刘俊兵　李书勇

摘要：文章从理论上分析了直流输电系统单极金属回线运行方式下发生线路接地故障时的各种电气量的变化情况，并通过案例进一步验证了正在建造的昭从直流工程在以往的直流工程上增加的51MRGF金属回线接地保护的重启动功能的合理性，并根据金属回线方式运行下的故障特点提出了有关金属回线转大地回线的建议。

关键词：直流输电；单极金属回线；RTDS仿真；线路接地故障；51MRGF保护 文献标识码：A

中图分类号：TM721 文章编号：1009-2374（2015）32-0136-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.32.073

直流输电工程有多种运行方式可以选择，常见的有双极大地、单极大地和单极金属运行方式。后两者运行方式可以保证在一极故障或者检修停运时仍能正常输送功率，从而降低对整个输电系统的影响。当单极大地长期大负荷运行时，大地中会持续流过大电流，给接地极和变压器带来严重影响。为避免这种现象发生，在直流系统需要单极长时间运行的情况下，往往采取单极金属回线的方式运行。

1 单极金属回线运行方式下线路接地故障分析

以溪洛渡直流输电工程为例，在RTDS仿真系统上模拟线路接地故障，对金属回线方式线路故障时的保护策略进行阐述和分析。

运行工况如下：回I单极金属回线方式下稳定运行，功率为1600MW。正常运行时，极1、极2线路中流过的电流为3200A，逆变侧高速接地开关接地以提供电位钳制点，Idsg=0A。如图1所示：

图1 直流输电系统简图

1.1 极1线路发生金属性接地故障时的现象

回I极1单极金属回线运行时，模拟极1线路发生金属性接地故障。故障瞬间，由于大地电阻很小，整个逆变侧极1阀组被短路，电流流过极1线路、故障接地点并经过大地、逆变站高速接地开关和极2线路构成回路。

图2 直流输电系统故障点图

根据图2分析可知：故障瞬间，由于短路原因，整流侧极母线和中性母线电流突然变大，并且伴随着线路电压突然变小。线路保护检测到故障，行波保护（WFPDL）和突变量保护（27du/dt）动作。

同样，由于接地点和高速接地开关形成通路，导致逆变侧整个极1阀组被短路。极母线和中性母线电流几乎下降到0，线路电压也大幅跌落，高速接地开关流入很大负向电流。逆变侧线路保护检测到故障，行波保护（WFPDL）和突变量保护（27du/dt）动作。整流侧极控发出移相重启命令，线路重启成功，故障消除后，极1恢复正常状态额定运行。

1.2 极1线路发生高阻接地故障时的现象

在以往的高肇直流、兴安直流运行中均发生过上述直流系统停运事故。针对这一情况，在建的昭从直流工程中，直流线路保护增加了51MRGF保护的重启动功能，将有效地解决金属回线方式下高阻接地故障导致直流闭锁的问题。

对于金属回线上的高阻接地故障，同理，由于无主保护保护金属回线，51MRGF保护同样解决了高阻接地故障导致直流闭锁的问题。

回I极2金属回线运行方式下，模拟极1线路发生高阻接地故障。直流电压、电流的变化不能被行波保护检测到，但由于接地故障的存在，导致产生电流分流现象，整流、逆变两侧的直流电流将出现差值，此差值即为流过高速接地开关的负方向电流Idsg。

由于两站的行波保护和突变量保护不动作，而逆变侧Idsg很大，到达了后备保护51MRGF的定值，经过一定延时后51MRGF请求移相，并重启动成功。这样直流系统仍能继续运行，消除了不必要的停运。

故障时逆变侧极1电流IdL1由3200A逐渐变小到800A，Idee4也就是流入高速接地开关的电流Idsg由0逐渐变大到2400A。极2电流IdL2基本保持3200A不变，电压UdL保持在437kV左右，线路行波保护不能检测到故障，主保护不动作。由于高速接地开关分流的原因，故障过程中始终有IdL1+Idee4=IdL2=3200A不变，符合故障实际情况。

