CN101752839A - 一种提高换流器阀短路保护整定性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种提高换流器阀短路保护整定性能的方法。本发明的阀短路动作函数，使其具备定位故障桥的功能，提高阀短路保护定值的整体性能。且本发明针对已有阀短路保护制动函数的缺陷，提出了一种能够兼顾选择性与灵敏性要求的分段式制动函数；并结合高压直流输电***的运行特性，针对分段式函数提出了实用的参数确定方法。本发明对于高压直流输电***阀短路保护，可以在故障发生时，兼顾满足灵敏性和选择性的要求。

Description

一种提高换流器阀短路保护整定性能的方法

技术领域

本发明属于高压直流输电***继电保护技术领域，具体涉及一种提高换流器阀短路保护整定性能的方法，属于提高换流器阀短路保护整定性能的方法的创新技术。

背景技术

为了保障直流一次主设备的安全和交直流互联电网的稳定运行，高压直流输电***(简称HVDC(High Voltage Direct Current))工程中配置了完备的直流保护***。换流阀的过应力是直流输电***最严重的事故之一。当换流阀短路、换流器交流侧相间短路或整流侧阀厅直流端出线短路(下文称这些故障为阀短路保护的指定故障)时，均可能导致换流阀遭受过应力。为此，现有的HVDC工程均配置了阀短路保护。当上述故障发生时，保护动作出口，闭锁换流器、跳开交流断路器和进行极隔离，以保证换流器的安全。

目前，获得较广泛应用的阀短路保护动作方程主要有两类。HVDC工程的两类主要阀短路保护均利用指定故障发生后，换流器交流侧电流的绝对最大值大于直流电流这一现象作为保护判据。将动作方程左侧的差动电流函数称为动作函数，右侧的动作定值函数称为制动函数。这两类动作方程左侧的动作函数和右侧的制动函数均存在一定的差异。一类动作方程的左侧取为对应桥的交流电流和直流端出线电流的较小者之差，右侧取为常量；另一类动作方程的左侧取为Y桥和D桥交流电流的较大者和直流端出线电流的较大者之差，右侧取为直线式函数。在阀短路保护的指定故障和区内其他故障下，对两类动作方程的动作情况进行分析，其特性可以总结如下：

1)两类阀短路保护采用了不同的动作方程。但是，这两类阀短路保护在阀短路保护指定故障下，灵敏性完全相同；

2)在区内非阀短路保护的指定故障下，第一类保护可能动作，而第二类保护可靠不动作；

3)第一类保护针对Y桥和D桥分别采用了不同的动作方程，具备了在阀短路保护指定故障下正确定位故障桥的功能。

从以上分析可知，目前广泛应用的阀短路保护动作方程存在以下缺陷：①第二类阀短路保护对整个换流器仅采用了一个动作方程，因而不具备定位故障桥的功能；②两类阀短路保护的制动函数分别为常数和直线式制动函数，当区外故障短路电流增大时，由于进入保护的不平衡电流增加，第一类保护有可能误动；第二类保护为了保证区外故障时的选择性，要求制动系数取值较大，有可能在区内活跃故障下拒动。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可以在阀短路保护区内故障发生时，兼顾满足灵敏性和选择性的要求的提高换流器阀短路保护整定性能的方法。本发明具备定位故障桥的功能，能提高保护定值的整体性能。

本发明的技术方案是：本发明提高换流器阀短路保护整定性能的方法，提出阀短路保护动作方程及阀短路保护分段式制动函数，

其中阀短路保护动作方程是在其左侧动作函数中分别针对Y桥和D桥采用i_VY和i_VD，使该保护具备定位故障桥的功能，所提出的动作函数如式(1)、(2)所示

i_dY＝i_VY-max(i_dH，i_dN)                    (1)

i_dD＝i_VD-max(i_dH，i_dN)                    (2)

