中性點(diǎn)偏移保護(hù)配置在直流保護(hù)系統(tǒng)的換流器保護(hù)中，是換流變壓器充電后、直流系統(tǒng)解鎖前的重要保護(hù)，能夠檢測換流變壓器與換流閥連接線上的單相接地故障和電壓異常，防止直流系統(tǒng)帶故障或帶隱患解鎖。

晉北—南京特高壓直流輸電工程晉北站換流變壓器充電后，通過充電波形觀察到換流變壓器閥側(cè)某相電壓反相，中性點(diǎn)偏移保護(hù)沒有動作。

扎魯特—廣固特高壓直流輸電工程廣固站換流變壓器充電后，通過充電波形監(jiān)測到換流變壓器閥側(cè)兩相電壓相序相同，中性點(diǎn)偏移保護(hù)沒有動作。

針對這兩次換流變壓器充電后閥側(cè)電壓異常工況，如果沒有保護(hù)系統(tǒng)有效檢測，可能導(dǎo)致直流系統(tǒng)帶隱患解鎖。

本文將根據(jù)這兩次換流變壓器充電后閥側(cè)電壓異常的問題，查找中性點(diǎn)偏移保護(hù)沒有告警或動作的原因，分析保護(hù)與定值配合存在的漏洞與隱患，重新思考中性點(diǎn)偏移保護(hù)的設(shè)計(jì)思路，給出中性點(diǎn)偏移保護(hù)功能和保護(hù)定值的優(yōu)化建議。通過實(shí)時數(shù)字仿真（real time digital simulator, RTDS）試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后的策略能夠有效解決閥側(cè)電壓異常時中性點(diǎn)偏移保護(hù)拒動的問題。

1 中性點(diǎn)偏移保護(hù)工程應(yīng)用

換流變壓器套管裝有末屏電壓分壓器，通過就地端子箱將換流閥Y橋電壓UVY和D橋電壓UVD分相接入直流保護(hù)系統(tǒng)。對于每個六脈動換流橋，直流保護(hù)系統(tǒng)配置中性點(diǎn)偏移保護(hù)，如圖1所示。

圖1 中性點(diǎn)偏移保護(hù)配置示意圖

中性點(diǎn)偏移保護(hù)主邏輯只在換流閥閉鎖時起作用，分別計(jì)算換流閥Y橋和D橋?qū)Φ仉妷菏噶亢停绻麚Q流閥未解鎖且沒有發(fā)生接地故障，閥側(cè)對地電壓矢量和為零。由于換流變壓器閥側(cè)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，在發(fā)生單相接地故障時，只要換流閥未解鎖，不會有嚴(yán)重的故障電流出現(xiàn)，但健全相相對地電壓升高，在相對地電壓中會出現(xiàn)明顯的零序分量，若長期運(yùn)行對變壓器的絕緣不利。中性點(diǎn)偏移保護(hù)檢測這種零序電壓分量并將其與設(shè)定值比較，保護(hù)邏輯如圖2所示。

圖2 中性點(diǎn)偏移保護(hù)邏輯示意圖

特高壓直流輸電工程中，換流閥額定電壓為基準(zhǔn)電壓UN，以標(biāo)幺值表示為1p.u.，中性點(diǎn)偏移保護(hù)定值Uset通常設(shè)置為1.8p.u.，當(dāng)三相零序電壓3U0大于1.8p.u.時保護(hù)延時6s動作，跳開交流斷路器并請求控制系統(tǒng)執(zhí)行Y閉鎖，當(dāng)保護(hù)動作后，分相檢測相電壓，小于0.5p.u.時發(fā)出分相的告警信息至運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)，方便運(yùn)檢人員定位故障相。同時保護(hù)配置PT斷線邏輯進(jìn)行輔助判斷，只有在一相或兩相有壓、剩余相無壓時，會發(fā)出告警信息至運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)。

換流變壓器閥側(cè)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，直流系統(tǒng)解鎖前，當(dāng)換流變壓器閥側(cè)區(qū)域發(fā)生單相接地故障時，不會形成較大的差流，換流變壓器差動保護(hù)不會動作，當(dāng)換流變壓器閥側(cè)區(qū)域發(fā)生兩相短路故障或兩相短路接地故障時，會產(chǎn)生較大的故障電流，換流變壓器差動保護(hù)能夠檢測到較大差流并且快速動作。因此，直流系統(tǒng)解鎖前，中性點(diǎn)偏移保護(hù)是應(yīng)對換流變壓器閥側(cè)區(qū)域發(fā)生單相接地故障時的惟一保護(hù)，也是能夠檢測閥側(cè)電壓異常的惟一保護(hù)。

