童 凯，宣佳卓，许 烽，陈 骞

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

在国家“加快推进大气污染防治行动计划12条重点输电通道建设”的要求下，目前，浙江电网已建成四川溪洛渡左岸-浙江金华（以下简称宾金直流工程）、宁夏灵州-浙江绍兴（以下简称灵绍直流工程）2条±800 kV特高压直流输电工程，担负着“西电东送”及新能源输送的任务，是西部电网与浙江电网互联的关键通道。截止2017年3月，灵绍直流工程已安全运行1周年，宾金直流工程已累计向浙江电网输送水电925亿kWh，即将突破千亿大关，有效缓解了浙江地区用电紧张局面和环保压力，对于服务西部大开发战略、促进节能减排和区域经济协调发展具有重要意义[1-5]。

在直流输电系统运行过程中，一旦发生故障和不正常运行情况，直流保护需要及时、准确地检测直流输电系统的所有故障类型，自动、快速、有选择性地将故障元件从直流输电系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行[6-7]。

以下首先对直流保护多样的动作策略进行介绍，其次主要就直流保护动作中的换流阀闭锁动作进行说明，阐述不同闭锁类型的条件和动作特征，最后通过现场试验录波，验证保护闭锁逻辑的正确性。

1 直流保护动作逻辑

直流输电系统换流阀一次接线示意如图1所示，直流保护除了能够直接通过断路器进行故障清除外，还可以通过控制系统直接清除故障。当直流系统中发生瞬时性的轻微故障或不正常运行工况，直流保护可以不跳开断路器，仅通过控制系统的闭环控制策略，使直流系统重新恢复稳定运行；当直流系统发生永久性的严重故障时，虽然可以通过控制系统快速抑制故障的发展，但此时直流系统已无法恢复稳定运行，只能通过闭锁系统、跳开断路器隔离故障点。

图1 换流阀一次接线示意

下面列举几项常见的直流保护动作策略：

（1）控制系统切换。将冗余的控制系统由值班系统切换至备用系统，避免控制系统异常造成相关的保护误动作。

（2）移相。阀控以一定的速率增大触发角，使整流侧进入逆变状态，逆变侧运行于最小关断角，从而熄灭直流电流。

（3）投旁通对。同时导通6脉动换流阀同相的2个换流阀，形成直流侧短路，从而使直流电压迅速降到零，并且快速隔离交/直流系统。

（4）阀闭锁。阀控停止向换流阀发送触发脉冲，换流阀在直流电流过零之后自然关断。

（5）跳交流断路器。

（6）启动断路器失灵。

（7）故障重启。当直流线路发生瞬时故障时，通过整流侧移相，将直流电流迅速下降到零，经过去游离时间后再逐步恢复整流侧触发角，避免直流系统停运。

（8）极隔离。

（9）极平衡。

（10）重合开关。直流保护发出跳开断路器指令后，如果断路器无法断弧，保护会再发1个合闸指令重合断路器，避免损坏一次设备[8-11]。

2 直流工程闭锁策略

2.1 综述

宾金直流工程采用许继自主研发的新一代成套直流控制保护系统DPS-3000，系统主要由HCM3000直流控制保护平台、DS3000运行人员控制系统、DFU410分布式测控装置等子系统和装置组成。灵绍直流工程控制保护系统采用南瑞继保公司自主研发的新一代直流控制保护平台PCS-9550。

系统针对不同的故障类型，采取不同的动作组合和时序形成不同的闭锁类型，根据换流阀闭锁时是否投旁通对，宾金直流工程将特高压直流保护闭锁分为X，Y，Z，S 4种。灵绍直流工程结合特高压工程中2个串联的12脉动阀组的特点，将直流保护性闭锁分为换流阀层闭锁和极层闭锁。换流阀层闭锁分为U闭锁和V闭锁2类，极层闭锁分为X闭锁、Y闭锁和Z闭锁3类。S，X，Z，Y闭锁，优先等级依次降低，例如：当有S闭锁在执行过程中时，X，Z，Y闭锁均不执行。

