CN101540501B - 一种高压直流输电接地极线路保护系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及高压直流输电系统的接地极线路接地保护系统，该系统在并联的两条接地极线路中各串一台高压直流断路器，并设置两条地线电流差值的允许范围和两条地线的线电流之和减去两条地线的线电流之差的允许范围后，依次执行以下控制程序：(1)读取两条地线的电流；(2)判断比较两条地线的电流之差绝对值是否大于其允许范围，若否，便返回步骤(1)，若是，(3)再判断两条地线的线电流之和减去两条地线的线电流之差是否小于等于允许范围，若是便反回步骤(1)，若否则使串联在线电流较大的那条地线中的高压直流断路器跳闸并终止程序。本发明系统可避免因接地极线路故障导致的接地极线路不平衡保护导致的直流输电系统闭锁。
Description
技术领域：
本发明涉及高压直流输电系统，具体涉及电流差起反应的接地保护，特别是涉及直流输电系统接地极线路接地保护的方法和电路。
背景技术：
高压直流换流站接地极是直流输电系统的重要组成部分，在直流输电系统运行中，起到不可替代的作用。接地极不同于普通交流接地网，它可以持续工作在有大电流通过的状态，其作用如下：(1)在建设初期，利用先建成的一极，可以采用单极大地返回方式运行；(2)当一极线路(例行)检修时，另一极可采用单极大地返回方式运行；(3)当一极出现故障时，为了保证系统稳定，要求另一健全极能继续运行；(4)在直流输电系统双极运行时，钳制换流站两极换流桥直流侧中性点电位，使之为“0”电位。由此可见，流过接地极的最大工作电流就是直流系统中的额定工作电流。为了确保接地极线路的可靠性，在高压直流输电工程中，通常采用如图1所示的接地保护方案，即两条接地极线路并联后经一直流高压断路器MRTB与直流侧的中性点连接(而该高压直流断路器MRTB的主要功能是用于单极大地方式向单极金属方式转换)。图1所示的接地保护方案在输电系统采用双极和单极大地方式运行的控制方法如下所述：(1)当输电系统采用双极运行方式时，如果并联的两条接地极线路中的某一条发生接地故障，一旦二者的电流的差值超过保护整定值ΔI1set，即由控制装置KZ(图1虚线框所示)将所采集的两条接地极线路的线电流信号经放大、A/D转换产生占空比不同的触发脉冲，进而调节正极和负极换流器可控硅阀的导通角，使流过两条接地极线路总电流的幅值减小到接近于0，使接地极线路故障点的直流电弧自然熄灭，从而实现接地极线路的保护；(2)当输电系统采用单极大地方式运行时，如果并联的两条接地极线路线中的一条发生接地故障，一旦二者的电流的差值超过允许的范围ΔI1set，则由控制装置直接切断运行中的可控硅阀的触发脉冲，使运行中的一极闭锁而实现接地极线路的保护。由上述分析可见，无论输电系统采用哪一种方式运行，一旦出现一条接地极线路上某一点因雷击等原因导致的接地短路故障，该接地极线路电流在短时间内突然增大都会使整个直流输电系统瘫痪。此外，在直流输电系统双极运行情况下，如果因某一极故障而实施单极故障闭锁重起而不成功，而且一条接地极线路同时出现接地故障(比如接地极线路与直流输电线路同杆并架区域发生雷击导致某一极直流输电线路时，接地极线路会由于感应过电压或反击过电压同时产生接地故障)，则必然会发生双极闭锁，给电网带来巨大的冲击，影响电网的安全；在输电系统采用单极大地方式运行情况下，接地极线路对地短路故障点的短路电流即等于正常运行的单极输电线路电流，约为数千安培。如该故障电流长期存在，会造成如下后果：(1)使绝缘子破裂，导致接地极线路掉串；(2)接地极线路长期接地短路后导致杆塔接地网腐蚀加快；(3)接地杆塔的跨步电压可能造成人畜伤害。
发明内容：
鉴于现有技术存在上述不足，本发明所要解决的技术问题是进一步提升高压直流输电接地极线路保护系统的保护性能，以确保电网安全稳定运行。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种高压直流输电接地极线路保护系统，该系统包括接地保护电路和控制程序，其特征是，
