CN204118714U - 柔性直流输电换流站断路器的交直流配合保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及柔性直流输电换流站断路器的交直流配合保护装置，其特征在于：将柔性直流输电换流站断路器保护装置分为交流保护装置和直流保护装置，通过交流保护装置和直流保护装置分工合作，相互配合进行远跳上级断路器实现对柔性直流输电换流站断路器的保护；交流保护区域包含连接变压器、交流进线断路器、交流端隔离开关及交流端电流测量单元；直流保护区域包括二个换流器、启动回路电阻及直流端隔离开关、直流线路的平波电抗器、桥臂电抗器及直流测量单元、直流端隔离开关。本实用新型在换流站发生故障而断路器拒动的情况下实现远跳上级断路器的功能，具有实现断路器失灵保护的功能，提高换流站控制保护设备的可靠性。

Description

柔性直流输电换流站断路器的交直流配合保护装置

技术领域

本实用新型涉及一种柔性直流输电换流站断路器的交直流配合保护装置。属于直流输送电设备技术领域。 

背景技术

目前，柔性直流输电基于电压源变流器和脉冲宽度调制技术将直流电压逆变为幅值和相位都可控的交流电压，可以独立快速控制所传输的有功功率和无功功率，增强了输电的灵活性，成为实现大型风电场与主网之间的稳定联结的最有潜质的电力传输方式。 

如图1所示，现有技术的柔性直流输电换流站一般采用线变组的进、出线方式，通常一端连接风电场的出线，另一端连接交流大电网。由于现有技术的两端换流站都只有一个交流断路器，在站内发生任何故障的情况下，只能通过该站内唯一的断路器切除故障点与交流电网的连接，因此，为确保柔性直流输电换流站昂贵电力电子设备的安全，在断路器失灵的情况下通过远跳风电场或者交流电网断路器；同时不能因为断路器失灵误动导致风电不能外送。该断路器保护及其失灵保护是柔性直流输电换流站保护设备中的重中之重，需要交流保护及直流保护的相互配合才能实现既保证设备安全有能最大限度降低短路失灵远跳的误动。 

现有技术对断路器保护，一般采用线变组接线方式的断路器失灵启动通过断路器辅助保护装置实现。如图2所示，启动的判据是保护动作和流过断路器的三相电流大于整定值(额定电流)，当同时满足两个条件延时后失灵保护出口，通过远跳接口装置远跳上级断路器实现断路器失灵保护功能。 

该技术方案只能解决直流双极接地故障和交流母线三相接地故障的情况下断路器失灵远跳上级断路器，这两种故障的情况下交流进线的电流都因为故障点的存在爬升。 

对于换流站直流侧其他区域的故障如直流极线单相接地，阀区内部短路等故障不能满足交流进线电流增大的条件。基于电压源变流器的换流阀在直流侧发生单相接地故障时直流保护动作断路器跳闸同时闭锁换流阀，换流阀闭锁而使得功率没有进行交换，即使直流侧单相接地或者阀区发生短路故障交流侧的电流都只有几十安培左右的电流，经过CT的变比之后(假如为3200:1)进入断路器失灵保护装置，由于断路器失灵保护装置的电流判据最小为0.08安培，经过变比之后的二次电流低于保护的可整定范围不能满足启动失灵条件。这种情况下断路器失灵拒动，失灵保护判据不满足启动远跳条件，导致上级断路器不能正确跳闸，不仅损坏换流站的昂贵电力电子设备，同时将故障区域扩大。 