2 換流變閥側(cè)電壓異常保護(hù)拒動原因分析

2.1 晉北站電壓異常問題分析

晉北—南京特高壓直流輸電工程晉北站于2017年3月28日極1低端換流變壓器進(jìn)行第一次充電，換流閥Y橋A相電壓接近反相，換流變壓器閥側(cè)三相電壓波形如圖3所示。對一次設(shè)備檢查發(fā)現(xiàn)PT二次側(cè)A相電壓反接，但中性點(diǎn)偏移保護(hù)沒有動作，站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)也未報出任何異常告警信息。

圖3 晉北站換流變壓器充電閥側(cè)電壓波形圖

從波形文件可以看出A相電壓相位異常，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)A相電壓反相。由于電纜長度較長，其產(chǎn)生的容性負(fù)載導(dǎo)致A相電壓反接后，角度不是理想的180°，而是168.1°，由對稱分量算法得到零序電壓計(jì)算值3U0calc為1.98p.u.。

換流變壓器分接頭當(dāng)前檔位n在14檔，換流變壓器分接頭額定檔位N在26檔，分接頭一檔步長為1.25%。通過計(jì)算零序電壓當(dāng)前值3U0為1.71p.u.，小于保護(hù)定值1.8p.u.，保護(hù)沒有動作。

2.2 廣固站電壓異常問題分析

扎魯特—廣固特高壓直流輸電工程廣固站于2017年9月28日對極2低端換流變壓器進(jìn)行第一次充電，通過內(nèi)置錄波查看閥側(cè)A相電壓與B相電壓相位相同，如圖4所示。

圖4 廣固站換流變壓器充電閥側(cè)電壓波形圖

現(xiàn)場檢查確認(rèn)為PT二次側(cè)A相電壓接線錯誤，中性點(diǎn)偏移保護(hù)沒有動作，站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)也未報出任何異常告警信息。

根據(jù)波形文件分析，A相電壓角度異常，與B相相位相同，由對稱分量法可知零序電壓計(jì)算值3U0calc為1.5p.u.，換流變壓器分接頭當(dāng)前檔位n在20檔，額定檔位N在26檔，由式（1）計(jì)算換流變閥側(cè)電壓當(dāng)前值E為0.93p.u.，由式（2）計(jì)算零序電壓當(dāng)前值3U0為1.395p.u.，小于預(yù)定值1.8p.u.，保護(hù)沒有動作。

3 中性點(diǎn)偏移保護(hù)存在的問題及解決方案

3.1 換流閥三相電壓檢測盲區(qū)

換流變壓器充電后、直流系統(tǒng)解鎖前，穩(wěn)態(tài)工況下?lián)Q流變壓器閥側(cè)始終處于無流狀態(tài)，因此中性點(diǎn)偏移保護(hù)的輔助判據(jù)PT斷線邏輯僅能檢測到一相或兩相有壓、其余相無壓的工況。以上兩個工程調(diào)試期間出現(xiàn)的換流變壓器充電后閥側(cè)電壓異常情況，均沒有某相電壓接近于零，為非接地故障。

因?yàn)閾Q流站建設(shè)期間施工調(diào)試目前國內(nèi)不具備足夠大功率的試驗(yàn)儀器對一次設(shè)備進(jìn)行加壓，并且閥側(cè)電壓的測試也不在后續(xù)分系統(tǒng)試驗(yàn)的測試要求和測試范圍內(nèi)，因此對換流變壓器閥側(cè)電壓的檢測屬于試驗(yàn)盲區(qū)，而這個盲區(qū)又沒有保護(hù)系統(tǒng)對其進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)閥側(cè)電壓出現(xiàn)異常時，可能造成直流系統(tǒng)無法順利解鎖。

目前的中性點(diǎn)偏移保護(hù)配置只能檢測換流變壓器閥側(cè)PT斷線，或者當(dāng)發(fā)生換流變壓器閥側(cè)單相接地故障保護(hù)動作后的某相電壓缺失。如果換流變閥側(cè)電壓因非接地故障出現(xiàn)異常，運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)不會收到保護(hù)系統(tǒng)報出的任何告警信息，無法得知直流系統(tǒng)存在隱患。因此現(xiàn)有中性點(diǎn)偏移保護(hù)配置方案就顯出了一定的局限性。

