南澳多端柔性直流输电工程高压直流断路器本体故障控制保护策略研究及验证

2 机械式高压直流断路器本体故障

应用于南澳多端柔性直流输电工程的机械式高压直流断路器在运行中可能出现的故障包括误合、误跳、拒分和拒合4种故障。以下对这4种开关故障对工程运行的影响及其控制保护策略进行分析,其控制保护架构如图4所示,包括直流控制和保护、直流断路器集控单元等。

图4 控制保护架构

2.1 直流断路器集控单元与直流控制保护的配合

直流断路器的故障按等级分为3类：一般故障、严重故障和分闸失败。其配合关系为：

1)直流控制收到直流断路器集控单元的“一般故障”信号,不做处理;此时若青澳换流站及青汇线发生故障,则3站全部停运。

2)直流控制收到直流断路器集控单元的“严重故障”信号,则发跳直流断路器指令并且闭锁青澳换流站。

3)若直流控制收到直流断路器集控单元的“严重故障”且“分闸失败”信号,则3站全部停运。

2.2 直流断路器误合

直流断路器误合为直流断路器在分闸状态且没有合闸指令的情况下,直流断路器一个或多个断口自动合上的故障。这种类型的故障对直流断路器本体和工程运行的影响较小,原因一是当直流断路器在分闸状态时,其两侧的隔离开关处于分闸状态,此时直流断路器的分闸、合闸不受限制;二是当进行第3站在线投入时,虽然此时直流断路器两侧的隔离开关处于合闸状态,但是由于两侧的电位基本相等,直流断路器的误合不会造成直流断路器真空断口的击穿损坏。

直流断路器集控单元自保护策略如下：

1)无合闸命令且自分闸已成功,直流断路器处于分位(4个断口处于分位且一致),开始检查断口位置。

2)如果检测断口合位数不等于0,置一般故障信号,启动自保护分闸延时,同时拒分拒合操作;1 ms延时后自保护分闸执行。

3)自保护分闸操作10 ms后检测断口状态：如果断口分位数等于4,取消拒分拒合状态;如果断口分位数不等于4,置严重故障信号,且取消拒分拒合状态。

2.3 直流断路器误跳

直流断路器误跳是指直流断路器在合闸状态且没有分闸指令的情况下,直流断路器一个或多个断口处于分闸燃弧的状态。这种类型的故障对多端系统和直流断路器本体会造成损害,直流断路器集控单元自保护策略如下：

1)无分闸命令且自合闸已成功,直流断路器处于合位(4个断口处于合位且一致),开始检查断口位置。

2)如果检测分位数不等于0,置一般故障信号,启动自保护合闸延时,同时拒分拒合操作;1 ms延时后自保护合闸执行。

3)自保护合闸操作15 ms后检测断口状态,如果合位数等于4,取消拒分拒合状态;如果合位数不等于4,置严重故障信号,取消拒分状态。

2.4 直流断路器拒分

直流断路器拒分是指直流断路器在收到控制或保护跳闸指令的情况下,拒绝分闸或分闸不成功。其自保护策略为：

1)收到分闸指令后立即执行,10 ms后检测直流断路器是否分闸成功。

2)如果有以下情况之一,判为分闸失败：

①检测到断口仍然有电流;②2个或2个以上断口还是处于合位。

3)上面任意条件成立,置严重故障和分闸失败信号,同时置拒分拒合;启动自保护合闸延时,1 ms延时后自保护合闸执行。

2.5 直流断路器拒合

直流断路器拒合是指直流断路器在收到直流控制合闸指令的情况下,拒绝合闸或合闸不成功。其自保护策略为：

1)合闸操作20 ms后开始检测断口状态。

2)如果检测到4个断口合位数不等于4,置一般故障,启动自保护分闸延时,同时拒分拒合操作;1 ms延时后自保护分闸执行。

3)自保护分闸操作10 ms后检测断口状态,如果4个断口分位数等于4,取消拒分拒合状态;如果4个断口分位数不等于4,置严重故障和分闸失败信号。

3 试验验证

3.1 实时仿真系统

为验证所提控制保护策略的正确性,搭建了实时仿真系统,如图5所示。其中,直流控制保护和直流断路器集控单元的配置与工程现场一致;RT- LAB仿真配置包括：一台OP5600仿真机,用于模拟交直流系统、直流断路器一次回路和塑城换流站的模拟量和数字量的传输;一台OP7000仿真机,分别模拟塑城、金牛和青澳换流站的模块化多电平换流阀;一台IO扩展机箱,用于青澳换流站模拟量和数字量的传输;一台OP5607仿真机,用于金牛换流站模拟量和数字量的传输,以及与直流断路器集控单元的数据通信。

3.2 直流断路器误合

在塑城—金牛两端交直流并联满功率运行、青汇线极连接、青澳换流站极连接且STATCOM解锁运行、直流断路器本体支路在“热备用”状态的工况下,RT-LAB模拟直流断路器误合,直流断路器集控单元报“严重故障”,塑城—金牛保持两端正常运行,青澳换流站STATCOM继续运行,试验结果符合预期。

3.3 直流断路器误跳

1)试验验证1。

图5 实时仿真系统

在直流断路器工作状态和3站交直流并联满功率稳态运行的工况下,RT-LAB模拟正极直流断路器误跳,直流断路器启动自保护且无法成功自合闸,直流断路器集控单元报“严重故障”;直流控制收到“严重故障”信号后发跳闸直流断路器指令无法跳开直流断路器,3站全部停运。仿真波形如图6所示,可见3站正确闭锁停运,符合试验预期。

图6 直流断路器误跳且自合闸失败