实用新型内容

本实用新型的目的，是针对传统断路器失灵保护应用在基于电压源变流器换流站中 的缺陷，提供一种柔性直流输电换流站断路器的交直流配合保护装置。 

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到： 

柔性直流输电换流站断路器的交直流配合保护装置，其结构特点在于：包括交流保护区域和直流保护区域，交流保护区域主要包含连接变压器T、交流进线断路器DL、交流端隔离开关DS及交流端电流测量单元CT；直流保护区域主要包括二个换流器converter、启动回路电阻R及直流端隔离开关DS、直流线路的平波电抗器L、桥臂电抗器L及直流测量单元CT、PT、直流端隔离开关DS；交流端电流测量单元CT的输入端通过交流端隔离开关DS连接交流电网、其输出端连接交流保护装置的输入端及变压器T的输入端；交流保护装置具有失灵保护结构，设有断路器保护操作箱的TJR节点，其输出端连接远跳接口装置的输入端之一；变压器T的检测端通过交流侧电阻R、电流测量单元CT接地，变压器T的输出端分二路，第一路通过交流检测单元PT连接直流保护区域保护装置的输入端，直流保护区域保护装置具有失灵保护结构，设有断路器保护操作箱的TJR节点，其输出端连接远跳接口装置的输入端之二和第二路直流保护区域的启动电路的输入端，所述启动电路的输出端通过直流侧测量单元之一连接二路换流器回路的控制输入端，各换流器回路由平波电抗器L、直流测量单元CT、PT、换流器converter和直流端隔离开关DS连接而成；远跳接口装置的输出端通过光纤连接对侧变电站断路器操作箱的输入端，进行跳闸控制。 

本实用新型的目的之二还可以通过采取如下技术方案达到： 

进一步地，风电场的功率由交流进线送入，通过连接变压器的升压进入直流保护区域，直流保护区域的启动回路限制换流器充电的电流，保护换流器。 

进一步地，交流保护区域与直流保护区域相互独立，构成各个区域的独立保护结构。 

进一步地，在断路器失灵的情况下，交流保护装置检测到断路器操作箱的TJR节点合上，交流保护装置动作，交流保护装置发出远跳上级断路器的命令给远跳接口装置远跳对侧变电站的断路器来将故障点切除。 

进一步地，直流保护区域的单相接地，换流器冷却故障，换流器内部故障，通过直流保护装置通检测断路器操作箱的TJR节点与阀侧电压值来判断短路是否失灵，直流保护装置检测到断路器操作箱的TJR节点合上，即直流保护装置动作，此时阀侧电压大于额定值70％的情况下证明断路器没有正常跳开。 

本实用新型具有如下突出的有益效果： 

1、本实用新型设置交流区域保护和直流保护区域保护，通过交流保护装置与直流保护装置的无缝配合清除了整个换流站保护的死区，在换流站发生故障而断路器拒动的情况下能可靠实现远跳上级断路器的功能，避免故障范围扩大；具有实现断路器失灵保护的功能，提高换流站控制保护设备的可靠性。 

2、本实用新型涉及的交直流配合保护方法及装置，由于是利用柔性直流输电换流站内的原有设备进行设计和配置，不需增加新设备，因此，能在强化保护功能的基础上降低工程投资。 

3，本实用新型涉及的交直流配合保护方法及装置，解决了海上风电电网消纳是海上风电建设中的一大难题。 

4、本实用新型涉及的交直流配合保护方法及装置，在交流区域的故障如线路接地，主变接地及交流母线接地传统断路器失灵保护装置能通过电流判据启动远跳，直流保护区域的直流线路单相接地，阀区内部短路等故障不满足传统断路器失灵保护装置的电流判据的情况通过直流保护区域的保护装置的电压判据启动失灵远跳上级断路器；直流保护区域与交流区域保护装置的配合使得换流站内各种故障在交流进线断路器器失灵的能正确启动失灵远跳装置出口跳闸。 

