杨建明 1，甘宗跃 ，董云龙 1，王海军 ，黄剑湘 ，彭茂兰

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102；2.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司，广东 广州 510663）

0 引言

柔性直流输电采用的是可关断器件，没有常规直流的换相失败问题，更不存在一个直流工程换相失败导致多个直流工程同时换相失败或交流系统故障导致多个直流工程同时换相失败问题［1-2］，极大地提高了包含多个直流工程电网的稳定性［3］。因此柔性直流在配电［4］和输电领域取得跨越式发展，比如南澳柔直工程［5］、舟山多端柔性直流输电工程［6］、厦门柔直工程［7］、渝鄂背靠背直流工程［8-9］、张北柔性工程［10］。

但是，传统采用半桥子模块的柔性直流在直流线路故障和阀区接地故障时需要闭锁换流器并且跳开交流断路器才能实现故障隔离。如果将全部采用半桥子模块的换流阀应用于特高压柔性直流，即使配置特高压直流断路器使得特高压柔性直流具备穿越直流线路故障的能力［11-12］，但全部采用半桥子模块的换流阀仍然无法产生零压，不能实现在线投退换流阀。另外，在阀区发生非接地故障时也必须先跳进线断路器才能合旁通开关BPS，否则合旁通开关BPS会造成交流系统短路。因此全部采用半桥子模块的换流阀应用于特高压领域时还存在一定的弊端。当特高压柔性直流换流阀采用全桥子模块的数目达到一定比例时，比如70%［13］，则换流阀不仅具备穿越直流线路故障的能力，而且能控零压实现在线投退换流阀。本文所做研究不做特别说明都是针对含全桥子模块的数目达到上述要求的特高压柔性直流。

在特高压直流输电领域，双换流阀串联的结构给柔性直流保护提出了新的要求，阀区保护策略尤其是接地故障保护策略成为特高压柔性直流工程化必须面对的新课题。然而，相关的特高压柔性直流控制保护策略研究较少，都集中在特高压混合多端直流的线路保护［14］及混合多端的控制策略［15-16］，没有涉及特高压柔性直流阀区保护策略特别是阀区接地故障保护策略。本文立足于阀区接地故障，着眼于故障处理、测量设备配置、保护配置及原理，参考南方电网和国家电网特高压常规直流阀区接地故障的两种不同的处理路线，分别提出了两种可工程化的特高压柔性直流阀区接地故障保护策略。

1 阀区接地故障分区及处理策略

图1给出了特高压柔性直流阀区典型的接地故障。根据特高压柔性直流换流阀的特征，本文将特高压柔性直流阀区分为3个子区域：第一区域包括交流连接线和上、下桥臂之间的部分；第二区域包括换流阀与换流阀隔离刀闸Q1、Q2、Q3、Q4之间的部分；第三区域包括换流阀隔离刀闸Q1、Q4与直流母线之间的部分和换流阀隔离刀闸Q2、Q3之间的部分。

1.1 第一区域接地故障

全桥子模块在可关断器件关断后，因为续流二极管的单向导电性，电流都是从电容的正极性一侧流入、负极性一侧流出，所以关断可关断器件能使电容立即工作于充电状态。直流故障发生时，工作于充电状态的电容能使故障回路的电流很快熄灭。

图1中的F1、F2故障在高压换流阀闭锁、故障电流熄灭后，故障点与其它连接线、设备没有回路，因此不影响低压换流阀的运行及换流阀隔离刀闸Q1、Q2的操作。只要故障电流被熄灭和旁路刀闸处于合位，即使Q1、Q2还未分开，低压换流阀就可以恢复送电。同理，低压换流阀的F12、F13故障也能通过闭锁低压换流阀被隔离。

1.2 第二区域接地故障

根据图1容易得出，分隔离刀闸Q1、Q2可以隔离第二区域的故障包括F3、F4、F5、F6、F7；分隔离刀闸Q3、Q4可以隔离第二区域的故障F10、F11、F14、F15、F16故障。

1.3 第三区域接地故障

第三区域的接地故障包括F8、F9、F17，这些故障既不能通过闭锁换流阀被隔离，也不能通过分隔离刀闸Q1、Q2、Q3、Q4被隔离，所以当这些故障发生时，只能闭锁极。