金属回线接地保护51MRGF的动作方程为：

Idsg_Idee_SUM=|Idee1+Idee2+Idsg|>Iset

式中：Idee1、Idee2分别为接地引线电流，Idsg为高速接地开关电流。

直流系统正常运行时，Idee1、Idee2、Idsg均为0，51MRGF保护不会动作，而线路接地故障发生后Idsg_Idee_SUM最大时有2400A，达到定值，51MRGF保护会动作。在昭从直流工程中，51MRGF保护增加了线路重启动功能，重启动时间定值是200ms。而76SG保护动作闭锁的时间定值是900ms，所以故障发生后，51MRGF保护会重启动。而76SG保护虽然也能到达电流动作定值，但由于时间定值达不到，则不会动作。整流侧移相后，经过250ms去游离，故障消除，系统重新建立电压成功，直流恢复运行。这样就避免了出现以往直流工程中由76SG保护动作闭锁直流系统的事故。

2 金属回线方式下的中性母线接地故障分析

同样以溪洛渡直流输电工程为例，在RTDS仿真系统上模拟中性母线F9、F15接地故障。运行工况为：回I极1金属回线1600MW方式下稳态运行。

2.1 逆变侧中性母线F9点接地故障

由于逆变侧高速接地开关接地提供了电位钳制点，逆变侧中性母线电压为0。当发生F9点接地故障时，故障点和接地开关距离很近，两点之间的电位差为0。所以，虽然故障点和接地开关构成了短路回路，但是故障电流依然很小，对直流系统的运行影响不大，相应的保护动作定值达不到，保护不会动作。同样，F15点故障也不会给直流系统运行带来影响。

2.2 整流侧中性母线F9点接地故障

与逆变侧的故障特征不一样，同样是F9点接地故障，由于整流侧与逆变侧接地开关之间有金属回线的线路，线路上会产生一定的电压差，所以整流侧中性母线电压并不为0。正常运行时，UdN大约在-32kV左右。此时，如果发生F9点故障，故障点则会与逆变侧高速接地开关通过大地构成短路回路。而大地电阻相比金属回线电阻小很多，在两点之间的电位差的作用下故障点就会流过很大短路电流。此时，整流站87DCM保护动作，闭锁直流系统。同样，F15点故障亦会有保护动作。

2.3 两站中性母线接地故障对比分析

通过以上分析可以看出，同样的故障在整流和逆变两站的保护反应情况是不一样的。对于整流侧，由于故障特征明显，相关保护会做出反应，而逆变侧，由于故障特征不明显，保护不会动作，直流系统仍然可以正常运行，但是这样就产生了一个隐患。当逆变侧需要由金属回线转入大地回线运行时，由于中性母线F9点故障的存在，导致逆变侧故障点和站外接地极构成短路回路，产生很大故障电流，逆变站阀短路保护和87DCM动作，闭锁直流系统。金属转大地运行失败。所以当直流系统需要从金属回线转入大地回线运行时，必须在运行人员确定逆变侧中性母线无接地故障时才可进行相关操作，避免直流停运的事故发生，保证直流系统能安全稳定

运行。

3 结语

本文从理论上分析了直流输电系统单极金属回线运行方式下发生线路接地故障时的保护动作情况，并通过搭建的RTDS仿真实验模型，验证了理论分析的正确性。在此基础上，进一步验证了牛从直流工程在以往的直流工程上增加的51MRGF金属回线接地保护的重启动功能的合理性和必要性。此外，根据金属回线方式运行下的逆变侧中性母线接地故障的特点，给出了有关金属转大地运行需要注意的事项。提出了当直流系统需要从金属回线转入大地回线运行时，必须在运行人员确保逆变侧中性母线无接地故障时才可进行相关操作的建议，对直流输电系统的安全可靠运行具有一定指导意义。

参考文献

[1] 刘振亚.特高压电网[M].北京：中国经济出版社，2005.

[2] 杨勇.高压直流输电技术发展与应用前景[J].电力自动化设备，2001，（9）.

[3] 朱韬析，候元文，王超，等.直流输电系统单极金属回线运行方式下线路接地故障及保护研究[J].电力系统保护与控制，2009，（20）.

作者简介：刘俊兵（1986-），男，湖北荆州人，中国南方电网超高压输电公司曲靖局助理工程师，研究方向：继电保护；李书勇（1979-），男，南方电网科学研究院高级工程师，工学硕士，研究方向：电力系统仿真分析。

（责任编辑：蒋建华）