高压直流输电系统逆变站最后断路器跳闸配置原则

1、第30卷 第6期 2006年3月 电 网 技 术 Power System Technology Vol. 30 No. 6 Mar. 2006文章编号：1000-3673（2006）06-0035-06 中图分类号：TM721.1 文献标识码：A 学科代码：4704051高压直流输电系统逆变站 最后断路器跳闸装置配置原则刘 云，王明新，曾南超（中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100085）Configuration Principle of Last Breaker Trip Equipment in Inverter Station of HVDCLIU Yun，WANG Ming-x

2、in，ZENG Nan-chao（China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijing 100085，China）ABSTRACT: The last breaker trip equipment in inverter station of HVDC system is a very important control device in converter station of DC system, whose main function is to prevent overvoltages at the AC s

3、ide in converter station and other parts, which are caused by sudden trip-out of all AC loads in inverter station while the DC system is being operated, and the insulation damage of AC and DC equipments caused by the overvoltages. Taking the Lingbao back-to-back HVDC project for example, which is th

4、e first fully home-produced HVDC project in China, the configuration principle of last breaker trip equipment is analyzed . Combining with practical commissioning of this project, the control functions of last breaker trip equipment are optimized and perfected, and the design principle and commissio

5、ning experiences of this equipment are summarized. These experiences are suitable to other HVDC projects and are also helpful for improving the design, commissioning and operation level of HVDC projects in China. KEY WORDS: HVDC；Lingbao back-to-back HVDC project；breaker；protective relaying；power sys

6、tem摘要：高压直流输电系统逆变站最后断路器跳闸装置是非常重要的换流站直流系统控制设备，主要防止直流系统运行时逆变站交流负荷突然全部断开造成换流站交流侧及其它部分过电压，导致交、直流设备绝缘损坏。文章结合我国第一个全面国产化高压直流工程灵宝背靠背直流联网工程，分析了最后断路器跳闸装置配置原则，结合工程系统调试实际对该控制功能进行了优化和完善，并总结了最后断路器跳闸装置设计原则和调试经验，这些经验同样适用于其它高压直流输电系统，有助于提高我国高压直流输电工程的设计、调试和运行水平。关键词：高压直流输电；灵宝背靠背直流联网工程；断路器；继电保护；电力系统0 引言在高压直流输电系统1-6运行过程中，

7、如果逆变站突然切除全部交流线路，逆变站交流侧及其它部分的电压会异常升高，危及一次设备安全7。针对逆变站突然切除全部交流线路的情况，高压直流输电系统中通常在逆变站设置最后断路器跳闸装置，以尽量降低逆变站的过电压幅值和持续时间，保护一次设备安全8。最后断路器跳闸装置不仅涉及到多种交流线路保护、开关保护、安稳装置和直流控制保护系统等，还需要与通信系统和一次设备合理配合，是高压直流输电二次系统中较为复杂的功能之一。我国第一个全面国产化直流联网工程灵宝背靠背直流联网工程连接华中和西北两大电网，正常运行时功率既可以正送也可以反送，因此，两侧交流系统都可能是逆变侧系统，需要配置两套逆变站最后断路器跳闸装置，

8、较全面地体现了最后断路器跳闸装置的配置和运行特点9。1 最后断路器跳闸装置原理在高压直流输电系统运行过程中，如果逆变站突然切除全部交流线路，逆变器的电流将全部流入换流站内的滤波器等无功补偿装置，使逆变站交流侧及其它部分的电压异常升高，交流滤波器母线电压最高可达正常运行电压的3倍左右10。这时，直流线路上的电压将随着交流电网电压的升高而成比例增大，可能破坏逆变器的换相过程，从而使交流母线的电压进一步升高。而且短时过电压常常伴随着严重的波形畸变，会危及换流站中的设备绝缘，如不进行有效限制，就需要提高直流输电设备的设计标准，直接导致建设PDF 文件使用 "pdfFactory Pro&qu

