厦门柔直工程高频谐波保护配置方案

厦门柔直工程在极保护（poleprotection,PPR）系统中增设谐波保护跳闸功能，其包含网侧电压谐波畸变率保护、阀侧谐波电流保护及桥臂电抗器谐波过负荷保护。谐波保护配置如图1所示，图1中Us为网侧交流电压，IVC为换流器阀侧电流，IBP、IBN为换流器上、下桥臂电流。


图1谐波保护配置

网侧电压谐波畸变率保护

网侧电压谐波畸变率保护逻辑是分相提取网侧交流电压Us的2～40次谐波，计算出每相总谐波畸变率（totalharmonicsdistortion,THD）大小，若大于网侧电压基波额定值的7%，则延时10s保护报警出口。为防止变压器涌流冲击的影响，对7次及以下各次谐波进行2%限幅，并经Us基波闭锁。网测电压谐波畸变率保护逻辑示意图如图2所示。


图2网侧电压谐波畸变率保护逻辑示意图

阀侧谐波电流保护

浦园、鹭岛换流站的换流变压器分别为特变电工沈阳变压器集团有限公司生产的ZZDFPZ—176700/220—320型和山东电力设备有限公司生产的ZZDFPZ—176700/230—320型分相双绕组油浸式有载调压变压器。

根据厂家提供的换流变谐波耐受能力值，考虑额定运行工况下，叠加不同水平的谐波量，谐波电流计算至40次，确定换流变在额定运行工况下的耐受时间。以换流变阀侧额定相电流峰值作为基准值Ib_nom(2598.14A)，根据厂家提资数据，采用曲线拟合的方式，将不同频次电流转换为同一频率下的等效总热电流，用于判断设备耐受时间。厦门柔直工程两站阀侧谐波电流保护曲线拟合后的动作特性示意图如图3所示。


图3两站阀侧谐波电流保护曲线拟合后动作特性示意图

阀侧谐波电流保护逻辑是分相提取换流变阀侧交流电流IVC的2～40次谐波，根据提取拟合后的IVC_THD谐波大小范围自动切换输出至对应段谐波保护元件，若满足该段谐波保护元件的判据，则保护动作出口闭锁换流器、跳开网侧和阀侧断路器，并启动网侧开关失灵保护；反之则保护不动作。阀侧谐波电流保护逻辑示意图如图4所示。


图4阀侧谐波电流保护逻辑示意图

桥臂电抗器谐波过负荷保护

浦园、鹭岛换流站的桥臂电抗器分别为西安中扬电气股份有限公司生产的PKDGKL—160—1600—60型和北京电力设备总厂生产的PKK—320—100/600—60型干式电抗器。根据厂家提供信息，考虑趋肤效应系数影响的电抗器过负荷能力值，确定桥臂电抗器过负荷保护的基准电流IB、动作定值kIB、时间常数τ等。

电抗器过负荷保护逻辑是分别提取上、下桥臂每相交流电流IBP、IBN的2～40次谐波，提取的谐波电流分别与对应的谐波次数趋肤效应系数相乘后，输出至桥臂电抗器反时限保护元件进行反时限计算，桥臂电抗器过负荷保护采用符合IEC60255-8标准的反时限特性曲线方程，即


式（1）

式（1）中：T为动作时间；τ为热过负荷时间常数，也称散热时间常数；IB为热过负荷基准电流，也称持续运行电流；k为热过负荷动作定值系数，也称长期过载倍数；I为上桥臂交流相电流IBP或下桥臂交流相电流IBN的2～40次谐波电流值。待持续热积累值达到反时限动作值时，动作出口，闭锁换流器、跳开网侧和阀侧断路器，并启动网侧开关失灵保护。桥臂电抗器谐波过负荷保护逻辑示意图如图5所示。


图5桥臂电抗器谐波过负荷保护逻辑示意图

高频谐波保护跳闸回路

厦门柔直工程极保护系统采用三重化配置，三套极保护动作后分别输出至三取二主机A、B及极控制系统值班主机，经“三取二”逻辑判断满足条件后，驱动IO板卡出口跳闸。保护跳闸回路示意图如图6所示。


图6保护跳闸回路示意图

本文作者及团队人员通过对新增设的谐波保护跳闸功能进行仿真验证和现场试验，验证了方案的可行性。同时对在试验过程中发现保护逻辑存在的不足之处，提出了相应优化措施，如：①阀侧谐波电流保护的相邻段保护动作区可相互交叉，以躲过阀侧高频振荡幅值振摆范围，或者谐波幅值大于该段保护动作区时计时器仍继续积计，小于该段动作区时则清零；②桥臂电抗器过负荷保护动作出口仅闭锁换流器、跳开网侧和阀侧断路器，不启动网侧开关失灵保护。


厦门柔性直流工程直流阀厅图

本工作成果发表在2023年第10期《电气技术》，论文标题为“厦门柔直工程高频谐波保护方案分析与试验”，作者为陈明泉、肖世挺等。