所述的接地极线路保护电路包括高压直流断路器和不平衡电流保护装置，其中，高压直流断路器为两台，二者一端并接于换流站双极换流阀的直流侧中性点上，另一端分别与一条接地极线路串接后与大地连接；不平衡电流保护装置由以单片机(CPU)为核心配以外围元件构成主控单元、输出端分别与主控单元中单片机的I/O口连接的两只电流传感器和输入端分别与主控单元中单片机的I/O口连接的两个控制高压直流断路器跳闸或合闸的驱动单元连接构成，其中，电流传感器分别设在两条接地极线路上，驱动单元的保护控制信号输出端分别与一高压直流断路器的分闸激磁线圈和合闸激磁线圈串联连接；
所述的不平衡电流保护装置上电后，首先设置两条地线的线电流差值的允许范围(ΔI1set)和两条地线的线电流之和减去两条地线的线电流之差(ΔI2set)的允许范围，再执行控制程序，该控制程序包括以下步骤：
(1)读取两条地线的线电流；
(2)比较判断两条地线的线电流之差的绝对值是否大于两条地线的线电流差值的允许范围，若否，便返回步骤(1)；若是，则
(3)再判断两条地线的线电流之和减去两条地线的线电流之差是否小于等于允许范围，若是，便返回步骤(1)；若否，则使串联在线电流较大的那条地线(即故障线路)中的高压直流断路器跳闸并终止程序。
本发明上述控制程序还包括故障类型判断的步骤，该步骤的组成如下：
当串联在线电流较大的那条地线中高压直流断路器跳闸后便延时150～250ms，待非永久性故障自行解除(如线路上所产生的电弧熄灭)后重合闸，然后立即返回，依次执行步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)；此时，如果两条地线的线电流之和减去两条地线的线电流之差仍小于等于允许范围，即返回步骤(1)，循环执行步骤(1)和(2)，使线电流较大的那条地线中高压直流断路器保持在合闸状态；否则，将串联在线电流较大的那条地线中的高压直流断路器再次跳闸后终止程序。
为了进一步确保输电安全，上述接地极线路保护电路中每台高压直流断路器的分闸激磁线圈交叉串联另一台直流断路器的一组合闸位置辅助触头后，再与所述不平衡电流保护装置中驱动单元的保护控制信号输出端串联连接，构成两高压直流断路器的分闸位置互锁电路。
本发明所述的不平衡电流保护装置中，所述的电流传感为高压直流输电领域常用的电流传感器，即由串联在地线中采样电阻和与采样电阻并联的滤波电容构成；所述的驱动单元分别为一常用的电子开关，该开关可以是大功率晶体管开关，也可以是由一只小功率电子开关串联一继电器构成。
本发明所述保护系统具有下列显著效果：
(1)利用所述的不平衡电流保护装置采集两条接地极线的线电流进行简单的加减运算后与预设的允许值比较判断出当前的故障线路，并在另一条接地极线路健全的情况下输出控制信号使故障线路中的高压直流断路器跳闸，从而避免了现有保护装置中因两条接地极线的线电流不平衡而闭锁高压换流阀。
(2)高压直流输电系统中的接地极线故障通常有两类，一类是永久性故障(如金属性接地故障)，另一类是非永久性故障(如雷击导致的接地极线路弧光接地)。上述非永久性故障如果不即时断电熄弧便可能转变为永久性故障。为了解决这一技术问题，本发明所述系统的进一步改进方案是在基本方案的基础上增加故障线路中的高压直流断路器跳闸后延时重合闸的步骤，从而可判断出地线故障的类型。当为非永久性故障时，利用故障线路中的高压直流断路器跳闸→延时→重合闸的动作过程可自动熄灭电弧；当为永久性故障时，在延时重合闸后再次经过循环比较两条接地极线路的电流差值，并加速使故障线路中的高压直流断路器跳闸后即终止程序。这样既可排除线路的非永久性故障，使电网继续安全运行，又可避免故障的进一步恶化。
附图说明
图1为设有现有接地极线路保护系统的高压直流输电系统的电原理图。
图2为设有本发明电接地极线路保护系统的高压直流输电系统的一个具体实施例的电原理图。
图3为本发明所述不平衡电流保护装置的一个具体实施例的电路框图，图中虚线部分表示不平衡电流保护装置与外部电路的连接关系。
图4为本发明所述接地保护电路的一个具体实施方案的电原理图。
图5为本发明所述接地保护电路的另一具体实施方案的电原理图。
