CN104810801B - 适用于直流融冰系统整流装置的管母线电流差动保护方法 - Google Patents

Abstract

适用于直流融冰系统整流装置的管母线电流差动保护方法，该方法通过判断直流融冰系统整流装置中交流侧的三相电流及直流侧正负极电流是否满足保护动作方程，以对应进行相应的差动保护动作，该保护动作方程有效地反应整流装置保护区内的各种故障，并具有故障桥定位的功能。本保护的制动函数进一步考虑了两测量回路电流互感器不平衡电流的影响，对传统阀短路保护的制动函数进行改进，变为两折线式的制动函数，提高了保护的可靠性。

Description

适用于直流融冰系统整流装置的管母线电流差动保护方法

技术领域

本发明主要涉及整流装置的电流差动保护方法，尤其涉及一种适用于直流融冰系统的管母线电流差动保护方法。

背景技术

直流融冰系统系统主要是通过对输电线路施加直流电压并在输电线路末端进行短路，使导线发热对输电线路进行融冰，从而避免线路因结冰而倒杆倒线，对电网输电安全意义重大。而整流装置是直流融冰系统的核心设备，广泛应用的是12脉动整流装置，因而需配置完善的继电保护以保证融冰过程的安全可靠进行，目前，为防止阀短路故障造成整流装置的过应力，直流融冰系统均配置阀短路保护作为整流装置的主保护，阀短路保护主要是利用整流装置交流侧电流大于直流侧电流的故障现象作为保护的判据，进而对整流装置进行保护，然而根据现有保护方法中的保护判据对整流装置进行保护时不够可靠，例如在电流互感器出现不平衡电流时容易导致保护误动。

发明内容

为克服上述现有技术中存有的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于直流融冰系统整流装置的管母线电流差动保护方法，利用该方法可对直流融冰系统中的整流装置进行保护，保护不误动且具有较高的灵敏性，更安全可靠。

本发明所采用的技术方案为：

适用于直流融冰系统整流装置的管母线电流差动保护方法，应用于12脉动整流装置，该12脉动整流装置包括2个三相桥式整流电路：Y桥和D桥，其中Y桥的直流侧为正极出线端，D桥的直流侧为负极出线端，其特征在于：该方法包括以下步骤：

a、测量直流融冰系统整流装置交流侧的三相电流i_acYa、i_acYb、i_acYc、i_acDa、i_acDb、i_acDc，其中，i_acYa、i_acYb、i_acYc为Y桥交流侧的三相电流，i_acDa、i_acDb、i_acDc为D桥交流侧的三相电流，以及测量直流融冰系统整流装置直流侧的正极电流i_dp和负极电流i_dn；

b、判断所测量得到的直流融冰系统整流装置交流侧的三相电流i_acYa、i_acYb、i_acYc、i_acDa、i_acDb、i_acDc、以及直流融冰系统整流装置直流侧的正极电流i_dp和负极电流i_dn是否满足以下判据：

式中与为动作函数，直流融冰系统整流装置交流侧的三相电流i_acYa、i_acYb、i_acYc、i_acDa、i_acDb、i_acDc均以流入整流装置为正向，正极电流i_dp以流出整流装置为正向，负极电流i_dn以流入整流装置为正向，是指对正向i_acYj(j＝a,b,c)进行求和，是指对反向i_acDj(j＝a,b,c)进行求和，I_setY与I_setD为制动函数，而制动函数I_setY和I_setD分别为：

I_setY＝max(I₀,ki_dp) (3)

I_setD＝max(I₀,ki_dn) (4)

式中I₀为该直流融冰系统的额定电流的0.5倍，k取0.2；

c、若满足判据式(1)，则判定为Y桥区内故障，Y桥差动保护动作，若否，则Y桥差动保护不动作；若满足判据式(2)，则判定为D桥区内故障，D桥差动保护动作，若否，则D桥差动保护不动作。

由上述可知，本发明可对直流融冰系统中的整流装置进行保护，当直流融冰系统中的整流装置出现各类故障时，通过上述方法可对其进行差动保护，保证设备在安全可靠的状况下运行，本发明的制动函数进一步考虑了两测量回路电流互感器不平衡电流的影响，变为两折线式的制动函数，保护不误动且具有较高的灵敏性，更安全可靠，且具有故障桥定位功能，若满足判据式(1)，则可定位故障桥为Y桥，若满足判据式(2)，则可定位故障桥为D桥。