式中：i_VY和i_VD分别为Y桥三相交流电流i_acYj和D桥三相交流电流i_acDj的绝对最大值(j＝a，b，c)；i_dH和i_dN分别为换流器的高压侧和中性线侧直流电流；保护测量量i_acYj、i_acDj、i_dH和i_dN测点位置详见附图4。

阀短路保护分段式制动函数的表达式和动作特性分别如式(3)

g＝max{I₀，m(i_res-I_res0)+I₀}              (3)

式中I₀为启动电流；I_resB为拐点电流；i_res为制动电流。

如附图1所示：i_Vi＝i_VY、i_VD或max{i_VY，i_VD}；i_dj＝min{i_dH，i_dN}或max{i_dH，i_dN}；i_d＝i_Vi-i_dj为差动电流。当i_dj≤I_res0时，取g＝I₀；当i_dj＞I_res0时，取g＝m(i_res-I_res0)+I₀。这样，既可降低I₀以提高保护的灵敏度，也可提高制动系数k_res以保证保护的选择性。由于B点对应的故障发生时，必有i_resB＜1.0，因此可取拐点电流I_resB＝1.0。斜率m与最大制动系数k_resmax、最大制动电流I_resmax之间满足如下关系：

k_resmaxI_resmax＝m(I_resmax-I_res0)+I₀

                                                               (4)

因此，求取m仅需确定启动电流I₀和最大制动系数k_resmax。

上述分段式制动函数中相关参数的确定方法如下：

采用前述分段式制动函数时，阀短路保护需要确定启动电流I₀和最大制动系数k_resmax，这些参数的确定主要考虑电流互感器的误差所引起的不平衡电流，考虑到HVDC***中测量回路采用冗余化配置，参数的确定过程中不需考虑正常运行时电流互感器二次断线时保护不动作，类比交流输电***，得如下参数确定方法：

(1)I₀按可靠躲过最大过负荷工况下的不平衡电流确定，即：

I₀＝K_relK_erK_stK_ovl                          (5)

式中：K_rel为可靠系数，取1.3~1.5；K_er为电流互感器的最大误差系数，取0.1；K_st为电流互感器的同型系数，由于i_Vi和i_dj分别由交流电流互感器与直流电流互感器测得，取K_st＝1；K_ovl为最大过负荷倍数；

(2)k_resmax按躲过区外故障时的最大不平衡电流确定，即：

i_opmax＝K_relK_er′K_sti_kmax                   (6)

式中：i_opmax为保护的最大动作电流；i_kmax流过电流互感器的区外故障的最大短路电流；K_er′为电流互感器在i_kmax下的最大误差系数；

考虑到i_resmax＝i_kmax，根据制动系数的定义得到：

$k_{\mathrm{res}\max }=\frac{K_{\mathrm{rel}}{K}_{\mathrm{er}}^{\′}{K}_{\mathrm{st}}{i}_{k\max }}{i_{\mathrm{res}\max }}=K_{\mathrm{rel}}{K}_{\mathrm{er}}^{\′}{K}_{\mathrm{st}}---\left(7\right)$

K_rel为可靠系数，取1.3~1.5，K_er为电流互感器的最大误差系数，取0.1；K_er′为电流互感器在i_kmax下的最大误差系数，取0.1；k_st为电流互感器的同型系数，由于i_Vi和i_dj分别由交流电流互感器与直流电流互感器测得，取K_st＝1；K_ovl为最大过负荷倍数，通常取1.5；

上述K_rel＝1.5，K_er＝0.1，K_er′＝0.1，K_st＝1，K_ovl＝1.5，可取I₀＝0.3，K_resmax＝0.2。

上述灵敏度校验的方法如下：

阀短路保护亦须在最苛刻方式，即：交流***最小方式、直流***输送功率最小)下校验保护的灵敏度，即应满足如下关系：

$K_{\mathrm{sen}}=\frac{i_{\min }}{I_0}\≥2---\left(8\right)$

式中：K_sen为灵敏度；i_min为区内活跃故障发生时流入保护的最小电流。

本发明可以在阀短路保护区内故障发生时，兼顾满足灵敏性和选择性的要求的提高换流器阀短路保护整定性能的方法。本发明具备定位故障桥的功能，能提高保护定值的整体性能。是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的提高换流器阀短路保护整定性能的方法。