1.4 接地故障处理策略

特高压常规直流阀区接地故障处理策略有两种：

第一种是任何一个换流阀发生接地故障直接闭锁极，这种策略只在极母线和极中性母线的换流阀侧配置电流测量设备。

第二种当阀厅套管及内部发生接地故障时，故障阀闭锁，非故障阀配合移相，并与极隔离、极连接配合［17］。当故障阀的隔离刀闸拉开以后（图1中的Q1、Q2、Q3、Q4），非故障阀再恢复功率运行。这种策略要求每个换流阀的出线端和进线端都配置电流测量设备。

综合上述分析，推荐以下两种特高压柔性直流阀区接地故障处理策略：

第一种：保护检测到图1中的F1、F2、F12、F13故障后闭锁换流阀；检测到其它任意接地故障闭锁极。

第二种：保护检测到图1中隔离刀闸Q1、Q2、Q3、Q4阀侧F1、F2、F12、F13、F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11、F14、F15、F16任意一个故障后闭锁换流阀，检测到F8、F9、F17闭锁极。

2 第一种处理策略的测量设备及保护

2.1 阀区测量设备配置

实现图1中F1、F2、F12、F13故障时采取闭锁换流阀策略的前提是配置相应的电流测量设备精准定位这些区域的故障，按照目前柔性直流工程标准只要配置桥臂电流测量设备和交流连接线测量设备就能满足此要求。

F8、F9、F17故障只能采取闭锁极的策略，在配置测量设备时，需要有闭锁极的主保护覆盖这些区域。

故障F3、F4、F5、F6、F7（F10、F11、F14、F15、F16）采取闭锁极的策略时，可以借鉴高压常规直流阀区接地故障的测量设备配置方法，在极母线和极中性母线的换流阀侧配置电流测量设备；而在图1故障F9的位置增加一个电流测量设备作为高、低压换流阀中压侧桥臂电抗器差动保护的公用测量设备；另外为了检测旁通开关支路电流和计算换流阀的电流，需要在旁通开关支路增加电流测量设备，南方电网的乌东德特高压混合直流工程的柔直站就是采用了这种电流测量设备配置，具体如图2所示。

2.2 接地故障保护配置

根据柔性直流相关规范［18-19］和图2所示的测量设备配置，特高压柔性直流阀区接地故障保护第一种配置方法如下：

图2 特高压柔性直流阀区测量设备配置1Fig.2 First valve area measurement configuration method of UHV flexible DC transmission

1）交流连接母线差动保护：分相差动，检测换流器与换流变压器之间的故障，保护动作后闭锁换流阀。判据如式（1）所示，其中X代表交流A、B、C三相，Iset1代表定值。

2）桥臂差动保护：分相差动，检测换流阀桥臂的接地故障，保护动作后闭锁换流阀。判据如式（2）所示，其中Iset2代表定值。

3）桥臂电抗器差动保护：检测桥臂电抗器及相连母线的接地故障，保护动作后闭锁极。判据如式（3）所示。

4）直流差动保护：检测高、低换流阀区域所有的接地故障，保护动作后闭锁极，判据如下。

3 第二种处理策略的测量设备及保护

3.1 阀区测量设备配置

国网特高压常规直流工程只能对图1中F1、F2、F3、F12、F13、F14接地故障执行闭锁换流阀的策略，而对于F4、F5、F6、F7（F10、F11、F15、F16）仍然采取闭锁极的策略，这是因为识别换流阀接地故障的电流测量设备配置在阀厅的出线端和进线端。这样的配置不能最大范围地避免极闭锁。因此，推荐将特高压柔性直流识别换流阀接地故障的电流测量设备配置在隔离刀闸Q1、Q2、Q3、Q4换流阀侧，另外增加旁通开关支路的电流测量设备，取消特高压常规直流的IdN测量设备。综上所述，本文提出的特高压柔性直流阀区第二种电流测量设备配置如图3所示。

图3 特高压柔性直流阀区测量设备配置2Fig.3 Second valve area measurement configuration method of UHV flexible DC transmission

