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柔性直流输电系统的阻尼低、惯性小,直流线路发生故障时故障电流迅速增大,即使闭锁换流站,交流系统也将与绝缘栅双极型晶体管 (insulated gate bipolar transistor,IGBT)的反向并联二极管构成三相不控整流电路,持续地向故障点馈入极大的故障电流[10-11]。图2分别给出了线路两端不装平波电抗器和装有200 mH平波电抗器的情况下,在与R1相距10 km的F1处发生双极故障时,测量点R1处的正极电流。图中0 s位置处对应于故障发生时刻,换流站的主要仿真参数如表1所示,其中换流站1采用定直流电压控制,换流站2采用定有功控制,换流站3和4采用直流电压下垂控制。
从图2可以看出,在线路两端未加装平波电抗器的情况下,当发生区内双极故障时,线路一端的电流在故障后2 ms时已经上升到30 kA,超出了现有的直流断路器的最大分断能力25 kA[12];为了抑制直流线路发生故障后故障电流的上升速度,为直流线路的保护和直流断路器的动作争取一定的时间,直流电网中应当采用一定的故障限流措施,张北柔性直流电网示范工程将在每条直流线路两端加装平波电抗器,其典型值为200 mH。从图2可以看出,加装200 mH平波电抗器后,在故障后2 ms时电流仅5 kA左右,即使在故障后6 ms时电流也未超过直流断路器的最大分断能力,故障电流的上升速度得到了极大的抑制。针对张北±500 kV柔性直流电网,国家电网公司要求保护系统需要在6 ms内实现故障的隔离和清除,其中留给断路器的动作时间是3 ms,因此要求继电保护装置能够在3 ms内正确识别故障并动作。这对线路保护的速动性提出了极为严苛的要求,同时还要保证保护的可靠性、选择性和灵敏性。
本文在柔性直流电网对故障处理和线路保护的特殊需求的基础上,分析了现有直流线路保护所存在的问题,提出了柔性直流电网线路保护的配置方案,并指出了其中所面临的关键问题和挑战及今后可能的研究方向。同时还分析比较了柔直电网线路保护和传统直流线路保护、交流线路保护配置方案的异同,对于我国在建的柔直电网具有参考价值。
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