附图说明

图1是常规的柔性直流换流站接线结构示意图。 

图2是常规断路器失灵保护动作逻辑示意图。 

图3是本实用新型涉及的交直流保护配合的断路器失灵启动逻辑框图。 

图4是本实用新型具体实施例1涉及的交直流保护配合的断路器失灵保护电路图。 

图5是本实用新型具体实施例1涉及的交直流保护配合的断路器失灵启动逻辑框图。 

图6是本实用新型的断路器正常跳闸波形图。 

具体实施方式

具体实施例1： 

参照图3，本实施例涉及的柔性直流输电换流站断路器的交直流配合保护装置，包括交流保护区域和直流保护区域，交流保护区域主要包含连接变压器T、交流进线断路器DL、交流端隔离开关DS及交流端电流测量单元CT；直流保护区域主要包括二个换流器converter、启动回路电阻R及直流端隔离开关DS、直流线路的平波电抗器L、桥臂电抗器L及直流测量单元CT、PT、直流端隔离开关DS；交流端电流测量单元CT的输入端通过交流端隔离开关DS连接交流电网、其输出端连接交流保护装置的输入端及变压器T的输入端；交流保护装置具有失灵保护结构，设有断路器保护操作箱的TJR节点，其输出端连接远跳接口装置的输入端之一；变压器T的检测端通过交流侧电阻R、电流测量单元CT接地，变压器T的输出端分二路，第一路通过交流检测单元PT连接直流保护区域保护装置的输入端，直流保护区域保护装置具有失灵保护结构，设有断路器保护操作箱的TJR节点，其输出端连接远跳接口装置的输入端之二和第二路直流保护区域的启动电路的输入端，所述启动电路的输出端通过直流侧测量单元之一连接二路换流器回路的控制输入端，各换流器回路由平波电抗器L、直流测量单元CT、PT、换流器converter和直流端隔离开关DS连接而成；远跳接口装置的输出端通过光纤连接对侧变电站断路器操作箱的输入端，进行跳闸控制。 

本实施例中： 

连接变压器T、进线断路器DL、隔离开关DS及电流测量单元CT由常规的连接变压器、进线断路器、隔离开关和电流测量电路构成，换流器converter、启动回路的电阻R及隔离开关DS、直流线路的平波电抗器L、桥臂电抗器L及直流测量单元CT、PT、直流 端隔离开关DS由常规技术的换流器、电子启动电路的电阻及隔离开关、平波电抗器、桥臂电抗器及直流测量元件、直流端隔离开关构成。 

风电场的功率由交流进线送入，通过连接变压器的升压进入直流保护区域，直流保护区域的启动回路限制换流器充电的电流，保护换流器。功率进入换流器进行直流与直流的变换然后通过直流线路送到受端换流站进行逆变上送交流大电网。 

交流保护区域与直流保护区域相互独立，由不同的装置来实现各个区域的保护，交流与直流保护装置的动作的结果都是跳交流进线断路器。 

在断路器失灵的情况下，交流保护装置检测到断路器操作箱的TJR节点合上，即交流保护装置动作，而此时交流电流大于额定值的情况下证明断路器没有正常跳开；故障点一致存在，为了可靠切除故障点，交流保护装置发出远跳上级断路器的命令给远跳接口装置远跳对侧变电站的断路器来将故障点切除。 

直流保护区域的单相接地，换流器冷却故障，换流器内部故障等故障情况下故障电流不能体现到交流进线的CT上面，此时交流进行的电流没有发生变化，通过交流保护装置启动失灵保护不能切除故障。直流保护装置通检测断路器操作箱的TJR节点与阀侧电压值来判断短路是否失灵，直流保护装置检测到断路器操作箱的TJR节点合上，即直流保护装置动作，而此时阀侧电压大于额定值70％的情况下证明断路器没有正常跳开。通过图3可以知道在断路器跳开的情况下阀侧电压会迅速下降到0，因此整定值采用0～Ue,整定值为额定电压的70％相对合理。为了可靠切除故障点，直流保护装置发出远跳上级断路器的命令给远跳接口装置远跳对侧变电站的断路器来将故障点切除。 