附图说明

图1为本发明阀短路保护分段式制动函数曲线图；

图2为本发明逆变侧发生故障4时分别采用两种动作方程时逆变侧相关电流的变化曲线；

图3为本发明整流侧发生故障8时分别采用两种动作方程时整流侧相关电流的变化曲线；

图4为本发明12脉动换流器接线及换流器典型短路故障分布图。图4主要显现了保护动作方程中动作函数以及制动函数中算式中所用测点i_acYj、i_acDj(j＝a，b，c)、i_dH、i_dN等的位置，以及故障4等示意。

具体实施方式

实施例：

本发明提高换流器阀短路保护整定性能的方法，提出阀短路保护动作方程及阀短路保护分段式制动函数，

其中阀短路保护动作方程是在其左侧动作函数中分别针对Y桥和D桥采用i_VY和i_VD，使该保护具备定位故障桥的功能，所提出的动作函数如式(1)、(2)所示

i_dY＝i_VY-max(i_dH，i_dN)                   (1)

i_dD＝i_VD-max(i_dH，i_dN)                   (2)

阀短路保护分段式制动函数的表达式和动作特性分别如式(3)

g＝max{I₀，m(i_res-I_res0)+I₀}             (3)

图1中：i_Vi＝i_VY、i_VD或max{i_VY，i_VD}；i_dj＝min{i_dH，i_dN}或max{i_dH，i_dN}；i_d＝i_Vi-i_dj为差动电流。当i_dj≤I_res0时，取g＝I₀；当i_dj＞I_res0时，取g＝m(i_res-I_res0)+I₀。这样，既可降低I₀以提高保护的灵敏度，也可提高制动系数k_res以保证保护的选择性。由于B点对应的故障发生时，必有i_resB＜1.0，因此可取拐点电流I_resB＝1.0。斜率m与最大制动系数k_resmax、最大制动电流I_resmax之间满足如下关系：

k_resmaxI_resmax＝m(I_resmax-I_res0)+I₀

                                                             (4)

因此，求取m仅需确定启动电流I₀和最大制动系数k_resmax。

上述分段式制动函数中相关参数的确定方法如下：

采用前述分段式制动函数时，阀短路保护需要确定启动电流I₀和最大制动系数k_resmax，这些参数的确定主要考虑电流互感器的误差所引起的不平衡电流，考虑到HVDC***中测量回路采用冗余化配置，参数的确定过程中不需考虑正常运行时电流互感器二次断线时保护不动作，类比交流输电***，得如下参数确定方法：

(1)I₀按可靠躲过最大过负荷工况下的不平衡电流确定，即：

I₀＝K_relK_erK_stK_ovl                     (5)

式中：K_rel为可靠系数，取1.3~1.5；K_er为电流互感器的最大误差系数，取0.1；K_st为电流互感器的同型系数，由于i_Vi和i_dj分别由交流电流互感器与直流电流互感器测得，取K_st＝1；K_ovl为最大过负荷倍数；

(2)k_resmax按躲过区外故障时的最大不平衡电流确定，即：

i_opmax＝K_relK_er′K_sti_kmax                (6)

式中：i_opmax为保护的最大动作电流；i_kmax流过电流互感器的区外故障的最大短路电流；K_er′为电流互感器在i_kmax下的最大误差系数；

考虑到i_resmax＝i_kmax，根据制动系数的定义得到：

$k_{\mathrm{res}\max }=\frac{K_{\mathrm{rel}}{K}_{\mathrm{er}}^{\′}{K}_{\mathrm{st}}{i}_{k\max }}{i_{\mathrm{res}\max }}=K_{\mathrm{rel}}{K}_{\mathrm{er}}^{\′}{K}_{\mathrm{st}}---\left(7\right)$