3.2 接地故障保护配置

根据柔性直流相关规范［18-19］和图3所示的测量设备配置，特高压柔性直流阀区接地故障保护第二种配置方法如下：

1）交流连接母线差动保护：与第一种配置方法相同。

2）桥臂差动保护：与第一种配置方法相同。

3）桥臂电抗器差动保护：检测桥臂电抗器及相连母线的接地故障，保护动作后闭锁换流阀，判据如式（5）所示。

4）高、低阀连接线差动保护：检测图1所示的F9接地故障，仅双阀运行时投入，保护动作后闭锁极，判据如下。

5）极母线差动保护：检测图1所示F8接地故障，保护动作后闭锁极，判据如下。

6）极中性母线差动保护：检测图1所示F17接地故障，保护动作后闭锁极，判据如下。

4 保护的灵敏度分析

故障点的位置决定了保护的灵敏度，下文分别对第1节所述的3个子区域的故障点进行分析。

4.1 第一区域接地故障保护的灵敏度分析

特高压柔性直流高压换流阀换流变阀侧在正常运行时对地电压是600 kV的直流电压和阀侧交流电压的组合，而低压换流阀对地电压是200 kV的直流电压和阀侧交流电压的组合，所以图1中F1、F2、F12、F13故障能产生很大故障电流，保护的灵敏性很高。

4.2 第二区域接地故障保护的灵敏度分析

在单极运行时，极中性母线处的电压会因为入地电流和接地极线路电阻而抬高至几十千伏，图1所示的F14、F15、F16故障会产生较大的直流电流，能满足保护灵敏性的要求。F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11故障点的正常运行电压远远高于极中性母线处的电压，因此保护也没有灵敏性问题。

在双极都双换流阀运行时，极母线电压是800 kV、而高、低换流阀连接线区电压是400 kV，因此故障点F3、F4、F5、F6、F7、F10、F11产生的故障电流足以保证保护的灵敏性。极中性母线处电压等于地电位，桥臂电抗器外侧的F15、F16接地故障点电压与地电位的电压差等于极中性母线电抗器的电压，流过桥臂电抗器和极中性母线电抗器的直流电流在电抗器两端不能产生电压差，所以故障点几乎没有直流分量的电流，而且三相桥臂电抗器对称，故障点也没有交流分量。故障点没有故障电流导致保护失去灵敏性，但是对设备没有危害，直流系统仍然继续运行，可以不用考虑保护灵敏性问题。同理，在双极都高换流阀运行时，F5、F7也不用考虑保护灵敏性问题。极中性母线侧桥臂电抗器与换流阀之间的接地故障点F14与地电位的电压差等于桥臂电抗器和极中性母线电抗器的电压之和，虽然流过桥臂电抗器和极中性母线电抗器的直流分量在故障点产生不了直流电流，但是三相桥臂电抗器不对称会产生交流分量［20］，如图4所示。

图4 双极平衡运行时F14故障波形Fig.4 Waves of fault F14 under bipolar balance mode

图4显示在直流电流2 000 A运行时，F14故障导致IdH、IdN之间出现峰值150 A左右的电流差值。表1给出了按照现有保护整定标准整定的某工程直流差动保护定值，在直流电流2 000 A的工况下，直流差动保护I段的定值将大于1 000 A、II段定值大于400 A，因此直流差动保护检测不了F14故障。而F14包含了桥臂电抗器安装在户外的特高压柔性直流输电系统阀厅穿墙套管接地故障，所以必须解决直流差动保护灵敏性不够的问题。另外，双极都只有高阀运行时，F3与上述的F14类似。

表1 直流差动保护定值Table 1 DC differential protection settings

表1中p.u.表示标幺值。

4.3 第三区域接地故障保护的灵敏度分析

第三区域F8的电压始终接近于直流极母线的电压，在故障发生后能产生很大的故障电流，相关的保护灵敏度很高。而F9的故障特征与第二区域的F5、F7相同，F17的故障特征与第二区域的F15、F16相同。

5 谐波差动保护

根据以上的分析，双极平衡运行工况下，只有高换流阀运行时的接地故障F3和有低阀运行时的接地故障F14产生的接地故障电流非常小，直流差动保护（第一种配置）和桥臂电抗器差动保护（第二种配置）存在灵敏度不足的问题。下文提出谐波差动保护解决此问题。

5.1 故障电流特性

当F3或F14故障发生时，三相对称的MMC拓扑可等效为无故障的桥臂电抗器参数不对称的MMC拓扑，其故障点的电流等于桥臂电抗器参数不对称的MMC拓扑三相之间的交流环流，如图5所示。

图5 F3或F14故障时的等效电路Fig.5 Equivalent circuit while fault F3 or F14 happens

其中，A相上桥臂电抗、B相上桥臂电抗、C相上桥臂电抗与故障前一致，分别为Lpa、Lpb、Lpc，A相下桥臂电抗等于0，而B相下桥臂电抗、C相下桥臂电抗可按式（11）计算。