9、ot; 试用版本创建36 刘云等：高压直流输电系统逆变站最后断路器跳闸装置配置原则 Vol. 30 No. 6成本的大幅增加11-13。高压直流输电系统逆变站最后断路器跳闸装置是专门针对逆变站突然切除全部交流线路的情况设计的，其原理是：将可能导致逆变器突然大幅度减载的断路器跳闸信息与逆变器的闭锁及投旁通对进行联锁，即在可能导致逆变器失去负荷的交流断路器断开之前进行逆变器投入旁通对，封锁触发脉冲，使直流系统停止运行，跳开换流站所有交流滤波器并断开交直流连接，这样可尽量降低逆变侧的过电压幅值和持续时间，保护一次设备安全14-15。最后断路器跳闸装置的主要判断依据是本地交流进线断路器的跳闸命令及其状

10、态；如果通信正常，远方交流断路器的跳闸命令和状态信号也是主要判据。逆变站的控制系统监视系统运行方式，当逆变侧只有一条交流进线时控制系统会发出“逆变站只有一条交流进线”信息，提醒运行人员注意，并开放最后断路器跳闸装置。此时，如果检测到这条交流进线断路器断开或收到断开命令，则最后断路器跳闸装置动作，启动动作时序。由于采用了断路器断开命令，在交流进线最后一台断路器实际断开之前已发出了直流系统紧急停运命令。如果由于各种原因换流站没有收到断路器的状态信号，并且远方断路器已经断开，则该跳闸装置的后备交流电压保护会检测过电压水平，并且触发紧急停运，可靠地断开交流系统16-17。两侧均采用单相三绕组换流变。灵

11、宝背靠背换流站主接线如图1所示9。作为华中西北电网直流背靠背联网工程的一部分，在灵宝换流站和相关的华中电网和西北电网8个厂站中设置了FWK-300分布式安全自动装置，用于大区互联电网多个厂站的系统安全稳定控制。各厂站通过高速数据光纤通信，可按控制策略表向灵宝换流站发送降功率、线路跳闸控制命令，或启动最后断路器跳闸装置18-19。图1 灵宝换流站电气主接线图Fig. 1 Main electrical connection diagram of Lingbaoback-to-back converter station2 灵宝背靠背直流联网工程中最后断路器跳闸装置配置情况2.1 灵宝背靠背直流工

12、程概况西北华中联网灵宝背靠背直流工程双向传送额定直流功率360 MW。交流系统电压等级分别为华中侧220 kV、西北侧330 kV；直流系统额定电压为120 kV。灵宝背靠背换流站以1回220 kV灵紫线与华中电网侧220 kV紫东变电站相联，线路长300 m。紫东变再经2回220 kV交流线路与五塬变电站相联；以1回330 kV罗灵线与西北电网侧330 kV罗敷站相联，线路长约80 km。灵宝换流站两侧交流开关场均采用单母线接线，各包括1回交流高压线路、1回换流变压器的进线、若干无功设备(包括滤波器、并联电容器、并联电抗器)，这些设备均经单断路器直接接入各自母线。灵宝背靠背换流站直流侧主接线

13、按一个单极设计，换流站有2个12脉动换流器(华中、西北侧各1个，其6脉动桥中点不接地)，2.2 灵宝背靠背直流工程中最后断路器跳闸装置配置情况与其它换流站相比，由于灵宝换流站两侧均只有一条交流进线，正常运行时，无论是功率正送(华中向西北)还是反送(西北向华中)，都有逆变侧处在最后一台断路器运行方式。因此，与其它换流站相比，灵宝换流站控制系统无需判断最后一台断路器运行方式。下面结合灵宝背靠背工程分析直流输电系统逆变站最后断路器跳闸装置的配置和设计原则。原则上，任何可能引起换流站最后一条交流进线失电的信息都要及时送到控制系统中，便于最后断路器跳闸装置分析判断，并启动相应的顺控时序。最后断路器跳闸装

14、置不仅要处理换流站本站的相关信息，还要处理对端交流站及安全稳定装置的远传信息，包括交流保护跳闸信息、断路器位置信息、安全稳定装置跳闸信息等。其中交流保护跳闸信息至少包括线路保护、母差保护、断路器失灵保护等20-21。灵宝换流站功率正送和反送时，逆变站最后断路器跳闸装置的判断有相似之处，但两侧交流保护和安稳装置的通信通道等稍有差别，最后断路器跳闸装置的特性也有所不同。下面首先对功率反送(西北向华中)时的最后断路器跳闸装置进行分析。图2为功率反送时的最后断路器跳闸装置配置情况。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建第30卷 第6期 电 网 技 术 37

