，如曾经导致直流系统极或者双极停运的站用电系统、换流变本体保护继电器、直流保护系统单元件故障等薄弱环节，在特高压直流输电系统的设计和建设中将采取措施进行改进。此外，还将加强运行维护人员的培训，适当增加易损件的备用。

提高特高压直流输电工程可靠性，还可以在设计原则上确保每一个极之间以及每极的各个换流器之间最大程度相互独立，避免相互之间的故障传递。其独立性除了主回路之外，还需要考虑：阀厅布置、供电系统、供水系统、电缆沟、控制保护系统等。2100433B

停运次数：包括由于系统或设备故障引起的强迫停运次数。对于常用的 双极直流输电系统，可分为单极停运，以及由于同一原因引起的两个极同 时停运的双极停运。对于每个极有多个独立换流器的直流输电系统，停运 次数还可以统计到换流器停运。不同的停运代表对系统不同水平的扰动。

降额等效停运小时：直流输电系统由于全部或者部分停运或某些功能受损，使得输送能力低于额定功率称为降额运行。降额等效停运小时是将降额运行持续时间乘以一个系数，该系数为降额运行输送损失的容量与 系统最大连续可输送电容量之比。

能量可用率:衡量由于换流站设备和输电线路(含电缆)强迫和计划 停运造成能量传输量限制的程度，数学上定义为统计时间内直流输电系统 各种状态下可传输容量乘以对应持续时间的总和与最大允许连续传输容量 乘以统计时间的百分比。