交流保护装置启动失灵信号通过检测到TJR＝1并且I＞Ie，两者关系是与的关系；直流保护装置启动失灵信号通过检测到TJR＝1并且U＞70％Ue，两者关系是与的关系；远跳接口装置同时接收来之交流保护装置和直流保护装置的启动失灵信号远跳上级断路器，不管是直流保护装置还是交流保护装置的失灵启动信号都是有效的，两者是或的关系，对侧变电站接收失灵的信号通过断路器操作箱对该侧的断路器进行跳闸。 

参照图4-图6，本实用新型涉及的柔性直流输电换流站断路器的交直流配合保护方法，其特征在于：将柔性直流输电换流站断路器保护装置分为交流保护装置和直流保护装置，通过交流保护装置和直流保护装置分工合作，相互配合进行远跳上级断路器实现对柔性直流输电换流站断路器的保护； 

1)交流保护装置启动保护，在断路器失灵的情况下，交流保护装置检测到断路器操作箱的TJR节点合上，即交流保护装置动作，当交流电流大于额定值时判定断路器没有正常跳开，故障点一致存在，为了可靠切除故障点，交流保护装置发出远跳上级断路器的命令给远跳接口装置远跳对侧变电站的断路器来将故障点切除； 

2)直流保护装置启动保护，直流保护装置通检测断路器操作箱的TJR节点与阀侧电压值来判断短路是否失灵，直流保护装置检测到断路器操作箱的TJR节点合上，即直流保护装置动作，当阀侧电压大于额定值70％时判定断路器没有正常跳开，为了可靠切除故障点，直流保护装置发出远跳上级断路器的命令给远跳接口装置远跳对侧变电站的断 路器来将故障点切除。 

进一步地，在柔性直流换流站交流区域采用常规断路器失灵保护装置实现断路器失灵远跳上级断路器的结构，判据为交流保护装置保护动作及网侧电流；直流保护区域的直流保护装置、站级控制装置、直流极保护装置通过增加带保护装置保护动作及电压判据的跳闸出口启动远跳接口装置直接远跳上级断路器；通过交流区域保护及直流保护区域保护的保护装置的相互配合，在断路器失灵的情况下，无死角实现启动远跳接口装置跳闸实现对换流站内断路器的保护。 

进一步地，在断路器失灵的情况下阀侧电压一致保持为原来的额定电压不变；直流保护区域的保护装置通过增加电压判据及延时跳闸出口启动远跳接口装置能实现远跳上级断路器的功能。 

Claims (2)

1.柔性直流输电换流站断路器的交直流配合保护装置，其特征在于：包括交流保护区域和直流保护区域，交流保护区域主要包含连接变压器T、交流进线断路器DL、交流端隔离开关DS及交流端电流测量单元CT；直流保护区域主要包括二个换流器converter、启动回路电阻R及直流端隔离开关DS、直流线路的平波电抗器L、桥臂电抗器L及直流测量单元CT、PT、直流端隔离开关DS；交流端电流测量单元CT的输入端通过交流端隔离开关DS连接交流电网、其输出端连接交流保护装置的输入端及变压器T的输入端；交流保护装置具有失灵保护结构，设有断路器保护操作箱的TJR节点，其输出端连接远跳接口装置的输入端之一；变压器T的检测端通过交流侧电阻R、电流测量单元CT接地，变压器T的输出端分二路，第一路通过交流检测单元PT连接直流保护区域保护装置的输入端，直流保护区域保护装置具有失灵保护结构，设有断路器保护操作箱的TJR节点，其输出端连接远跳接口装置的输入端之二和第二路直流保护区域的启动电路的输入端，所述启动电路的输出端通过直流侧测量单元之一连接二路换流器回路的控制输入端，各换流器回路由平波电抗器L、直流测量单元CT、PT、换流器converter和直流端隔离开关DS连接而成；远跳接口装置的输出端通过光纤连接对侧变电站断路器操作箱的输入端，进行跳闸控制。 

2.根据权利要求1柔性直流输电换流站断路器的交直流配合保护装置，其特征在于：交流保护区域与直流保护区域相互独立，构成各个区域的独立保护结构。