特高压直流输电中性点偏移保护的研究

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特高压直流输电中性点偏移保护是换流变压器充电后、直流系统解锁前重要的直流保护。晋北换流站和广固换流站进行直流系统调试时，换流变压器充电后阀侧电压异常，但中性点偏移保护都没有有效识别，为直流系统解锁带来隐患。

许继电气股份有限公司的研究人员罗磊、艾红杰，在2020年第11期《电气技术》杂志上撰文，阐述了中性点偏移保护的工程应用，分析换流变压器阀侧电压异常时中性点偏移保护拒动的原因，对中性点偏移保护功能和保护定值进行研究，提出中性点偏移保护判据的优化策略，给出更为合理的保护定值设置建议。通过实时数字仿真试验验证，当阀侧电压出现异常时，优化后的策略可以有效检测和识别，能够提高中性点偏移保护在工程应用中的可靠性。

中性点偏移保护配置在直流保护系统的换流器保护中，是换流变压器充电后、直流系统解锁前的重要保护，能够检测换流变压器与换流阀连接线上的单相接地故障和电压异常，防止直流系统带故障或带隐患解锁。

晋北—南京特高压直流输电工程晋北站换流变压器充电后，通过充电波形观察到换流变压器阀侧某相电压反相，中性点偏移保护没有动作。

扎鲁特—广固特高压直流输电工程广固站换流变压器充电后，通过充电波形监测到换流变压器阀侧两相电压相序相同，中性点偏移保护没有动作。

针对这两次换流变压器充电后阀侧电压异常工况，如果没有保护系统有效检测，可能导致直流系统带隐患解锁。

本文将根据这两次换流变压器充电后阀侧电压异常的问题，查找中性点偏移保护没有告警或动作的原因，分析保护与定值配合存在的漏洞与隐患，重新思考中性点偏移保护的设计思路，给出中性点偏移保护功能和保护定值的优化建议。通过实时数字仿真（real time digital simulator, RTDS）试验验证，优化后的策略能够有效解决阀侧电压异常时中性点偏移保护拒动的问题。

1  中性点偏移保护工程应用

换流变压器套管装有末屏电压分压器，通过就地端子箱将换流阀Y桥电压UVY和D桥电压UVD分相接入直流保护系统。对于每个六脉动换流桥，直流保护系统配置中性点偏移保护，如图1所示。

图1  中性点偏移保护配置示意图

中性点偏移保护主逻辑只在换流阀闭锁时起作用，分别计算换流阀Y桥和D桥对地电压矢量和，如果换流阀未解锁且没有发生接地故障，阀侧对地电压矢量和为零。由于换流变压器阀侧为中性点不接地系统，在发生单相接地故障时，只要换流阀未解锁，不会有严重的故障电流出现，但健全相相对地电压升高，在相对地电压中会出现明显的零序分量，若长期运行对变压器的绝缘不利。中性点偏移保护检测这种零序电压分量并将其与设定值比较，保护逻辑如图2所示。

图2  中性点偏移保护逻辑示意图

特高压直流输电工程中，换流阀额定电压为基准电压UN，以标幺值表示为1p.u.，中性点偏移保护定值Uset通常设置为1.8p.u.，当三相零序电压3U0大于1.8p.u.时保护延时6s动作，跳开交流断路器并请求控制系统执行Y闭锁，当保护动作后，分相检测相电压，小于0.5p.u.时发出分相的告警信息至运行人员监控系统，方便运检人员定位故障相。同时保护配置PT断线逻辑进行辅助判断，只有在一相或两相有压、剩余相无压时，会发出告警信息至运行人员监控系统。

换流变压器阀侧为中性点不接地系统，直流系统解锁前，当换流变压器阀侧区域发生单相接地故障时，不会形成较大的差流，换流变压器差动保护不会动作，当换流变压器阀侧区域发生两相短路故障或两相短路接地故障时，会产生较大的故障电流，换流变压器差动保护能够检测到较大差流并且快速动作。因此，直流系统解锁前，中性点偏移保护是应对换流变压器阀侧区域发生单相接地故障时的惟一保护，也是能够检测阀侧电压异常的惟一保护。