15、图2 功率反送时灵宝背靠背换流站最后断路器跳闸装置配置示意图Fig. 2 The simplified configuration diagram of the last breaker trip equipmentin Lingbao back-to-back converter station with reverse power direction（1）功率反送时灵宝换流站内启动220 kV侧最后断路器跳闸信号。向灵宝换流站220 kV侧母线供电的交流线路为灵紫线，灵紫线通过2202断路器连接到灵宝换流站220 kV侧母线上。功率反送时330 kV侧为整流侧，220 kV侧为逆变侧。由灵

16、宝站内保护所启动的灵紫线跳闸信息和2202断路器偷跳信息都直接送到极控系统中，进行最后断路器跳闸装置控制条件判断。这些信息包括：220 kV灵紫线线路保护跳闸；安稳装置FWK-300启动的灵紫线线路跳闸；母差保护和其它保护启动断路器失灵保护跳闸；2202断路器分位。灵宝换流站220 kV母线保护和220 kV灵紫线线路保护均采用双重化配置。220 kV母线保护采用BP-2B和WMZ-41A系列保护装置双重化配置；220 kV线路保护采用RCS931和CSL103A线路保护双重化配置。线路保护配置有光纤纵差保护、零序方向过流保护、零序电流差动保护、相间距离保护、接地保护等。（2）功率反送时由紫东

17、变电站保护启动灵宝换流站220 kV侧最后断路器跳闸信号。功率反送时，220 kV灵紫线是唯一向灵宝换流站逆变侧供电的交流线路。在紫东变电站，可能引起这条交流线路失电的信息也要及时传送到灵宝换流站，保证这条线路交流断路器断开之前直流功率下降，直流系统闭锁，避免系统过电压和交流断路器切断直流等不利情况的发生。在紫东变电站引起灵紫线失电的相关保护和断路器位置信息与灵宝换流站相似，但紫东变电站未装设安稳装置(见图2)，这些信息通过线路保护的通信通道传送到灵宝换流站。紫东站交流保护和灵PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建紫线紫东侧的线路保护动作及断路器分

18、位信息通过灵紫线线路保护的通信通道传送到灵宝换流站线路保护装置中。这些信息由灵宝站的线路保护处理后送到极控系统中，作为最后断路器跳闸装置判断依据。（3）功率反送时五塬站安稳装置启动灵宝换流站220 kV侧最后断路器跳闸信号。五塬站通过2回五紫线向紫东站供电，若这2回线同时失电则会导致紫东站失去交流电源，进而导致灵宝换流站逆变侧失电。五塬站装设安稳装置，接收判断2回五紫线的跳闸及失电信息。五塬站的安稳装置通过安稳装置的通信通道将该信息送到灵宝换流站，并经过灵宝换流站安稳装置处理后送往极控系统，作为最后断路器跳闸装置判断依据。3 灵宝换流站最后断路器跳闸装置的改进和完善3.1 缩短远方跳闸信号的通

19、道延时，降低交流过电压功率正送(华中向西北)时，灵宝换流站220 kV侧为整流侧，330 kV侧为逆变侧。330 kV罗灵线通过3302断路器连接到灵宝换流站330 kV侧母线上。此时，罗灵线是唯一向灵宝换流站逆变侧供电的交流线路。330 kV母线保护采用BP-2B和WMZ-41A系列保护装置双重化配置；330 kV线路保护采用RCS931和CSL101A线路保护双重化配置。330 kV侧和220 kV侧远方跳闸信号的传输通道有所不同。330 kV罗敷站的最后断路器跳闸信号需借用安稳装置的通信通道进行传输。罗敷站的远方跳闸信号首先作为开入量输入罗敷侧的安稳装置，经过安稳装置的确认和判别后通过安