与现有技术相比，本发明所带来的有益效果为：

1、该方法可保护直流融冰系统中的整流装置在安全可靠的状况下运行，且不受电流互感器不平衡电流的影响，保护不误动且具有较高的灵敏性，更安全可靠；

2、具有故障桥定位功能。

附图说明

图1为12脉动直流融冰系统电路拓扑结构示意图；

图2为电流互感器不平衡电流曲线和本发明制动函数曲线图；

图3为阀短路故障时的两相短路状态示意图；

图4为阀短路故障时的三相短路状态示意图；

图5为交流侧单相接地故障时的状态示意图；

图6为交流侧相间短路故障时的状态示意图；

图7为直流侧单极接地故障时两相短路状态示意图；

图8为直流侧单极接地故障时三相短路状态示意图；

图9为直流融冰装置直流侧两极短路故障时的状态示意图；

图10为本发明实施例仿真分析中阀短路故障时直流融冰系统的整流装置的Y桥和D桥交流侧三相电流的变化示意图；

图11为本发明实施例仿真分析中阀短路故障时直流融冰系统的整流装置直流侧正极和负极的电流变化示意图；

图12为本发明实施例仿真分析中交流侧Y桥c相接地故障时直流融冰系统的整流装置的Y桥和D桥交流侧三相电流的变化示意图；

图13为本发明实施例仿真分析中交流侧Y桥c相接地故障时直流融冰系统的整流装置直流侧正极和负极的电流变化示意图；

图14为本发明实施例仿真分析中直流侧正极接地故障时直流融冰系统的整流装置的Y桥和D桥交流侧三相电流的变化示意图；

图15为本发明实施例仿真分析中直流侧正极接地故障时直流融冰系统的整流装置直流侧正极和负极的电流变化示意图；

图16为本发明实施例仿真分析中直流侧两极短路故障时直流融冰系统的整流装置的Y桥和D桥交流侧三相电流的变化示意图；

图17为本发明实施例仿真分析中直流侧两极短路故障时直流融冰系统的整流装置直流侧正极和负极的电流变化示意图；

图18为本发明实施例仿真分析中阀短路故障时Y桥和D桥保护动作特性示意图；

图19为本发明实施例仿真分析中交流侧Y桥c相接地故障时Y桥和D桥保护动作特性示意图；

图20为本发明实施例仿真分析中直流侧正极接地故障时Y桥和D桥保护动作特性示意图；

图21为本发明实施例仿真分析中直流侧两极短路故障时Y桥和D桥保护动作特性示意图。

具体实施方式

图1为12脉动直流融冰系统电路拓扑结构示意图，其拓扑结构及工作原理与高压直流输电工程中的整流装置基本相同，但二者也存在区别，主要在于接地点位置不同，高压直流输电工程整流装置的接地点一般选在两极中点即2组12脉动整流电路的串联电路的中点，而直流融冰系统整流装置的接地点选在1组12脉动整流电路的中点，即2组三相桥式整流电路的串联连接点处直接接地，直流融冰系统整流装置的接地点只起钳制中性点电位的作用，不提供直流通路。图1中的①-⑨标注为该整流装置可能发生的各类型故障点，图中实线框为整流装置保护区，其中上半部分假设为Y桥保护区，下半部分假设为D桥保护区，图中虚线框中为整流桥的管母线与桥臂，分别定义为S1和S2，为简化说明，Y桥上桥臂阀电流以流入S1区为正向，D桥下桥臂阀电流以流入S2区为正向，Y桥和D桥交流侧电流以流入整流装置为正向，该整流装置的直流侧正极电流i_dp和负极电流i_dn都以图1中箭头方向为正向。

以S1区为例，在直流融冰系统正常运行时，由基尔霍夫电流定律有：

i₁₁+i₃₁+i₅₁-i_dp＝0 (5)

式中i₁₁、i₃₁、i₅₁分别为流过阀11、31、51的阀电流。在直流融冰系统正常运行时，整流阀具有单向导通性，阀电流i₁₁、i₃₁、i₅₁只能为正或为零，直流侧正极电流i_dp始终为正。

在非换相期间，Y桥上桥臂3个阀中仅有一个阀导通，假设为阀11，此时正向电流i₁₁与交流侧电流有

i_acYa＝i₁₁ (6)

式中，i_acYa、i_acYb、i_acYc分别为Y桥的三相电流，此时i_acYb、i_acYc为0或反向。

在换相期间，Y桥上桥臂3个阀中会有两个阀同时导通，以阀11向阀31换相为例。此时i₁₁、i₃₁均为正向电流，则有

i_acYa＝i₁₁ (7)

i_acYb＝i₃₁ (8)