2  换流变阀侧电压异常保护拒动原因分析

2.1  晋北站电压异常问题分析

晋北—南京特高压直流输电工程晋北站于2017年3月28日极1低端换流变压器进行第一次充电，换流阀Y桥A相电压接近反相，换流变压器阀侧三相电压波形如图3所示。对一次设备检查发现PT二次侧A相电压反接，但中性点偏移保护没有动作，站内监控系统也未报出任何异常告警信息。

图3  晋北站换流变压器充电阀侧电压波形图

从波形文件可以看出A相电压相位异常，现场检查发现A相电压反相。由于电缆长度较长，其产生的容性负载导致A相电压反接后，角度不是理想的180°，而是168.1°，由对称分量算法得到零序电压计算值3U0calc为1.98p.u.。

换流变压器分接头当前档位n在14档，换流变压器分接头额定档位N在26档，分接头一档步长为1.25%。通过计算零序电压当前值3U0为1.71p.u.，小于保护定值1.8p.u.，保护没有动作。

2.2  广固站电压异常问题分析

扎鲁特—广固特高压直流输电工程广固站于2017年9月28日对极2低端换流变压器进行第一次充电，通过内置录波查看阀侧A相电压与B相电压相位相同，如图4所示。

图4  广固站换流变压器充电阀侧电压波形图

现场检查确认为PT二次侧A相电压接线错误，中性点偏移保护没有动作，站内监控系统也未报出任何异常告警信息。

根据波形文件分析，A相电压角度异常，与B相相位相同，由对称分量法可知零序电压计算值3U0calc为1.5p.u.，换流变压器分接头当前档位n在20档，额定档位N在26档，由式（1）计算换流变阀侧电压当前值E为0.93p.u.，由式（2）计算零序电压当前值3U0为1.395p.u.，小于预定值1.8p.u.，保护没有动作。

3  中性点偏移保护存在的问题及解决方案

3.1  换流阀三相电压检测盲区

换流变压器充电后、直流系统解锁前，稳态工况下换流变压器阀侧始终处于无流状态，因此中性点偏移保护的辅助判据PT断线逻辑仅能检测到一相或两相有压、其余相无压的工况。以上两个工程调试期间出现的换流变压器充电后阀侧电压异常情况，均没有某相电压接近于零，为非接地故障。

因为换流站建设期间施工调试目前国内不具备足够大功率的试验仪器对一次设备进行加压，并且阀侧电压的测试也不在后续分系统试验的测试要求和测试范围内，因此对换流变压器阀侧电压的检测属于试验盲区，而这个盲区又没有保护系统对其进行监测，当阀侧电压出现异常时，可能造成直流系统无法顺利解锁。

目前的中性点偏移保护配置只能检测换流变压器阀侧PT断线，或者当发生换流变压器阀侧单相接地故障保护动作后的某相电压缺失。如果换流变阀侧电压因非接地故障出现异常，运行人员监控系统不会收到保护系统报出的任何告警信息，无法得知直流系统存在隐患。因此现有中性点偏移保护配置方案就显出了一定的局限性。

3.2  保护定值的灵敏系数较低

中性点偏移保护在最初的特高压直流输电工程中动作定值为0.5p.u.，定值小于1p.u.，PT断线会导致保护误动作，因此后续特高压直流输电工程中提高动作定值为1.8p.u.，保证单相PT断线故障时保护不误动，也能够检测单相接地故障导致的换流变压器阀侧电压异常。