20、稳装置的38 刘云等：高压直流输电系统逆变站最后断路器跳闸装置配置原则 Vol. 30 No. 6通信通道与安稳装置的其它信号一起送到灵宝换流站，进行保护和控制判别。由于远跳信号经过的环节较多，过多的判别条件增加了罗敷站远跳信号的延时，使灵宝站最后断路器跳闸装置动作的延时也相应加长，不利于及时闭锁直流系统，降低系统过电压。灵宝工程系统调试期间，在进行模拟启动最后断路器跳闸装置动作试验项目时，在罗敷站模拟线路保护动作，以启动灵宝站最后断路器跳闸装置。从罗灵线罗敷侧线路故障保护动作到灵宝站发出Y闭锁跳换流变断路器信号的时间间隔达55 ms，330 kV交流母线最大过电压(按有效值计)达正常运行电压

21、的1.4倍(如表1 中第1项所示)。经过分析认为应在罗敷站进行回路改造。按照目前的远跳信号通道，可采用以下2种改进措施缩短罗敷站保护远跳信号的延时：（1）如图3所示，罗敷站保护的远方跳闸信号经过压板送入安稳装置后，安稳装置对该开入量的判断时间约为20 ms，经与厂家核实，在不影响信号判断准确性的前提下将判断时间缩短为10 ms。（2）如图3所示，在原来的接线中，罗灵线线路保护跳闸与罗灵线线路断路器位置信号串联后(即信号相与)作为判据送出，导致送出保护远跳信号延时加长。经技术分析后改为采用并联远传信号输出(即信号相或)反映罗敷站母差、失灵、线路(RCS-931、CSL-103B)保护动作及断路器

22、分位，用以启动最后断路器跳闸装置动作。表1 灵宝工程系统调试中最后断路器跳闸装置试验数据 Tab. 1 The test data of the last breaker trip equipment inLingbao HVDC project system commissioning序号 1 2 3模拟故障 地点 罗敷站 罗敷站 紫东站模拟保护 类型时间 间隔交流母线最大过 电压(有效值)备注330kV罗灵线 罗敷站回55ms* 正常电压的1.40倍线路保护动作 路改进前 330kV罗灵线 罗敷站回26ms* 正常电压的1.31倍线路保护动作 路改进后 220kV灵紫线18ms* 正常电压

23、的1.36倍 线路保护动作注：*表示从罗灵线罗敷侧线路故障保护动作到灵宝换流站发出Y闭锁跳换流变断路器信号的时间间隔；*表示从灵紫线紫东侧线路故障保护动作到灵宝换流站发出Y闭锁跳换流变断路器信号的时间间隔。图3 罗敷变电站远跳信号判别Fig. 3 Judgment of the remote tripping signalat Luofu substation采用上述改进措施后，现场再进行同样试验时，灵宝站交流母线过电压明显降低，降到正常电压的1.31倍，接收罗敷站保护信号时间缩短为26 ms。但比较表1 中第2项和第3项可以看出，同样在进行交流进线远方故障试验时，由于保护远方跳闸信号传输环节

24、的差异，330 kV侧最后断路器跳闸装置动作比220 kV侧动作慢。由此可见，减少保护远方跳闸信号中转环节和判别时间及采用专用通信通道有利于提高最后断路器跳闸装置动作速度，降低逆变侧交流母线过电压幅值及持续时间。 3.2 其它改进和完善措施3.2.1 灵宝换流站线路保护中对紫东站远方跳闸信号处理的改进根据最后断路器跳闸装置的要求，在收到紫东站的远方跳闸信号后，灵宝换流站应直接将该信号送往极控系统，并启动最后断路器跳闸装置跳闸时序。而在灵宝工程中，紫东站交流线路保护远方跳闸信号在送往灵宝换流站之前需经过紫东站本地判别，并受本地启动闭锁，这与极控保护要求不符。经过分析后对保护的二次接线和设置进行了