同时下桥臂中阀21导通，并有

i_acYc＝i₂₁ (9)

其中，i_acDa、i_acDb、i_acDc分别为D桥的三相电流，i₄₁、i₆₁、i₂₁分别为流过阀41、61、21的阀电流，此时i_acYc为反向电流。

对于上桥臂中其他阀导通或者换相期间，也有类似的关系存在。由于整流装置中无法测量到阀电流，但可测量到整流装置交流侧的三相电流，利用整流装置交流侧三相电流与阀电流之间的上述关系，在正常工况下由基尔霍夫电流定律可得

同理，对于区域S2也有如下关系存在

式(10)和(11)是系统正常运行时得出的测量电流关系式，当整流装置发生图1中所示的①-⑨的区内故障时，上述关系将变为

上述该变化关系通过对整流装置保护区内各种类型故障的分析逐一说明：

1、整流阀故障

阀短路是阀内部或外部绝缘损坏或被短路造成的结果，是直流融冰装置较为严重的一种故障。假设直流融冰装置Y桥阀11发生短路故障，其故障点如图3中所示。这时Y桥区域会交替地发生两相短路和三相短路，其短路回路如图3和图4所示。

故障期间，式(10)中Y桥交流侧正向电流增大，同时整个融冰装置的融冰功率下降，直流侧电流i_dp减小，式(10)不再成立，将有式(13)成立。D桥未发生故障，式(12)仍然成立。

2、整流装置交流侧故障

(1)交流侧单相接地故障

当整流装置交流侧发生单相接地故障时，故障相通过对地短路点、中性接地点、故障桥导通阀与另一相发生两相短路。假设在阀11与阀61导通期间，Y桥交流侧c相发生接地故障，故障回路如图5所示，此时等效为交流侧发生b、c相间短路。

由于阀61处于单向导通状态，Y桥b相短路电流为反向电流，c相短路电流为正向电流。这时Y桥交流侧a相和c相电流为正。由基尔霍夫电流定律并考虑阀电流与交流侧电流间的关系，区域S1有

i₁₁-i_dp＝i_acYa-i_dp＝0 (14)

而式(10)中应包含Y桥交流侧所有正向电流，故还需加上正方向的c相电流i_acYc，即i_acYa+i_acYc-i_dp，显然原有的平衡关系(10)不再成立，将有新的关系式(12)成立。

(2)交流侧相间短路故障

整流装置交流侧发生相间短路时，整流装置交流侧形成两相短路电流。假设故障发生在Y桥交流侧a相与b相之间，短路电流由b相流向a相，如图6所示。则有a相电流i_acYa为负，b相电流i_acYb为正，且正向电流i_acYb远大于正常工况时的正向电流。由阀的单向导通性，c相电流i_acYc为负或为0。因此对于Y桥将有关系式(12)成立。

当整流装置交流侧发生三相短路时，对于Y桥同样在关系式(12)成立。

3、整流装置直流侧故障

(1)直流侧单极接地故障

当整流装置直流侧发生单极接地故障时，故障点与中性接地点形成短路通路，将直流融冰装置中的一个三相桥式整流电路短路，导致该整流装置在非换相时发生两相短路，在换相时发生三相短路。

假设Y桥阀11和阀21导通时，直流融冰装置正极出线端发生接地短路故障，其故障回路如图7所示。在阀11向阀31换相时形成三相短路，短路回路如图8所示。

直流融冰系统通过故障接地点与中性接地点与非故障D桥构成新的融冰回路，使D桥负载由正常工况时的一半变为整个负载，直流融冰系统的功率与输出电流均下降。

故障期间，Y桥交流侧a相电流i_acYa为正或a、b相电流i_acYa、i_acYb均为正，c相电流i_acYc为负。交流侧短路电流幅值远大于正常工况时的交流侧电流。原有的平衡关系(10)不再成立，有新的关系(12)成立。D桥式(11)仍成立。

(2)整流装置直流侧两极直接短路故障

当直流融冰系统整流装置直流侧两极发生直接短路时，故障跨越Y桥保护区和D桥保护区，12脉动整流电路和融冰线路均被短路，短路回路如图9所示。交流侧发生多相串联短路，Y桥与D桥交流侧电流增大，融冰线路上的电流下降至零，式(10)与式(11)均不再成立，将有式(12)与式(13)成立。