K_rel为可靠系数，取1.3~1.5，K_er为电流互感器的最大误差系数，取0.1；K_er′为电流互感器在i_kmax下的最大误差系数，取0.1；K_st为电流互感器的同型系数，由于i_Vi和i_dj分别由交流电流互感器与直流电流互感器测得，取K_st＝1；K_ovl为最大过负荷倍数，通常取1.5；给出了一个特定参数取值下，根据(5)和(7)式的计算所得I₀和K_resmax，例如：若K_rel＝1.5，K_er＝0.1，K_er′＝0.1，K_st＝1，K_ovl＝1.5，可取I₀＝0.3，k_resmax＝0.2。

上述灵敏度校验的方法如下：

阀短路保护亦须在最苛刻方式，即：交流***最小方式、直流***输送功率最小)下校验保护的灵敏度，即应满足如下关系：

$K_{\mathrm{sen}}=\frac{i_{\min }}{I_0}\≥2---\left(8\right)$

式中：K_sen为灵敏度；i_min为区内活跃故障发生时流入保护的最小电流。

下面以CIGRE直流输电标准测试***为例，对上述动作方程的进行验证。在测点i_dH靠近线路侧直流端出线短路时，得到区外故障的最大短路电流i_kmax。区外故障的不平衡电流通过对测量电流加入电流幅值10％大小的噪声干扰来模拟。采用时间常数为2ms的一阶低通滤波器后，i_kmax＝2.124，i_min＝1.8，沿用前述参数选取方法，得m＝0.11，K_sen＝1.8/0.3＞2。带入式(3)后，结合前述动作函数得到如下两类采用分段式制动函数的阀短路保护动作方程：

i_VY(i_VD)-min(i_dH，i_dN)＞max{0.3，0.11{min(i_dH，i_dN)-1.0]+0.3}

                                                (9)

i_VY(i_VD)-max(i_dH，i_dN)＞max{0.3，0.11{max(i_dH，i_dN)-1.0]+0.3}

                                                (10)

分别采用基于动作方程(9)和(10)的阀短路保护，对CIGRE测试***整流侧和逆变侧的区内12种故障和一些区外故障下，保护的动作情况进行了测试。为了简化分析，略去保护的动作策略仿真(如移相，投旁通对等)，即保护动作后立即清除故障。限于篇幅，仅给出逆变侧发生故障4和整流侧发生故障8时，采用两种阀短路保护时各个测量点的电流变化曲线，如图2和图3所示。由图2可见，当逆变侧发生故障4时，基于动作方程(9)和(10)的阀短路保护均正确动作，测量点电流的变化情况相同，故仅给出了一组电流变化曲线。由图3可见，当整流侧发生故障8时，基于动作方程(9)的阀短路保护正确动作，基于动作方程(10)的阀短路保护正确不动作。

仿真结果表明：(1)在所有故障下，采用分段式制动函数的阀短路保护的动作情况与目前广泛应用的阀短路保护一致，表明所提出的方法在理论方面的正确性；(2)所提出的分段式制动函数使得阀短路保护兼有良好的选择性和灵敏性。

Claims (4)

1.一种提高换流器阀短路保护整定性能的方法，其特征在于提出阀短路保护动作方程及阀短路保护分段式制动函数，

其中阀短路保护动作方程是在其左侧动作函数中分别针对Y桥和D桥采用i_VY和i_VD，使该保护具备定位故障桥的功能，所提出的动作函数如式(1)、(2)所示

i_dY＝i_VY-max(i_dH，i_dN)(1)

i_dD＝i_VD-max(i_dH，i_dN)(2)

式中：i_VY和i_VD分别为Y桥三相交流电流i_acYj和D桥三相交流电流i_acDj的绝对最大值(j＝a，b，c)；i_dH和i_dN分别为换流器的高压侧和中性线侧直流电流；

