直流融冰控保装置阻抗保护误动分析

田湘贵，张鹏，罗义晖，欧俊延，夏武

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司柳州局，广西柳州，545000）

0 引言

本文结合阻抗保护逻辑与故障录波图分析了阻抗保护II段的动作原因，根据阻抗保护原理分析计算出为避免保护误动阻抗保护定值的整定范围，并对阻抗保护的使用提出一些建议。

1 阻抗保护动作分析

在对线路开展融冰试验时，站内采用的是电流分段提升的方案。首先，以500A的目标电流解锁融冰系统，然后稳定10min，无异常后将融冰电流提升至1200A并保持10min，若无异常再将融冰电流提升至2400A，保持10min,最后再将融冰电流提升至线路额定融冰电流3600A。从融冰装置解锁至将融冰电流稳定在2400A的过程中并无异常现象出现，最后准备将电流稳定在线路融冰试验电流3600A，在融冰电流由2400A升至3600A的过程中，当电流到达3000A时线路阻抗II段保护动作，闭锁融冰装置并跳开融冰系统交流侧断路器，保护动作事件SER如图1所示。

图1 线路阻抗II段保护动作SER

从保护动作事件SER可以看出，控保A系统动作时保护逻辑单元根据直流电压电流采样所算得接地电阻为1.7101Ω，保护动作移相闭锁阀。

跳闸时故障录波的电压电流波形如图2所示。

图2 电压电流波形

直流融冰装置保护中阻抗保护Ⅱ段逻辑框图如图3。

图3 阻抗保护II段逻辑框图

Ud1:直流正极母线电压；

Ud2:直流负极母线电压；

Id1:直流侧正极电流；

Id2:直流侧负极电流；

Rset：线路电阻整定值定值；

k2：线路阻抗Ⅱ段保护定值。

根据波形的直流电流、电压数据计算,得出线路阻抗约为 R=（|Ud1|-|Ud2|）/Id1=(3.167+2.064)/3.075=1.7Ω，与SER报文一致，小于线路阻抗定值2.175Ω（该定值根据实际线路阻抗确定）。然而根据融冰系统控保装置的阻抗保护原理，当换流阀直流侧发生断线故障或线路短接点直流电阻过大时，阻抗保护才动作，因此此时阻抗保护II段不应该动作。

通过将故障时的直流电压、电流等数据代入阻抗保护判据，可得线路融冰试验时导致保护误动的判据为判据1及判据2：

保护动作前直流正负极电压平均值如下：正极电压Ud1=3.167kV，负极电压Ud2=-2.064kV。线路阻抗Ⅱ段保护定值k为2，Id1为3075A，Rset 整定为2.175Ω。将数据代入式（1）得 ：

左半部分为：

右半部分为：

由于8.145＞6.69，可知阻抗保护判据满足，保护正常动作。因为融冰系统中电流是由正极流向负极，由此可知Id1=Id2,同理可得判据2同样满足。

其中判据3及判据4为：

同样将数据代入式（3）可得：

左半部分为：

右半部分为：k2*Rset=2*2.175=4.35。

由于1.701＜4.35，可知阻抗保护判据不满足。因为融冰系统中电流是由正极流向负极，由此可知Id1=Id2,同理可得判据4同样不满足。

根据阻抗保护二段动作判据1：||Ud1|+|Ud2|-k2*Id1*Rset|＞Id1*Rset。线路正常融冰时极间电压|Ud1|+|Ud2|≈Id1*Rset，则根据保护原理k2应小于2。同理，根据判据阻抗保护二段动作判据3：（（|Ud1|+|Ud2|）/Id1）＞k2*Rset，则K2应大于1。而本次融冰试验由于k2定值设置为2，不满足k2＜2，因此造成阻抗保护二段误动。

2 阻抗保护定值整定分析

根据中国南方电网有限责任公司企业标准Q/CSG1203034-2017《直流融冰装置控制保护技术规范》，融冰装置的线路阻抗保护应包括以下功能：

（1）在融冰时，避免设备运行在所融线路断线等故障状态；

（2）配置Ⅰ段阻抗保护，并配置线路阻抗监视告警段。配置Ⅱ段阻抗保护，保护动作后换流阀移相闭锁，交流断路器延时跳闸，并锁定交流断路器；

（3）在空载升压试验或零功率试验时，应自动根据控制模式退出该保护；

（4）告警和动作段可以分别投退，且至少预设十组线路阻抗参数。

根据此规范当换流阀直流侧发生断线故障或线路短接点直流电阻过大时，该保护应动作并闭锁直流融冰系统。

由于线路阻抗设定值为理想情况下根据线路单位电阻乘线路长度计算所得，实际该值与线路阻抗实际值存在约10%误差，并考虑到各级隔离开关、金具接触点的接触电阻以及平波电抗器的电阻，也存在10%左右误差，除此之外，在输电线路融冰过程中随着输电线路温度的变化，输电线路的电阻也会发生一定变化，另外，输电线路融冰过程中产生的感应电压对阻抗的计算也存在一定影响。根据以往的工程经验，在考虑各种极端的工况的情况下，最大曾有30%的误差，因此，为避免阻抗保护误动，在极端工况下阻抗出现30%误差时保护应不动作。

在极端的工况下，输电线路阻抗值出现30%误差时，式（1-1）中 ||Ud1|+|Ud2|-k2*Id1*Rset|＞Id1*Rset 的左半部分|Ud1|+|Ud2|等于1.3*Id1*Rset或0.7Id1*Rset，即

为保证保护在此误差下阻抗保护可靠不动作，k2取值范围应在0.3至1.7之间。

同理可得，阻抗保护二段判据3中（（|Ud1|+|Ud2|）/（Id1或 Id2））＞k2*Rset的左半部分（|Ud1|+|Ud2|）/（Id1或Id2）等于1.3*Rset或0.7*Rset，为保证保护在此误差下阻抗保护可靠不动作，要求k2取值应在1.3以上。

综上所述，为避免在最极端工况下阻抗保护误动，要求k2的取值范围应在1.3-1.7之间。

另外，由于阻抗保护功能主要是对线路出现断线时对融冰系统进行保护，而对于线路断线，融冰控保系统以直流过压保护为主保护。融冰控保装置设置了3段过压保护，I段过压保护定值为0.6pu；II段过压保护定值为0.7pu；III段过压保护定值为0.85 pu。根据仿真计算，融冰线路（线路融冰及地线融冰）断线后，融冰系统的直流电压将升高至24kV=1.6pu以上，直流过压保护完全可以保护融冰线路断线的情况。

除此之外，考虑到阻抗保护定值的设定相对复杂，比较容易受到环境影响导致阻抗保护误动，因此建议可选择将阻抗保护退出。

3 结论

本文通过分析融冰控保装置阻抗保护误动作的波形及阻抗保护动作逻辑，得出阻抗保护定值整定不合理以致阻抗保护误动的结论。并进一步对融冰控保系统阻抗保护的定值整定进行计了算分析，得出为避免在最极端工况下阻抗保护误动，要求阻抗保护定值的取值范围应在1.3-1.7之间。

此外，由于融冰控保系统的阻抗保护功能主要是针对融冰过程中输电线路出现断线的情况进行保护，而对于线路断线的情况，融冰控保系统以直流过压吧保护为主保护，在线路断线时融冰系统能够得到有效保护，并且阻抗保护定值设定相对复杂，容易受到环境影响导致保护误动。因此在直流过压保护能可靠动作的情况下建议可选择将阻抗保护退出。