从上述直流融冰系统整流装置正常工况与故障情况时差动电流的变化关系可以看出，在正常工况下Y桥与D桥均有相应的平衡关系(10)和(11)存在；当发生故障时，如果该故障在某个桥保护区内，则该桥保护区对应的平衡关系破坏。利用这种变化特征，对Y桥与D桥均配置保护动作方程，使本保护不仅具有动作于整流装置保护区内故障的功能，还具有识别故障点是在Y桥还是D桥保护区内的功能。整流装置保护的新型判据如下

Y桥保护区：

D桥保护区：

式中与为动作函数，直流融冰系统整流装置交流侧的三相电流i_acYa、i_acYb、i_acYc、i_acDa、i_acDb、i_acDc均以流入整流装置为正向，正极电流i_dp以流出整流装置为正向，负极电流i_dn以流入整流装置为正向，是指对正向i_acYj(j＝a,b,c)进行求和，是指对反向i_acDj(j＝a,b,c)进行求和，I_setY与I_setD为制动函数。

保护制动函数选取原则为区内一旦发生故障能够迅速动作，并且能够躲过正常工况下保护区外最严重故障时两测量回路电流互感器产生的最大不平衡电流。两测量回路电流互感器不平衡电流曲线如图2中曲线1所示，其中i_d为差动电流，i_res为制动电流，i_unb为电流互感器不平衡电流。为了使保护不误动同时具有较高的灵敏性，制动函数选取两折线式，如图2中曲线2所示。制动函数为

I_setY＝max(I₀,ki_dp) (3)

I_setD＝max(I₀,ki_dn) (4)

制动函数中参数取I₀为直流融冰系统的额定电流的0.5倍，k取0.2。

由上述可得一种适用于直流融冰系统整流装置的管母线电流差动保护方法，应用于12脉动整流装置，该12脉动整流装置包括2个三相桥式整流电路：Y桥和D桥，其中Y桥的直流侧为正极出线端，D桥的直流侧为负极出线端，其特征在于：该方法包括以下步骤：

a、测量直流融冰系统整流装置交流侧的三相电流i_acYa、i_acYb、i_acYc、i_acDa、i_acDb、i_acDc，其中，i_acYa、i_acYb、i_acYc为Y桥交流侧的三相电流，i_acDa、i_acDb、i_acDc为D桥交流侧的三相电流，以及测量直流融冰系统整流装置直流侧的正极电流i_dp和负极电流i_dn；

b、判断所测量得到的直流融冰系统整流装置交流侧的三相电流i_acYa、i_acYb、i_acYc、i_acDa、i_acDb、i_acDc、以及直流融冰系统整流装置直流侧的正极电流i_dp和负极电流i_dn是否满足以下判据：

式中与为动作函数，直流融冰系统整流装置交流侧的三相电流i_acYa、i_acYb、i_acYc、i_acDa、i_acDb、i_acDc均以流入整流装置为正向，正极电流i_dp以流出整流装置为正向，负极电流i_dn以流入整流装置为正向，是指对正向i_acYj(j＝a,b,c)进行求和，是指对反向i_acDj(j＝a,b,c)进行求和，I_setY与I_setD为制动函数，而制动函数I_setY和I_setD分别为：

I_setY＝max(I₀,ki_dp) (3)

I_setD＝max(I₀,ki_dn) (4)

式中I₀为该直流融冰系统的额定电流的0.5倍，k取0.2；

c、若满足判据式(1)，则判定为Y桥区内故障，Y桥差动保护动作，若否，则Y桥差动保护不动作；若满足判据式(2)，则判定为D桥区内故障，D桥差动保护动作，若否，则D桥差动保护不动作。

由上述可知，本发明可对直流融冰系统中的整流装置进行保护，当直流融冰系统中的整流装置出现各类故障时，通过上述方法可对其进行差动保护，保证设备在安全可靠的状况下运行，本发明的制动函数进一步考虑了两测量回路电流互感器不平衡电流的影响，变为两折线式的制动函数，保护不误动且具有较高的灵敏性，更安全可靠，且具有故障桥定位功能，若满足判据式(1)，则可定位故障桥为Y桥，若满足判据式(2)，则可定位故障桥为D桥。

仿真分析

1、故障特性仿真

以南方电网公司某直流融冰系统为例建立PSCAD仿真模型。直流融冰系统采用定电流控制，额定电流为4.5kA，融冰线路为350km交流架空线，直流融冰系统正负极分别接于线路a相与c相，线路末端三相直接短路。故障发生时刻为4.050s，发生不同类型故障时整流装置交、直流侧电流变化情况仿真结果如下所示。