图6为本发明所述保护系统的控制程序的基本方案的流程图。
图7为本发明所述保护系统的控制程序的一个改进方案的流程图。
具体实施方式
本具体实施方式是实施本发明的一个具体实施例，本发明不受具体实施例电路的限制。
参见图2～5，本发明所述接地极线路保护电路的一个具体实施例如下所述：
参见图2，两台高压直流断路器MRTB1和MRTB2的一端并接于整流侧换流站双极换流阀的直流侧中性点上，另一端分别与一条接地极线路DL1、DL2串接后与接地极连接；不平衡电流保护装置HB中的两电流感应端分别与两条接地极线路DL1和DL2连接，不平衡电流保护装置HB(图2虚线框所示)的保护控制信号的两输出端分别与一高压直流断路器MRTB1、MRTB2的分闸激磁线圈L1f、L2f和合闸激磁线圈L1h、L2h串联连接(参见图4)。
上述不平衡电流保护装置HB和高压直流断路器MRTB1、MRTB2三者也可采用如图5所示的联接，即，高压直流断路器MRTB1的分闸激磁线圈L1f串联直流断路器MRTB2的一组合闸位置辅助触头后再与不平衡电流保护装置HB的驱动单元A的保护控制信号输出端串联连接；高压直流断路器MRTB2的分闸激磁线圈L2f串联直流断路器MRTB1的一组合闸位置辅助触头后再与不平衡电流保护装置HB的驱动单元B的保护控制信号输出端串联连接，构成两高压直流断路器MRTB1、MRTB2的分闸位置互锁电路，以保证当串联在故障接地线路中高压直流断路器跳闸过程中及跳闸后，串联在健全接地线路中的高压直流断路器处于合闸状态，确保直流侧的中性点可靠接地。
参见图3，上述不平衡电流保护装置HB由主控单元、电流传感器A和B、和驱动单元A和B组成，其中，所述的主控单元以单片机(CPU)为核心配以外围元件构成；所述的电流传感器A和B输出端分别与主控单元中的单片机的一I/O口连接；所述的驱动单元A和B的控制端分别与所述单片机的一I/O口连接。
以下结合图6和7对本发明所述接地极线路保护系统的控制程序进行详细描述。
为了描述的方便，先对描述过程中出现的代号进行如下定义：Idn1和Idn2分别为接地极线路DL1和DL2的线电流；ΔI1set为接地极线路DL1与接地极线路DL2的线电流差值的允许范围；ΔI2set为接地极线路DL1与接地极线路DL2的线电流之和减去接地极线路DL1与接地极线路DL2的线电流之差的允许范围。
从所周知，在高压直流输电系统中，两条接地极线路是在双极方式运行和单极大地方式运行时发挥保护作用的，而当输电系统运行方式的不同时上述的ΔI1set和ΔI2set的物理含义是不同的，因此ΔI1set和ΔI2set的具体数值范围要视输电系统运行方式根据行业规范来确定，通常ΔI1set＝(10％～20％)×(Idn1+Idn2)，ΔI2set＝(5％～10％)×(Idn1+Idn2)。
参见图6，电流传感器A和B分别不断读取接地极线路DL1和DL2的线电流Idn1和Idn2，由主控单元的单片机的I/O口送入主控单元反复比较二者值的大小，即反复判断|Idn1-Idn2|是否大于ΔI1set。如果|Idn1-Idn2|≤ΔI1set，说明两条接地极线路均健全，即返回上一步骤。否则，当Idn1-Idn2＞ΔI1set时，则说明接地极线路DL1有故障，此时欲断开故障线路DL1就得要检查接地极线路DL2是否开路，即是否满足(Idn1+Idn2)-(Idn1-Idn2)≤ΔI2set的条件，如果否，即说明接地极线路DL2未开路，不平衡电流保护装置HB的驱动单元A便使高压直流断路器MRTB1跳闸后终止程序，断开接地极线路DL1，若是，则说明说明接地极线路DL2可能开路，便返回读取线电流Idn1和Idn2的步骤。同理，当Idn2-Idn1＞ΔI1set时，则说明接地极线路DL2有故障，此时欲断开故障线路DL2就得要检查接地极线路DL1是否开路，即是否满足(Idn1+Idn2)-(Idn2-Idn1)≤ΔI2set的条件，如果否，即说明接地极线路DL1未开路，不平衡电流保护装置HB的驱动单元B便使高压直流断路器MRTB2跳闸后终止程序，断开接地极线路DL2，若是，则说明说明接地极线路DL1可能开路，便返回读取线电流Idn1和Idn2的步骤。