2.2 X闭锁策略

主要针对换流阀短路、单桥持续换相失败、丢失脉冲等不应该投入或者无法正常投入旁通对的情况下的阀闭锁。

宾金直流工程整流侧故障执行X闭锁时，整流侧立即移相闭锁，并向对站发送保护动作信号。逆变侧接收到整流侧的保护动作信号后执行正常闭锁逻辑（即Y闭锁），触发角移相至90°，投旁通对，合旁路开关，发闭锁命令。灵绍直流工程整流侧阀组故障执行U闭锁，立即停故障阀组的触发脉冲，跳换流变开关，合旁路开关BPS，非故障阀组移相；逆变侧收到保护动作信号后移相至90°，在触发角和直流电压合适时投入旁通对，合旁路开关BPS，合上后闭锁阀组。极层故障执行X闭锁（极单阀组运行时，U闭锁自动转换成极层的X闭锁），整流侧立即闭锁换流阀，跳交流进线开关，不允许投入旁通对；逆变侧收到对站的保护动作信号以后，执行Y闭锁，移相至90°，200 ms后投旁通对，合旁路开关BPS，合上后闭锁。

逆变侧故障执行X闭锁时，宾金直流工程逆变侧立即移相至164°，延时100 ms发闭锁命令，并向对站发送保护动作信号。整流侧接收到对侧保护动作信号后执行正常闭锁逻辑（即Y闭锁），立即移相，根据直流电流大小延时发闭锁命令。灵绍直流逆变侧阀组故障执行U闭锁，交流开关跳开后投入旁通对，合旁路开关BPS，发闭锁命令；整流侧收到保护动作信号执行移相至90°，在触发角和直流电压合适时投入旁通对，合旁路开关BPS，合上后闭锁阀组。极层故障执行X闭锁，立即跳交流开关，开关跳开或延时70 ms后投入旁通对，合旁路开关BPS，BPS合上时闭锁；整流侧收到保护动作信号后立即移相，60 ms后执行Y闭锁，当电流小于一定值时，延时20 ms闭锁，否则投旁通对，合旁路开关，BPS合位时闭锁。

2.3 Y闭锁策略

主要针对阀区域、直流线路接地故障、站内接地过流、直流开关断开不成功等对设备不产生严重应力的故障。

宾金直流工程整流侧故障执行Y闭锁，当极或最后1组阀闭锁时，整流侧立即移相，延时50 ms后根据直流电流大小选择是否投旁通对，约200 ms后闭锁；当单阀组闭锁时，立即投旁通对，合旁路开关，约20 ms后直接闭锁。逆变侧接收到对侧保护动作信号后执行正常闭锁逻辑（即Y闭锁），移相至90°，投旁通对，合旁路开关，根据是否是极或最后1组阀闭锁，采用不同的延时执行闭锁指令。灵绍直流逆变侧阀组故障执行V闭锁，立即投旁通对，合旁路开关BPS，同时跳交流开关；逆变侧收到保护动作信号执行移相至90°，在触发角和直流电压合适时投入旁通对，合旁路开关BPS，合上后闭锁阀组。极层故障执行Y闭锁（极单阀组运行时，V闭锁自动转换成极层的Y闭锁），立即移相，跳交流开关，20 ms后直流电流小于一定值时直接闭锁触发脉冲，直流电流仍较大则投入旁通对，合BPS，BPS合位时闭锁换流阀；逆变侧收到对站的保护动作信号以后，执行Y闭锁，移相至90°，200 ms后投旁通对，合旁路开关BPS，BPS合位时闭锁。