Y桥阀11发生短路故障，整流装置交、直侧电流变化关系如图10、11所示。可以看出，故障Y桥交流侧电流迅速增大，非故障D桥交流侧电流略微减小。直流侧正负极电流变化相同，均减小了约0.75kA，最后趋于稳定。

从图12、13中可以看出，Y桥交流侧c相发生接地故障时，故障结果与阀短路时相似。由于交流侧两相直接发生的短路，短路回路中少了整流阀，短路电流的最大值较阀短路更大。

整流装置直流侧正极发生接地故障时仿真结果如图14、15所示。从仿真图中可以看出，故障Y桥交流侧三相电流的峰值比正常时增大约5倍。非故障D桥交流侧三相电流峰值略微减小。正负极电流变化相同，都减小至3.00kA左右。

整流装置直流侧两极直接短路时，Y桥与D桥均故障，仿真结果如图16、17所示。从仿真图中可以看出，Y桥与D桥交流侧三相电流峰值比原来增大5倍左右。融冰线路被短路，直流侧两极电流迅速减小，最后稳定在0。

2、动作特性仿真

分别采用基于动作方程式(1)和式(2)的阀短路保护，对直流融冰系统模型区内故障进行测试，得到如下各种整理器保护区内故障时的动作特性。图18、19、20、21中曲线为不同类型故障时差动电流与制动电流的波形。

仿真结果表明，对于整流装置保护区内发生的各种故障，本发明提出的基于式(1)和式(2)的阀短路方程均能快速、可靠动作。同时，两折线式的制动函数使本保护具有良好的灵敏性和选择性。

本发明所针对的是直流融冰系统整流装置的保护，判断过程充分利用了整流装置交、直流侧正常工况与故障时刻下的变化关系，在此基础上得到的保护动作方程有效地反应整流装置保护区内的各种故障，并具有故障桥定位的功能。本保护的制动函数进一步考虑了两测量回路电流互感器不平衡电流的影响，对传统阀短路保护的制动函数进行改进，变为两折线式的制动函数，提高了保护的可靠性。

上列详细说明是针对本发明之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (1)

1.适用于直流融冰系统整流装置的管母线电流差动保护方法，应用于12脉动整流装置，该12脉动整流装置包括2个三相桥式整流电路：Y桥和D桥，其中Y桥的直流侧为正极出线端，D桥的直流侧为负极出线端，其特征在于：该方法包括以下步骤：

a、测量直流融冰系统整流装置交流侧的三相电流i_acYa、i_acYb、i_acYc、i_acDa、i_acDb、i_acDc，其中，i_acYa、i_acYb、i_acYc为Y桥交流侧的三相电流，i_acDa、i_acDb、i_acDc为D桥交流侧的三相电流，以及测量直流融冰系统整流装置直流侧的正极电流i_dp和负极电流i_dn；

b、判断所测量得到的直流融冰系统整流装置交流侧的三相电流i_acYa、i_acYb、i_acYc、i_acDa、i_acDb、i_acDc、以及直流融冰系统整流装置直流侧的正极电流i_dp和负极电流i_dn是否满足以下判据：

$|\underset{i_{\mathrm{acYj}>0}}{\mathrm{\Σ}}{i}_{\mathrm{acYj}}-i_{\mathrm{dp}}|>I_{\mathrm{setY},j=a,b,c---\left(1\right)}$

$|\underset{i_{\mathrm{acDj}<0}}{\mathrm{\&Sigma;}}{i}_{\mathrm{acDj}}-i_{\mathrm{dn}}|>I_{\mathrm{setD},j=a,b,c---\left(2\right)}$

式中与为动作函数，直流融冰系统整流装置交流侧的三相电流i_acYa、i_acYb、i_acYc、i_acDa、i_acDb、i_acDc均以流入整流装置为正向，正极电流i_dp以流出整流装置为正向，负极电流i_dn以流入整流装置为正向，是指对正向i_acYj(j＝a,b,c)进行求和，是指对负向i_acDj(j＝a,b,c)进行求和，I_setY与I_setD为制动函数，而制动函数I_setY和I_setD分别为：

I_setY＝max(I₀,ki_dp) (3)

I_setD＝max(I₀,ki_dn) (4)

式中I₀为该直流融冰系统的额定电流的0.5倍，k取0.2；

c、若满足判据式(1)，则判定为Y桥区内故障，Y桥差动保护动作，若否，则Y桥差动保护不动作；若满足判据式(2)，则判定为D桥区内故障，D桥差动保护动作，若否，则D桥差动保护不动作。