动作定值的提高，有效地防止了保护误动，但同样减小了保护的检测范围和灵敏系数。

晋北站和广固站换流变压器分接头额定档位N在26档，在直流系统降压解锁和运行时，换流变压器分接头初始档位可能在最低档1档，根据式（1）计算换流变阀侧电压当前值E为0.762p.u.。当换流变压器阀侧发生单相接地故障时，零序电压计算值3U0calc为3p.u.，根据式（2）计算零序电压当前值3U0为2.285p.u.。由零序电压当前值3U0和保护定值可以计算出定值的灵敏系数，灵敏系数为故障量与整定值之比。

公式3中：Uset为保护定值；Ksen为灵敏系数。计算不仅考虑金属性接地故障，还需要考虑系统最不利的运行方式，由公式3计算出中性点偏移保护的灵敏系数Ksen为1.269，灵敏度较低。

3.3  解决方案

中性点偏移保护除保留现有的PT断线逻辑外，增加一段低定值告警逻辑，可有效避免换流阀三相电压异常检测盲区。

如果换流变阀侧电压异常是非故障引起的，在短时间内并不会对系统的正常运行带来影响，因此不建议保护动作跳交流开关或闭锁直流系统，可在保护系统中增加换流阀电压异常的告警判断逻辑，检测接线错误引起的相序错误、相位错误导致零序电压异常。

在中性点偏移保护中增加一段告警段：当阀侧零序电压大于1.2p.u.时，延时10s，保护发出告警信息至运行人员监控系统，逻辑如图5所示，可作为现有中性点偏移保护逻辑的有效补充。

图5  中性点偏移保护补充告警段逻辑示意图

中性点偏移保护虽然检测的是电压元件，实际是防止解锁时因换流变压器阀侧单相接地故障造成的换流阀过电流，中性点偏移保护作为主保护，工程中只有其冗余系统保护作为后备保护。按继电保护整定规范要求，主保护的电流或电压元件最小灵敏度应在1.3～1.5。因此现有工程定值灵敏系数Ksen偏小，不符合规范要求。

特高压直流工程中换流变压器分接头调档范围可能不同，换流变阀侧电压当前值E也会不同，换流阀零序电压3U0也不相同，中性点偏移保护动作段定值设置应考虑换流变分接头在最低档位时有足够的灵敏度。以常规换流变分接头额定档位26档为参考，定值灵敏度不应低于1.3，由公式3计算定值Uset为1.76p.u.，比原定值1.8p.u.更为合理，满足可靠性要求，且不同工程该定值通用性将有所提高。

3.4  仿真验证

RTDS仿真试验模拟换流变分接头档位在最低档位（额定为26档），阀侧A相电压反相时新增告警段逻辑可正确出口，如图6所示。

图6  阀侧电压A相反相仿真波形

模拟换流变分接头档位在最低档位（额定为26档），阀侧A相电压与B相电压同相位时新增告警段逻辑可正确出口，如图7所示。

图7  阀侧电压A相与B相同相位仿真波形

仿真模拟验证新增告警段逻辑能够检测非正常工况下的电压异常情况，可有效防止因阀侧电压相序异常导致中性点偏移保护拒动。

4  结论

直流保护系统以检测系统中存在的故障为主要目的，但是在直流工程建设越来越成熟的今天，对于系统中的异常工况和隐患，同样需要全面检测并及时将异常信息送至运行人员监控系统，便于运行人员第一时间发现并解决问题。保护系统不应存在任何检测盲区，保护定值灵敏度应满足规范并适应工程应用。

中性点偏移保护作为直流解锁前换流变压器和换流阀之间区域的最后一道关卡和保障，有显而易见的特殊性和关键性。

本文根据两个工程案例，分析了中性点偏移保护存在的检测盲区，给出了保护判据的优化策略和保护定值的优化建议。通过RTDS仿真试验验证新增告警段逻辑能够有效防止因阀侧电压相序异常导致中性点偏移保护拒动，提升了中性点偏移保护的可靠性，为今后直流输电工程中性点偏移保护设计提供参考。