25、改进，取消灵紫线RCS931和CSL103A线路保护“远跳由本侧启动”配置，改用不受紫东站本地启动闭锁的远传功能，如图4中2个与门所示。3.2.2 灵宝换流站对送往极控系统的交流保护跳闸信号二次回路的改进灵宝换流站的某些交流保护(如线路保护、母差保护和断路器失灵保护)经过各自回路中的跳闸压板后启动相应的断路器动作。这些保护的动作信息是通过硬连线直接送往极控系统的，这就造成一个问题：当这些交流保护的压板退出运行时，这些交流保护不会启动相应的断路器动作，但由于这些保护的动作信息未经过压板而已经送往极控系统，因此极控系统的保护功能仍会动作，从而闭锁直流并动作跳闸。经分析发现应对送往极控系统的交流保护

26、跳闸信号的二次回路进行改造。借鉴交流系统二次回路设计原则，在灵宝换流站的某些交流保护(如线路保护、母差保护和断路器失灵保护等)送往极控系统的二次回路上增设保护投退压板，如图4中的LP2、LP4、LP7所示，并修改相应的直流控制系统软件和硬件。改进后的极控系统取用这些经过保护压板后的跳闸信息。这样，当系统要求退出这些保护跳闸功能时，同时退出送往极控系统的信号的压板就能确保相应保护不会通过极控保护功能动作。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建第30卷 第6期 电 网 技 术39图4 灵宝换流站紫东侧最后断路器跳闸装置逻辑图Fig. 4 Logic d

27、iagram of the last breaker trip equipment at Zidong side of Lingbao back-to-back converter station4 结论借鉴我国第一个全面国产化联网工程灵宝背靠背换流站的工程设计和调试经验，在直流输电工程中最后断路器跳闸装置配置时应考虑以下几方面：（1）在有多条交流进线的换流站，逆变侧换流站的控制系统监视系统的运行方式，当逆变侧只有一条交流进线时，控制系统应发出“逆变站只有一条交流进线”信息，开放最后断路器跳闸装置。（2）高压直流输电系统逆变侧最后断路器跳闸装置的主要判断依据包括：本地交流进线断路器的状态及其跳

28、闸命令；通过通信通道传送的远方变电站交流断路器的状态和跳闸命令信息。要求将可能导致换流站最后一条交流进线失电的信息及时送到直流控制系统中，由直流系统的最后断路器跳闸分析判断，并启动相应的顺控时序。（3）为便于交流保护检修，避免直流系统的最后断路器跳闸装置误启动，导致直流闭锁和换流变交流进线断路器跳闸，借鉴交流系统二次回路设计原则，这些保护送往极控系统的二次回路上应增设保护投退压板。（4）在最后断路器跳闸装置中，需要将最后一条交流进线远方跳闸信号送往换流站极控系统，作为最后断路器跳闸装置的远方跳闸信号。在实际工程设计和实施过程中应尽量减少这些信号在传送过程中 的中转环节和延时，以提高最后断路器跳

29、闸装置动作速度，降低逆变侧交流母线过电压。（5）要结合交流线路对端变电站传送来的最后一条交流进线远方跳闸信号的具体情况设计该信号在换流站二次系统的判据，取消不必要的启动 和判别环节。参考文献1 余建国，杨明，罗海云，等天广直流输电工程换流站中新技术的应用J电网技术，2002，26(4)：52-54Yu Jianguo，Yang Ming，Luo Haiyun，et alApplication of new technologies in converter stations of Tian-Guang HVDC transmission projectJPower System Technol

30、ogy，2002，26(4)：52-54 2 余建国，晁剑，钱海天广直流输电工程极1单极运行强迫停运故障原因分析和改进措施J电网技术，2002，26(5)：80-83 Yu Jianguo，Chao Jian，Qian HaiAnalysis of forced outages of pole 1 in Tian-Guang HVDC transmission project under single pole operation and its countermeasuresJPower System Technology，2002，26(5)：80-833 王冠，蔡晔，张桂斌，等高压直流输

31、电电压源换流器的等效模型及混合仿真技术J电网技术，2003，27(2)：4-8Wang Guan，Cai Ye，Zhang Guibin，et alEquivalent model of HVDC-VSC and its hybrid simulation techniqueJPower System Technology，2003，27(2)：4-84 丁钊，韩伟强天广直流输电系统双极运行情况总结J电网技术，2003，27(9)：49-54Ding Zhao，Han WeiqingSummary of bipolar operation situation of Tian-Guang DC