图7所示控制流程是在图6所示控制流程的基础上增设故障类型判断的步骤得到的，为了避免重复，以下重点描述故障类型的判断流程。参见图7，当MRTB1或MRTB2跳闸后延时150～250ms使其重合闸，并返回到线电流读取和比较Idn1和Idn2的步骤(见图7中用虚线表示表示的路径)。此时，如果|Idn1-Idn2|＞ΔI1set，且为Idn1-Idn2＞ΔI1set，(Idn1+Idn2)-(Idn1-Idn2)＞ΔI2set，则说明接地极线路DL1存在永久性接地故障且接地极线路DL2健全，系统便立即使MRTB1再次跳闸并终止程序(见图7中用虚线表示表示的路径)。如果|Idn1-Idn2|＞ΔI1set，且为Idn2-Idn1＞ΔI1set，(Idn1+Idn2)-(Idn2-Idn1)＞ΔI2set，则说明接地极线路DL2存在永久性接地故障且接地极线路DL1健全，系统便立即使MRTB2再次跳闸并终止程序(见图7中用虚线表示表示的路径)。反之，如果|Idn1-Idn2|≤ΔI1set，则说明高压直流断路器MRTB1或MRTB2跳闸后延时150～250ms后接地故障线路的电弧熄灭且恢复了正常，系统便返回，继续不断读取接地极线路DL1和DL2的线电流Idn1和Idn2，由主控单元的单片机的I/O口送入主控单元反复比较二值的大小，即反复判断|Idn1-Idn2|是否大于ΔI1set，使高压直流断路器(MRTB1或MRTB2)保持在合闸状态。
Claims (3)
1.一种高压直流输电接地极线路保护系统，该系统包括接地极线路保护电路和控制程序，其特征是，
所述的接地极线路保护电路包括高压直流断路器和不平衡电流保护装置，其中，高压直流断路器为两台，二者一端并接于换流站双极换流阀的中性点上，另一端分别与一条接地极线路串接后与大地连接；不平衡电流保护装置由以单片机为核心配以外围元件构成主控单元、输出端分别与主控单元中单片机的I/O口连接的两只电流传感器和输入端分别与主控单元中单片机的I/O口连接的两个控制高压直流断路器跳闸或合闸的驱动单元连接构成，其中，电流传感器分别设在两条接地极线路上，驱动单元的保护控制信号输出端分别与一高压直流断路器的分闸激磁线圈和合闸激磁线圈串联连接；
所述的不平衡电流保护装置上电后，首先设置两条接地极线路的线电流差值的允许范围ΔI1set和两条接地极线路的线电流之和减去两条接地极线路的线电流之差的允许范围ΔI2set，再执行控制程序，该控制程序包括以下步骤：
(1)读取两条接地极线路的线电流；
(2)比较判断两条接地极线路的线电流之差的绝对值是否大于两条接地极线路的线电流差值的允许范围ΔI1set，若否，便返回步骤(1)；若是，则
(3)再判断两条接地极线路的线电流之和减去两条接地极线路的线电流之差是否小于等于允许范围ΔI2set，若是，便返回步骤(1)；若否，则使串联在线电流较大的那条接地极线路中的高压直流断路器跳闸并终止程序。
2.根据权利要求1所述的保护系统，其特征是所述的控制程序还包括故障类型判断的步骤，该步骤为：
当串联在线电流较大的那条接地极线路中高压直流断路器跳闸后便延时150～250ms，待非永久性故障自行解除后重合闸，然后立即返回，依次执行步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)；此时，如果两条接地极线路的线电流之和减去两条接地极线路的线电流之差仍小于等于允许范围ΔI2set，即返回步骤(1)，循环执行步骤(1)和(2)，使线电流较大的那条接地极线路中的高压直流断路器保持在合闸状态，否则，将串联在线电流较大的那条接地极线路中的高压直流断路器跳闸后再终止程序。
3.根据权利要求1或2所述的保护系统，其特征是所述的接地极线路保护电路中每台高压直流断路器的分闸激磁线圈交叉串联另一直流断路器的一组合闸位置辅助触头后，再与所述不平衡电流保护装置中驱动单元的保护控制信号输出端串联连接，构成两高压直流断路器的分闸位置互锁电路。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant |