CN103187722B - 用于柔性直流输电系统直流侧过电压保护装置及保护方法 - Google Patents

用于柔性直流输电系统直流侧过电压保护装置及保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于柔性直流输电系统直流侧过电压保护装置及保护方法，保护装置并联在直流线路的两极，保护装置（7）并联在直流线路（8）的正、负极，用于在交流线路I（4）或直流线路（8）发生故障导致直流线路（8）过电压或当阀基控制器检测到直流线路（8）任一极发生短路故障时，进行动作引开故障电流，抑制直流线路（8）过电压水平，保护换流阀阀体（9）。保护装置7采用过压或强制击穿元件提高过电压保护性能，很好地解决了柔性直流输电系统故障引起的过电压问题。

Description

用于柔性直流输电系统直流侧过电压保护装置及保护方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电系统领域，具体涉及一种用于柔性直流输电系统直流侧过电压保护装置及保护方法。
背景技术
柔性直流输电是一种新型的高压直流输电技术，其通过电压源型变流器，在水电厂或火电厂等电源处，将传统交流电变为直流电，通过架空线或电缆等传输线，将电力送至远方负荷处。与传统高压直流输电相比，具有可控性强，潮流反转容易，无需无功补偿等优点。
柔性直流输电系统由三部分组成，包括位于电源和负荷处的两个换流站，及连接两站的直流电缆或架空线，其中核心设备是柔性直流换流阀，其安全性需要通过保护系统获得可靠的保证。
换流站中有一个可在交流线路I及直流线路8间切换的换流阀5，包括贯穿于交流线路I及直流线路8间的功率半导体阀9，通过这样的功率半导体阀将电力参数在交流和直流之间转换。此外，交流线路I与交流线路II之间有一个换流变压器3，它在交流线路I阀侧为星型接法，其中性点通过电阻6接地。
柔性直流换流站故障一般分为交流侧故障、直流侧故障及换流阀故障三种，交、直流侧故障保护由站控系统（由电压互感器、电流互感器、交直流侧滤波器保护、变压器保护等组件组成）实现。
目前柔性直流换流站内直流保护系统主要通过直流欠压、过压保护来判断直流系统故障情况，在换流站内部交流线路I单相接地故障或直流线路发生单极接地短路故障时，另一极的直流线路8电压可能会提高到正常运行电压的1.5～2倍，功率半导体阀可能会承受过高的故障电压而损坏。
传统功率半导体阀9保护措施主要并联无间隙MOV。该保护方法通常将无间隙MOV并联在功率半导体阀9的两端，利用MOV的电压电流非线性特性，将可能产生过电压的能量通过MOV消耗掉，从而使被保护设备免受过压的冲击，但该方法存在动作参数难以整定、能量应力过大、导通无法控制等缺陷。而其它传统线路保护装置如旁路晶闸管开关存在结构复杂，动作时间慢、承受过电流能力低等缺点。针对上述问题，在直流线路上增加本发明的保护装置可以有效降低直流线路过电压，避免对换流阀阀体内部造成损害。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于柔性直流输电系统直流侧过电压保护装置及保护方法，保护装置7采用过压或强制击穿元件提高过电压保护性能，很好地解决了柔性直流输电系统故障引起的过电压问题。
通常交流线路发生单相接地故障或直流线路发生单极接地短路故障时，另一极直流线路电压会升高。根据预先定义的电压，调整接地击穿间隙，当电压小于设定击穿电压时，保护装置不导通，直流系统可正常传送功率，而一旦过电压达到设定值，保护装置被击穿，产生电火花，电流通过该间隙被导入大地，抑制直流侧过电压，避免换流阀阀体和直流线路因过电压而损坏。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种用于柔性直流输电系统直流侧过电压保护装置，所述保护装置包含在柔性直流换流站1，包括在交流线路I与直流线路8间切换的柔性直流换流阀5，所述交流线路I与交流线路II之间设有换流变压器3，所述换流变压器3在交流线路I阀侧为星型连接，其中性点通过电阻6接地；所述换流变压器3在交流线路II网侧为三角型或星型连接；
其改进之处在于，所述保护装置7并联在直流线路8的正、负极，用于在在交流线路I或直流线路8发生故障导致直流线路8过电压或当阀基控制器检测到直流线路8任一极发生短路故障时，进行动作引开故障电流，抑制直流线路8过电压水平，保护换流阀阀体9。
优选的，所述保护装置7采用如火花间隙的快速导通元件；所述火花间隙接地。
优选的，所述换流阀5为三相六桥臂结构；每个桥臂均由换流阀阀体9组成；所述换流阀阀体9采用半导体开关元件实现，包括可关断的半导体器件（如IGBT、IGET、IGCT或GTO）以及与其反并联的二极管。
本发明基于另一目的提供的一种用于柔性直流输电系统直流侧过电压保护方法，其改进之处在于，所述方法用的保护装置7并联于直流线路8的正、负极；所述方法包括下述步骤：
A、检测直流线路是否发生故障，所述故障包括交流线路I单相接地故障、直流线路8单极接地短路故障和双极短路故障；
B、当发生交流线路I单相接地故障或直流线路单极接地故障时，火花间隙两端电压升高至击穿电压，击穿火花间隙；
或当火花间隙的控制装置检测到直流线路双极短路故障时，所述控制装置向续流间隙发送触发命令，强制触发续流间隙，将火花间隙击穿；
火花间隙击穿后将故障电流引至大地；
C、火花间隙击穿后，向控制装置发送返回状态信息，并向换流阀5下发闭锁信号，实现保护换流阀阀体9。
优选的，所述步骤A中，检测到直流线路电压过压的保护方法为：直流线路电压超过预先设定值，且持续时间也达到预先设定值，则保护装置7导通，同时阀基控制器闭锁柔性直流换流阀5的触发脉冲。
优选的，预设的自击穿电压大小在直流线路电压未过压时未被击穿，在直流线路电压过压时被击穿，其自击穿电压大小为通过理论计算、计算机仿真或试验确定。
优选的，击穿时放电电流大小为通过理论计算、计算机仿真或试验确定。
优选的，击穿时吸收能量大小通过理论计算、计算机仿真或试验确定。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明提出的保护装置动作迅速，通流能量强，吸收能量大，能快速保护阀体。
2、本发明提出的无需结构和功能复杂的控制保护装置。
3、本发明提出的保护装置结构简单，成本低，易于实现。
4、降低直流线路和换流阀绝缘成本；
5、保障直流线路和换流阀设备安全；
6、提高柔性直流换流站抗故障能力；
7、保障柔性直流输电系统安全稳定运行。
附图说明
图1是本发明提供的用于柔性直流输电系统直流侧过电压的保护装置示意图；
其中：1-柔性直流换流站；2-交流线路II；3-换流变压器；4-交流线路I；5-换流阀；6-电阻；7-保护装置；8-直流线路；9-换流阀阀体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细举例说明。
本发明提供的用于直流线路故障的柔性直流输电系统换流阀保护装置示意图如图1所示，保护装置包含在柔性直流换流站1，包括在交流线路I与直流线路8间切换的柔性直流换流阀5，所述交流线路I与交流线路II之间设有换流变压器3，换流变压器3在交流线路I阀侧为星型连接，其中性点通过电阻6接地；所述换流变压器3在交流线路II网侧为三角型或星型连接。
换流阀5为三相六桥臂结构；每个桥臂均由换流阀阀体9组成；所述换流阀阀体9采用半导体开关元件实现，包括IGBT以及与其反并联的二极管。其结构形式包括但不限于模块化多电平、H桥链式、IGBT串联。
保护装置7并联在直流线路8的两极（正、负极），用于在直流线路8故障导致过电压或当阀基控制器检测到直流线路8故障短路时，进行动作引开故障电流，抑制直流线路8过电压水平，保护换流阀阀体9。
保护装置7采用火花间隙导通元件；火花间隙接地。
本发明提供的采用的火花间隙的工作原理如下：
当火花间隙因交流线路I单相接地或直流线路单极接地故障10使其电压超过自触发电压时，密封间隙自动触发。
或当换流阀控制保护装置检测到换流直流线路8短路故障时，通过光纤或电缆发出强制触发命令使其间隙强制导通，使短路电流快速流过密封间隙。
预设的击穿电压大小需保证装置在直流线路电压未过压时不会被击穿，而在直流线路电压过压时会被击穿，其大小的配置方法为通过理论计算、计算机仿真或试验确定。击穿时放电电流大小的配置方法为通过理论计算、计算机仿真或试验确定。击穿时吸收能量大小的配置方法为通过理论计算、计算机仿真或试验确定。自击穿电压大小为1.3-1.8倍线路额定电压，击穿时放电电流大小为1.5-20线路额定电流，击穿时吸收能量大小为上述电压与电流的乘积在时间上的积分。
（一）根据柔性直流短路故障理论计算、计算机仿真、试验确定火花间隙的击穿电压、短路电流、吸收能量具体内容如下：
理论计算的过程为：将换流变压器网侧交流母线2等效为一个电压源Us和内阻抗Zs的串联，根据换流变压器3变比k、并考虑变压器阀侧漏抗XL，将电压源Us和内阻抗Zs折算至变压器阀侧。
等效到变压器阀侧的电源电动势为：Us2=kUs；
内阻为：Zs2=k2Zs+XL；
以正常运行时的变压器阀侧电压Us20作为初始条件，根据故障接地处直流线路(或交流线路II单相)电压为0的特点，建立反映直流线路正常极的电压在接地故障过程的数学表达式，根据初始条件和表达式计算得直流线路的故障电压表达式；
故障后正常极直流线路电压udcn(t)为变压器阀侧初始电压Us20、初始直流电压Udc0、线路阻抗Zs2和接地阻抗Zn的函数：udcn(t)＝F(Us20,Udc0,Zs2,Zn,t)；t表示时间。
根据各相电压确定火花间隙的击穿电压，确保该击穿电压高于正常运行时直流线路电压峰值（优选的为1.2倍），低于故障时直流线路电压的最大值。结合火花间隙的数学模型，可计算得在故障电压作用下火花间隙的放电电流、吸收能量。
计算机仿真的过程为：在计算机仿真软件中建立包含等值系统、变压器、直流线路、换流阀和接地故障的仿真模型，通过不同时刻的单相、两相接地故障仿真，得到故障时站内另一直流线路的幅值。根据该电压确定火花间隙的击穿电压，确保该击穿电压高于正常运行时直流线路电压（优选的为1.2倍），低于故障时直流电压的最大值。
在仿真软件中建立火花间隙的模型，根据故障时火花间隙流过的最大电流，确定火花间隙允许的最大电流。根据最高击穿电压和允许最大电流确定火花间隙需要吸收的能量。
（二）根据击穿电压确定火花间隙的间隔距离；击穿电压U是气体压力P以及两电极间距离d和绝对温度T的函数：U＝f（pd/T）。
（三）将火花间隙并联一端安装于站内直流线路8的正、负极上，另一端接地；
（四）如图1所示，当发生交流线路I单相接地或直流线路单极接地故障10时，火花间隙两端电压升高至击穿电压，从而将火花间隙击穿；
或当直流线路发生短路故障时，电压测量装置或保护装置监测火花间隙两端电压，触发火花间隙，通过触发间隙强制触发续流间隙，将火花间隙击穿。
（五）短路故障电流从火花间隙中流过，抑制了直流线路过电压水平，避免了换流阀阀体的过压；
（六）火花间隙击穿后，向火花间隙的控制装置返回状态信息，控制装置检测到火花间隙击穿的同时，向换流阀下发闭锁信号。
本发明还涉及一种用于柔性直流输电系统直流侧过电压保护方法，所述方法用的保护装置7并联于直流线路8的两极；所述方法包括下述步骤：
A、检测直流线路是否发生故障，所述故障包括交流线路I单相接地故障、直流线路8单极接地短路故障和双极短路故障；
B、当发生交流线路I单相接地故障或直流线路单极接地故障10时，火花间隙两端电压升高至击穿电压，击穿火花间隙；
或当控制装置检测到直流线路双极短路故障时，所述控制装置向续流间隙发送触发命令，强制触发续流间隙，将火花间隙击穿；
火花间隙击穿后将故障电流引至大地；
C、火花间隙击穿后，向火花间隙中的控制装置发送返回状态信息，并向换流阀5下发闭锁信号，实现保护换流阀阀体9。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于柔性直流输电系统直流侧过电压保护方法，其特征在于，所述方法采用柔性直流输电系统直流侧过电压保护装置(7)实现，所述保护装置(7)包含在柔性直流换流站(1)，包括在交流线路I(4)与直流线路(8)间切换的柔性直流换流阀(5)，所述交流线路I(4)与交流线路II(2)之间设有换流变压器(3)，所述换流变压器(3)在交流线路I(4)阀侧为星型连接，其中性点通过电阻(6)接地；所述换流变压器(3)在交流线路II(2)网侧为三角型或星型连接；
所述保护装置(7)并联在直流线路(8)的正、负极，用于在交流线路I(4)或直流线路(8)发生故障导致直流线路(8)过电压或当阀基控制器检测到直流线路(8)任一极发生短路故障时，进行动作引开故障电流，抑制直流线路(8)过电压水平，保护换流阀阀体(9)；
所述保护装置(7)采用如火花间隙的快速导通元件；所述火花间隙接地；
所述换流阀(5)为三相六桥臂结构；每个桥臂均由换流阀阀体(9)组成；所述换流阀阀体(9)采用半导体开关元件实现，包括可关断的半导体器件以及与其反并联的二极管；
所述方法包括下述步骤：
A、检测直流线路是否发生故障，所述故障包括交流线路I(4)单相接地故障、直流线路(8)单极接地短路故障和双极短路故障；
B、当发生交流线路I(4)单相接地故障或直流线路单极接地故障时，火花间隙两端电压升高至击穿电压，击穿火花间隙；
或当火花间隙的控制装置检测到直流线路双极短路故障时，所述控制装置向续流间隙发送触发命令，强制触发续流间隙，将火花间隙击穿；
火花间隙击穿后将故障电流引至大地；
C、火花间隙击穿后，向火花间隙的控制装置发送返回状态信息，并向换流阀(5)下发闭锁信号，实现保护换流阀阀体(9)。
2.根据权利要求1所述的直流侧过电压保护方法，其特征在于，所述步骤A中，检测到直流线路电压过压的保护方法为：直流线路电压超过预先设定值，且持续时间也达到预先设定值，则保护装置(7)导通，同时阀基控制器闭锁柔性直流换流阀(5)的触发脉冲。
3.根据权利要求1所述的直流侧过电压保护方法，其特征在于，预设的自击穿电压大小在直流线路电压未过压时未被击穿，在直流线路电压过压时被击穿，其自击穿电压大小为通过理论计算、计算机仿真或试验确定。
4.根据权利要求1所述的直流侧过电压保护方法，其特征在于，击穿时放电电流大小为通过理论计算、计算机仿真或试验确定。
5.根据权利要求1所述的直流侧过电压保护方法，其特征在于，击穿时吸收能量大小通过理论计算、计算机仿真或试验确定。
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