阀短路保护分段式制动函数的表达式和动作特性分别如式(3)

g＝max{I₀，m(i_res-I_res0)+I₀}  (3)

式中I₀为启动电流；I_resB为拐点电流；i_res为制动电流；

i_Vi＝i_VY、i_VD或max{i_VY，i_VD }；i_dj＝min{i_dH，i_dN}或max{i_dH，i_dN}；i_d＝i_Vi-i_dj为差动电流，当i_dj≤I_res0时，取g＝I₀；当i_dj＞I_res0时，取g＝m(i_res-I_res0)+I₀。这样，既降低I₀以提高保护的灵敏度，也提高制动系数k_res以保证保护的选择性，由于B点对应的故障发生时，必有i_resB＜1.0，因此取拐点电流I_resB＝1.0。斜率m与最大制动系数k_resmax、最大制动电流I_resmax之间满足如下关系：

k_resmaxI_resmax＝m(I_resmax-I_res0)+I₀  (4)

因此，求取m仅需确定启动电流I₀和最大制动系数k_resmax。

2.根据权利要求1所述的提高换流器阀短路保护整定性能的方法，其特征在于上述分段式制动函数中相关参数的确定方法如下：

采用前述分段式制动函数时，阀短路保护需要确定启动电流I₀和最大制动系数k_resmax，这些参数的确定主要考虑电流互感器的误差所引起的不平衡电流，考虑到HVDC***中测量回路采用冗余化配置，参数的确定过程中不需考虑正常运行时电流互感器二次断线时保护不动作，类比交流输电***，得如下参数确定方法：

(1)I₀按可靠躲过最大过负荷工况下的不平衡电流确定，即：

I₀＝K_relK_erK_stK_ovl    (5)

式中：K_rel为可靠系数，取1.3~1.5；K_er为电流互感器的最大误差系数，取0.1；K_st为电流互感器的同型系数，由于i_Vi和i_dj分别由交流电流互感器与直流电流互感器测得，取K_st＝1；K_ovl为最大过负荷倍数；

(2)k_resmax按躲过区外故障时的最大不平衡电流确定，即：

i_opmax＝K_relK_er′K_sti_kmax  (6)

式中：i_opmax为保护的最大动作电流；i_kmax流过电流互感器的区外故障的最大短路电流；K_er′为电流互感器在i_kmax下的最大误差系数；

考虑到i_resmax＝i_kmax，根据制动系数的定义得到：

$k_{\mathrm{res}\max }=\frac{K_{\mathrm{rel}}{K}_{\mathrm{er}}^{\′}{K}_{\mathrm{st}}{i}_{k\max }}{i_{\mathrm{res}\max }}=K_{\mathrm{rel}}{K}_{\mathrm{er}}^{\′}{K}_{\mathrm{st}}---\left(7\right)$

K_rel为可靠系数，取1.3~1.5，K_er为电流互感器的最大误差系数，取0.1；K_er′为电流互感器在i_kmax下的最大误差系数，取0.1；K_st为电流互感器的同型系数，由于i_Vi和i_dj分别由交流电流互感器与直流电流互感器测得，取K_st＝1；K_ovl为最大过负荷倍数，通常取1.5；

3.根据权利要求1所述的提高换流器阀短路保护整定性能的方法，其特征在于上述K_rel＝1.5，K_er＝0.1，K_er′＝0.1，K_st＝1，K_ovl＝1.5，I₀＝0.3，k_resmax＝0.2。

4.根据权利要求1至3任一项所述的提高换流器阀短路保护整定性能的方法，其特征在于上述灵敏度校验的方法如下：

阀短路保护亦须在最苛刻方式，即：交流***最小方式、直流***输送功率最小)下校验保护的灵敏度，即应满足如下关系：

$K_{\mathrm{sen}}=\frac{i_{\min }}{I_0}\≥2---\left(8\right)$

式中：K_sen为灵敏度；i_min为区内活跃故障发生时流入保护的最小电流。

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