能量利用率：指统计时间内直流输电系统所输送的能量与额定输送容 量乘以统计时间之比。

序一

序二

前言

第1章 绪论 1

1.1 直流输电系统组成 2

1.1.1 直流输电系统一次结构 2

1.1.2 直流输电系统的二次控制保护 3

1.2 直流输电系统正常运行特性 5

1.2.1 接入约束 5

1.2.2 稳定约束 6

1.2.3 谐波约束 7

1.2.4 运行方式 8

1.2.5 直流偏磁 10

1.3 直流输电系统故障动态特点 12

1.3.1 控制特性强约束 12

1.3.2 阀动态切换 13

1.3.3 交直流系统相互作用 13

1.3.4 长直流输电线路 15

1.4 本书内容结构 15

第2章 直流系统换流器故障暂态过程分析 17

2.1 引言 17

2.2 换流器的换相暂态过程 17

2.2.1 换流器正常换相暂态过程 17

2.2.2 交流电网故障时换流器换相暂态过程 20

2.2.3 换流器换相失败暂态过程 28

2.3 交流故障特征经换流器侵入的暂态过程 30

2.4 换流器区的故障类型 33

2.4.1 换流器阀短路故障 34

2.4.2 换流器直流侧出口短路故障 37

2.4.3 换流器直流侧对地短路故障 41

2.4.4 换流器交流侧相间短路故障 42

2.4.5 换流器交流侧相对地短路故障 44

2.5 换流器对交流故障响应的暂态过程 48

2.5.1 系统不对称时换流器状态切换模型 48

2.5.2 换流器交流连接线故障暂态过程分析 49

第3章 直流系统故障特性的换流器效应对换流器保护的影响分析 55

3.1 引言 55

3.2 换流器保护与换流变保护的边界问题 55

3.3 换流器差动保护动作结果的离散性 57

3.3.1 换流器差动保护对不同类型故障响应的不确定性 58

3.3.2 换流器差动保护特征量动态特性影响因素 60

3.3.3 换流器差动保护特征量动态特性分析 62

3.4 基频保护动作结果及响应时间离散性分析 81

3.4.1 50Hz和100Hz分量的产生机理 81

3.4.2 交流故障下基频保护特征量动态特性分析 83

3.5 低电压保护动作结果及响应时间离散性分析 88

第4章 逆变侧交流故障引发直流换相失败的暂态过程与评估 94

4.1 引言 94

4.2 逆变侧交流故障引发换相失败的暂态过程分析 94

4.2.1 逆变侧交流故障下的换流母线电压 94

4.2.2 逆变母线电压畸变引发换相失败的暂态过程 97

4.3 逆变侧交流故障引发换相失败的影响因素 102

4.3.1 系统运行方式 102

4.3.2 故障时刻 104

4.3.3 故障位置 106

4.3.4 故障类型 107

4.3.5 过渡电阻 108

4.4 考虑时空离散性的换相失败评估方法 109

4.4.1 同时计及电压幅值和相位变化的熄弧角判据 109

4.4.2 基于短路计算程序的换相失败评估方法 111

4.4.3 换相失败评估方法的校验 112

第5章 直流系统故障及扰动对交流继电保护的影响分析 121

5.1 引言 121

5.2 直流系统运行工况对交流继电保护的影响 122

5.2.1 慢速变化工况 122

5.2.2 快速变化工况 124

5.2.3 直流系统运行工况对交流继电保护影响评价 125

5.3 直流系统换相失败引起的交流系统故障特征变异 127

5.3.1 故障特征变异的概念 127

5.3.2 基于“竞争”的故障特性变异机理分析 128

5.3.3 “竞争”的基本分析方法 129

5.3.4 交直流系统电气竞争范围分析 129

5.3.5 交流系统故障特征变异对继电保护的影响途径 130

5.4 故障特征变异下交流继电保护动态行为 131

5.4.1 变化量方向元件 131

5.4.2 零序元件 138

5.4.3 负序元件 140

5.4.4 距离元件 144

5.4.5 差动元件 149

5.5 故障特征变异引起暂态功率倒向问题分析 151

5.5.1 暂态快速功率倒向机理 151

5.5.2 暂态快速功率倒向发生的电气条件 152

5.5.3 暂态快速功率倒向发生的时序条件 154

5.5.4 多直流馈入系统的特殊性 155

5.5.5 暂态功率倒向影响保护动作的因素分析 157

5.6 直流系统对交流继电保护的其他影响分析 158

5.6.1 直流偏磁与谐波问题 158

5.6.2 电气量快速变化问题 161

第6章 直流输电线路故障暂态过程分析 165

6.1 引言 165

6.2 直流输电线路故障概述 166

6.2.1 直流输电线路故障分类 166

6.2.2 直流输电线路的故障阶段 173

6.3 直流输电线路故障行波过程分析 175

6.3.1 直流输电线路数学模型 175

6.3.2 故障行波在直流输电线路不连续边界的折反射规律 179

6.3.3 故障行波在直流输电线路中的传递过程 183

6.3.4 直流输电线路故障行波传播特性 186

6.4 直流控制对直流输电线路故障的影响 190

6.4.1 直流系统控制功能简介 190

6.4.2 极层控制的影响作用 191

6.4.3 换流器层控制的影响作用 192

第7章 直流输电线路继电保护动态行为分析 197

7.1 引言 197

7.2 直流输电线路继电保护及其特征量 197

7.2.1 直流输电线路继电保护概述 197

7.2.2 直流输电线路继电保护的特征量 198

7.3 直流输电线路保护特征量的动态响应特性及影响因素 199

7.3.1 电压变化率du/dt的动态特性及其影响因素 200

7.3.2 电压变化量ΔU的动态特性及其影响因素 204

7.3.3 电流变化量ΔI的动态特性及其影响因素 205

7.3.4 线路低电压水平|Udl|的动态特性及其影响因素 206

7.3.5 差电流|Idl—Idl_os|的动态特性及其影响因素 210

7.4 直流输电线路继电保护的动态行为 212

7.4.1 行波保护 213

7.4.2 微分欠压保护 221

7.4.3 直流输电线路差动保护 225

7.5 直流输电线路继电保护优化策略 230

7.5.1 特征量ΔI的处理方式的优化 230

7.5.2 行波保护电压判据的优化 237

7.5.3 基于高频采样的直流输电线路行波保护优化 241

7.6 直流输电线路继电保护新原理 245

7.6.1 检测电流首峰值时间的直流输电线路继电保护新原理 245

7.6.2 基于宽频信息的直流输电线路故障测距研究 255

第8章 直流输电线路解析方法及应用 265

8.1 引言 265

8.2 直流输电线路故障分析模型 266

8.2.1 贝吉龙法概述 266

8.2.2 单极直流输电线路故障分析模型 267

8.2.3 双极直流输电线路故障分析模型 273

8.2.4 雷击直流输电线路暂态分析模型 279

8.2.5 直流控制和行波色散等值模型 285

8.3 直流输电线路故障解析 288

8.3.1 直流输电线路短路故障 288

8.3.2 直流输电线路端部外侧短路故障 293

8.3.3 非故障雷绕击直流输电线路扰动 296

8.4 直流输电线路保护整定方法 299

8.4.1 直流输电线路保护范围与整定需求 299

8.4.2 直流输电线路保护边界确定 300

8.4.3 直流输电线路行波保护整定方法 301

8.5 直流输电线路保护雷击误动风险评估 305

8.5.1 雷击工况下的行波保护误动分析 306

8.5.2 行波保护雷击误动概率模型 308

8.5.3 行波保护雷击误动风险评估方法 312

第9章 换流变涌流特性及其对直流50Hz保护的影响分析 315

9.1 引言 315

9.2 换流变涌流问题及其特殊性 316

9.2.1 换流变涌流问题 316

9.2.2 换流变励磁涌流特殊性 322

9.2.3 换流变和应涌流正序二次谐波特性 332

9.3 换流变涌流谐波沿直流输电线路传递机理 341

9.3.1 基于直流输电线路参数的50Hz谐波放大评估方法 341

9.3.2 运行方式对50Hz分量传递特性影响 354

9.4 直流系统涌流谐波特性的影响因素 359

9.4.1 直流设备参数 359

9.4.2 涌流严重程度 361

9.4.3 直流输送功率 362

9.4.4 直流系统运行方式 363

9.4.5 交流系统强度 364

9.5 换流变涌流对直流50Hz保护影响的应对策略 365

9.5.1 应对策略概述 366

9.5.2 分相合闸控制策略优化 367

9.5.3 基于波形识别的直流50Hz闭锁策略 372

参考文献 3842100433B

《高压直流输电系统控制与保护设备(第6部分):换流站暂态故障录波装置(GB/T 22390.6-2008)》由中国标准出版社出版。

《高压直流输电系统控制与保护设备(第3部分):直流系统极控设备(GB/T 22390.3-2008)》由中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会发布。