文献［20］指出桥臂参数不对称的MMC拓扑在采用对称MMC拓扑的控制策略时交流环流中会出现与交流连接线的电流成比例的基频分量并给出了相关的计算公式。忽略换流阀的损耗并根据交流侧和直流侧功率相等的条件不难得出在交流电压和直流电压都不变的前提下，环流中的基频分量与直流侧电压也成比例关系。

本文按照表2所示的参数构建额定电压800 kV、额定电流3 150 A特高压柔性直流RTDS仿真系统，分别在直流电流500 A、1 000 A、2 000 A、3 000 A的工况下模拟了极中性母线处桥臂电抗与换流阀之间的接地故障F14（只有高换流阀运行时的故障F3与此类似），其故障电流如表3所示。

表2 仿真系统关键设备参数Table 2 The key device parameters of simulation system

表3 接地故障F14电流特性Table 3 The current characteristic of ground fault F14

表3中换流器高端电流和换流器低端电流以DC结尾的数值表示直流分量、以AC结尾的数值表示交流分量有效值，接地故障点的电流以有效值给出。其中数据验证了极中性母线处桥臂电抗与换流阀之间的接地故障电流特性如下：

1）换流器高端电流和换流器低端电流都包含直流分量和交流分量，两者差流直流分量占比很小、交流分量占绝对主导地位。

2）接地故障点电流有效值与运行的直流电流大约成正比关系，每500 A的直流运行电流能产生有效值约25 A的接地故障电流。

5.2 谐波差动保护原理

1）直流谐波差动保护

根据图4所示的故障波形和5.1节的表3仿真数据，在第一种保护配置中增加直流谐波差动保护。为了提高保护的灵敏性，计算差流时考虑了直流分量及其他次谐波分量，即计算差流的综合有效值。

式（12）中，Idifn表示Idif的第n次谐波分量；Rms表示综合有效值计算；Icdqd表示差动启动电流；Kres表示比率系数；Max表示取最大值。

2）桥臂电抗器谐波差动保护

在第二种保护配置中，增加桥臂电抗器谐波差动保护，判据如式（13）所示：

式（13）中，Idifn表示Idif的第n次谐波分量；Rms表示综合有效值计算；Icdqd表示差动启动电流；Kres表示比率系数；Max表示取最大值。

5.3 谐波差动保护整定

1）Kres

考虑躲过稳态工况时，两测量回路产生的最大不平衡电流，假设测量精度IdH、IdN按1%计算，则测量回路产生的最大不平衡比率电流为0.02，Kres应大于0.02；同时应小于故障电流有效值与运行直流电流的比值，即25 A/500 A=0.05。

2）Icdqd

起动电流应小于最小电流运行工况下的故障电流减去比率部分的定值，以表2中的500 A电流运行工况为例：

假设Kres取0.03，则Icdqd应小于10.5 A；另外，Icdqd应大于最小电流运行工况下IdH、IdN差值的稳态不平衡电流。

3）动作时间

因为极中性母线处桥臂电抗与换流阀之间的接地故障电流较小，在故障不继续发展的前提下，直流系统仍然能维持正常运行，所以按大于整个特高压多端直流输电系统所有保护的动作时间整定，作为后备保护。

5.4 仿真波形

本文按Kres=0.03、Icdqd=5 A、最小运行电流500 A给出了按第5.3节所述的整定原则整定的谐波差动保护定值与运行直流电流的关系如图6所示。

图6 直流谐波保护定值Fig.6 Settings of DC harmonic differential protection

图7、图8分别给出了在双极额定电流3 125 A、最小运行电流500 A的工况下模拟极中性母线处桥臂电抗与换流阀之间的接地故障时谐波差动保护的动作波形。在额定运行电流和最小运行电流工况下，所提出的谐波差动保护都能准确地检测故障，证明了所提出谐波差动保护原理和定值整定原则的正确性。谐波差动保护的提出弥补了双极平衡运行方式下极中性母线处桥臂电抗与换流阀之间的接地故障原有保护灵敏性不足的缺陷。

图7 额定电流时直流谐波差动保护动作波形Fig.7 Trip waves of DC harmonic differential protection under rated condition

图8 最小运行电流时直流谐波差动保护动作波形Fig.8 Trip waves of DC harmonic differential protection under minimum current condition

6 两种处理策略的分析及对比

第一种处理策略和保护配置方案有以下几个特征：首先，交流连接线差动保护和桥臂差动保护检测第一区域的接地故障，动作后只闭锁换流阀；直流差动保护检测第二区域和第三区域的接地故障，动作后闭锁极。直流差动保护不仅检测第二、三区域的接地故障，而且还能检测第一区域的接地故障，因此实现第一区域接地故障只闭锁换流阀的前提是交流连接线差动保护和桥臂差动保护的灵敏性比直流差动保护的灵敏性高，动作时间比直流差动保护的动作时间短。其次，第二区域的接地故障闭锁极，永久损失整个极的功率。第三，电流测量设备数量比第二种处理策略少一个。第四，极区的极母线差动保护和极中性母线差动保护实现简单。

第二种处理策略和保护配置方案的特征有：首先，交流连接线差动保护和桥臂差动保护检测第一区域的接地故障，桥臂电抗器差动保护检测第二区域的故障，极母线差动保护、换流阀连接线差动保护、极中性母线差动保护检测第三区域的故障，保护区域相互之间没有重叠，不需要考虑相互之间的配合。其次，第二区域的接地故障只闭锁换流阀，永久损失的功率只有第一种配置策略的一半，但是分换流阀隔离刀闸Q1、Q2、Q3、Q4需要几十秒的时间，这段时间内非故障换流阀处于解锁但是移相的状态，不传输功率，因此需要考虑电网系统的承受能力和安稳的配合。第三，电流测量设备比第一种方案多一个。第四，极母线差动保护和极中性母线差动保护需要根据运行换流阀的数量等情况进行电流测量设备的切换。

综合上述分析，给出两种处理策略的性能对比如表4所示。

表4 两种故障处理对比Table 4 Comparison of the two fault clear strategies

接地故障保护之间的配合可以在第一区域配置百微秒级别的超高速接地保护，而在第二、三区域配置毫秒级别的接地保护来实现；测量设备的数量只相差一个，成本仅相差几十万元；而第三区域保护测量设备的切换可以根据换流阀隔离刀闸的位置来选择，这在目前的直流工程中应用非常广泛。上述3种情况对两种处理策略的选择影响较小，因此两种处理策略都能应用于工程实际。其中，第一种处理策略与南方电网特高压常规直流阀区接地故障处理策略类似，乌东德特高压多端混合直流工程柔直换流站就是采用了第一种处理策略；而第二种处理策略与国家电网特高压常规直流阀区接地故障处理策略类似，即某一阀组接地故障发生后先闭锁极，然后在极隔离之后会重新极连接并重启非故障阀组，所以第二种处理策略可供国家电网后续的特高压柔性直流工程建设参考。

7 结语

本文根据换流阀接地故障处理策略的不同，将特高压柔性直流输电阀区分为3个区域。闭锁换流阀可以隔离第一区域的接地故障，并且不影响另外一个换流阀的运行，因此本文推荐特高压柔性直流输电在第一区域发生接地故障时只闭锁故障换流阀。

当第二、三区域的接地故障都闭锁极时，利用极母线和极中性母线阀侧的电流测量设备配置直流差动保护就能检测所有阀区的接地故障。针对直流差动保护在极中性母线处桥臂电抗与换流阀之间的接地故障时存在灵敏性不够的问题，增加直流谐波差动保护。

当第二区域的接地故障只闭锁换流阀、第三区域的故障闭锁极时，文中提出了在每一个换流阀隔离开关的换流阀侧配置电流测量单元的方法，并配置桥臂电抗器差动保护、换流阀连接线保护、极中性母线差动保护、极母线差动保护识别不同区域的故障。针对桥臂电抗器差动保护在极中性母线处桥臂电抗与换流阀之间的接地故障时存在灵敏性不够的问题，增加桥臂电抗器谐波差动保护。

最后，仿真验证了所提出的直流谐波差动保护和桥臂电抗器谐波差动保护的灵敏性。这两种谐波差动能可靠检测桥臂电抗器安装在户外的特高压柔性直流输电系统的阀厅穿墙套管接地故障，避免穿墙套管长时间带小接地电流运行和接地故障的进一步发展，对保证设备安全有着重要的意义。另外，比较了两种处理策略的优缺点及选择处理策略时应考虑的因素，为以后特高压柔性直流工程的设计提供参考。