32、power transmission systemJPower System Technology，2003，27(9)：49-545 黄莹，徐政，曾德文，等西电东送纯直流输电方案研究J电网技术，2004，28(19)：1-4,19Huang Ying，Xu Zheng，Zeng Dewen，et alStudy on pure DC transmission scheme for future power transmission from West China to East ChinaJPower System Technology，2004，28(19)：1-4,19 6 王明新，张强

33、直流输电系统接地极电流对交流电网的影响分析J电网技术，2005，29(3)：9-14Wang Mingxin，Zhang QiangAnalysis on influence of ground electrode current in HVDC on AC power networkJPower System Technology，2005，29(3)：9-147 浙江大学发电教研组直流输电科研组直流输电M北京：水利电力出版社，19858 SiemensLast feeder trip study report of Guizhou-Guangdong±500 kV DC Tran

34、smission ProjectZ20029 马为民西北华中联网背靠背直流工程一次系统设计J高电压技术，2004，30(11)：5-7Ma WeiminHVDC system design of BTB project between Northeast China and Central ChinaJHigh Voltage Engineering，2004，30(11)：PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建405-7刘云等：高压直流输电系统逆变站最后断路器跳闸装置配置原则Z2005Vol. 30 No. 610 朱子述电力系统过电压M上海：上

35、海交通大学出版社，1994 11 聂定珍，郑劲灵宝换流站直流暂态过电压研究J高电压技术，2004，30(11)：50-51Nie Dingzhen，Zheng JinDC transient overvoltage of Lingbao BtB HVDC converter stationJHigh Voltage Engineering，2004，30(11)：11-1212 聂定珍，郑劲灵宝背靠背换流站过电压与绝缘配合研究J高电压技术，2005，31(2)：50-51Nie Dingzhen，Zheng JinStudy on overvoltage and insulation coor

36、dination in Lingbao converter stationJHigh Voltage Engineering，2005，31(2)：33-3513 杨秀，陈陈基于采样数据模型的高压直流输电动态特性分析J中国电机工程学报，2005，25(10)：7-11,136Yang Xiu，Chen ChenHVDC dynamic characteristic analysis based on sampled-data model systemJProceedings of the CSEE，2005，25(10)：7-11,13614 韩伟换流站顺序控制和联锁J湖北电力，2002，26

37、(5)：5-8 15 李兴，陈世元，张鹏，等高压直流工程换流站交流开关场最后开关/ 线路保护运行分析J继电器，2005，33(4)：66-70 Li Xing，Chen Shiyuan，Zhang Peng，et alAnalysis of the last CB/line protection at AC switch yard in converter substation of HVDC projectJRelay，2005，33(4)：66-7016 中国电力科学研究院灵宝站最后断路器保护(含安稳装置)试验实施方案Z200517 中国电力科学研究院西北华中直流背靠背联网工程调试方案18

38、 王明新现代新技术在高压直流输电中的应用J国际电力，2003，7(2)：20-24Wang MingxinNewest modern techniques applied in HVDC systems JInternational Electric Power for China，2003，7(2)：20-24 19 刘丽芳高压直流输电系统的通信J电力系统通信，2002，(12)：1-3，6 20 张保会加强继电保护与紧急控制系统的研究提高互联电网安全防御能力J中国电机工程学报，2004，24(7)：1-6Zhang BaohuiStrengthen the projection relay

39、 and urgency control systems to improve the capability of security in the interconnected power networkJProceedings of the CSEE，2004，24(7)：1-6 21 程改红，徐政电力系统故障恢复过程中的过电压控制J电网技术，2004，28(11)：29-33Cheng Gaihong，Xu ZhengA method to control sustained overvoltage during power system restorationJPower System Technology，2004，28(11)：29-33 收稿日期：2005-11-21。 作者简介：刘 云(1974)，女，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统仿真及高压直流输电，E-mail：liuyun；王明新(1954)，男，高级工程师，主要研究方向为高压直流输电； 曾南超(19