逆变侧故障执行Y闭锁，整流侧执行正常闭锁逻辑，时序与整流侧故障Y闭锁类似，此处不再赘述。

2.4 Z闭锁策略

主要针对换流阀过流、极母线中性母线接地、接地极开路、直流低电压或过电压等直流侧相关的过流或接地故障，通过投旁通对迅速隔离交直流系统。

宾金直流工程整流侧故障执行Z闭锁，当极或最后1组阀闭锁时，整流侧立即移相，投旁通对，合旁路开关，否则不移相直接投旁通对，合旁路开关，然后等BPS或BPI合上后闭锁；逆变侧接收到对侧保护动作信号后执行正常闭锁。灵绍直流工程整流侧故障执行Z闭锁，立即跳交流进线开关，投入旁通对，合BPS，BPS合上后闭锁换流阀；逆变侧收到对站动作信号以后，执行移相至90°，投入旁通对，合BPS，BPS合上以后闭锁换流阀。

逆变侧故障执行Z闭锁，宾金直流工程立即投旁通对，合旁路开关，等BPS或BPI合上后闭锁；整流侧在接收到对侧保护动作信号后执行正常闭锁逻辑。灵绍直流立即跳交流进线开关，投入旁通对，合BPS，BPS合上后闭锁换流阀；整流侧收到对站的保护动作信号以后，立即移相，60 ms后执行Y闭锁，当直流电流小于一定值时，20 ms后闭锁；当直流电流仍较大时，20 ms后投入旁通对，合BPS，BPS合上后闭锁换流阀。

2.5 S闭锁策略

主要针对会引起交流侧产生较大电流的故障，时序与交流断路器的断开时间配合，避免大故障电流下断开交流断路器，是宾金直流工程特有的闭锁方式。

整流侧故障执行S闭锁，立即移相，200 ms后闭锁换流阀然后跳交流断路器；逆变侧接收到对侧保护动作信息后执行正常闭锁。

逆变侧故障执行S闭锁，移相至90°，收到交流断路器分位earlymake信号后立即投旁通对，合旁路开关，等BPS或BPI合上后闭锁；整流侧在接收到对侧保护动作信号后执行正常闭锁逻辑。

3 试验波形验证

在宾金直流工程和灵绍直流工程系统调试阶段，都要开展保护跳闸，X，Y，Z闭锁试验，试验分别在两侧进行，以检验由不同地点手动发出的跳闸闭锁能否正确动作以及保护动作跳闸时序是否正常。以下选取几个现场试验的典型波形，验证保护闭锁逻辑的正确性。

3.1 逆变侧X闭锁

宾金直流工程双换流阀串联运行，功率指令800 MW，直流电压800 kV。系统稳态运行后，模拟逆变站X闭锁，如图2所示记录了该换流阀的闭锁过程。

图2 逆变侧X闭锁录波

由图2可见，极1换流阀执行X闭锁，立即移相至160°，跳交流进线开关，合BPS，100 ms后闭锁，整个过程都没有投入旁通对。

3.2 逆变侧V闭锁

灵绍直流工程极1定电流控制，双换流阀串联运行，电流指令500 A，直流电压800 kV。系统稳态运行后，模拟逆变站CCP1换流阀V闭锁，图3记录了该换流阀的闭锁过程。

由图3可见，CCP1换流阀V闭锁，立即移相，发出合旁通开关BPS_CLOSE_ORD指令和跳交流进线开关TRIP_ACCB指令。待直流电流基本为零时闭锁CCP1，CCP2调节触发角恢复直流电流。这种闭锁方式保证了CCP1的安全、快速和平稳退出。

4 结语

以宾金、灵绍2个±800 kV特高压直流输电工程为例，根据2个12脉动阀组串联的接线方式，详细阐述了特高压直流保护闭锁的分类和动作特征，宾金直流保护闭锁分4种类型，根据是否是极或最后1组阀闭锁，采取不同的策略；灵绍直流保护则按照阀层保护和极层保护，分别设计了2种和4种类型，采取不同的策略。但总的来说，2个工程具体到某个闭锁类型，在触发角控制和动作延时方面有所不同，区别并不是很明显。

目前，通过现场试验和运行实践证实2种技术路线的保护闭锁策略都可以有效的检测到各种设备故障情况，并根据不同的保护动作采用相应的措施，在保护到换流阀设备的情况下最小程度地影响到整个工程的运行，保证直流输电系统的安全可靠运行[12-18]。

图3 逆变侧V闭锁录波

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