3.2 保護(hù)定值的靈敏系數(shù)較低

中性點(diǎn)偏移保護(hù)在最初的特高壓直流輸電工程中動作定值為0.5p.u.，定值小于1p.u.，PT斷線會導(dǎo)致保護(hù)誤動作，因此后續(xù)特高壓直流輸電工程中提高動作定值為1.8p.u.，保證單相PT斷線故障時保護(hù)不誤動，也能夠檢測單相接地故障導(dǎo)致的換流變壓器閥側(cè)電壓異常。

動作定值的提高，有效地防止了保護(hù)誤動，但同樣減小了保護(hù)的檢測范圍和靈敏系數(shù)。

晉北站和廣固站換流變壓器分接頭額定檔位N在26檔，在直流系統(tǒng)降壓解鎖和運(yùn)行時，換流變壓器分接頭初始檔位可能在最低檔1檔，根據(jù)式（1）計(jì)算換流變閥側(cè)電壓當(dāng)前值E為0.762p.u.。當(dāng)換流變壓器閥側(cè)發(fā)生單相接地故障時，零序電壓計(jì)算值3U0calc為3p.u.，根據(jù)式（2）計(jì)算零序電壓當(dāng)前值3U0為2.285p.u.。由零序電壓當(dāng)前值3U0和保護(hù)定值可以計(jì)算出定值的靈敏系數(shù)，靈敏系數(shù)為故障量與整定值之比。

公式3中：Uset為保護(hù)定值；Ksen為靈敏系數(shù)。計(jì)算不僅考慮金屬性接地故障，還需要考慮系統(tǒng)最不利的運(yùn)行方式，由公式3計(jì)算出中性點(diǎn)偏移保護(hù)的靈敏系數(shù)Ksen為1.269，靈敏度較低。

3.3 解決方案

中性點(diǎn)偏移保護(hù)除保留現(xiàn)有的PT斷線邏輯外，增加一段低定值告警邏輯，可有效避免換流閥三相電壓異常檢測盲區(qū)。

如果換流變閥側(cè)電壓異常是非故障引起的，在短時間內(nèi)并不會對系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來影響，因此不建議保護(hù)動作跳交流開關(guān)或閉鎖直流系統(tǒng)，可在保護(hù)系統(tǒng)中增加換流閥電壓異常的告警判斷邏輯，檢測接線錯誤引起的相序錯誤、相位錯誤導(dǎo)致零序電壓異常。

在中性點(diǎn)偏移保護(hù)中增加一段告警段：當(dāng)閥側(cè)零序電壓大于1.2p.u.時，延時10s，保護(hù)發(fā)出告警信息至運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)，邏輯如圖5所示，可作為現(xiàn)有中性點(diǎn)偏移保護(hù)邏輯的有效補(bǔ)充。

圖5 中性點(diǎn)偏移保護(hù)補(bǔ)充告警段邏輯示意圖

中性點(diǎn)偏移保護(hù)雖然檢測的是電壓元件，實(shí)際是防止解鎖時因換流變壓器閥側(cè)單相接地故障造成的換流閥過電流，中性點(diǎn)偏移保護(hù)作為主保護(hù)，工程中只有其冗余系統(tǒng)保護(hù)作為后備保護(hù)。按繼電保護(hù)整定規(guī)范要求，主保護(hù)的電流或電壓元件最小靈敏度應(yīng)在1.3～1.5。因此現(xiàn)有工程定值靈敏系數(shù)Ksen偏小，不符合規(guī)范要求。

特高壓直流工程中換流變壓器分接頭調(diào)檔范圍可能不同，換流變閥側(cè)電壓當(dāng)前值E也會不同，換流閥零序電壓3U0也不相同，中性點(diǎn)偏移保護(hù)動作段定值設(shè)置應(yīng)考慮換流變分接頭在最低檔位時有足夠的靈敏度。以常規(guī)換流變分接頭額定檔位26檔為參考，定值靈敏度不應(yīng)低于1.3，由公式3計(jì)算定值Uset為1.76p.u.，比原定值1.8p.u.更為合理，滿足可靠性要求，且不同工程該定值通用性將有所提高。

3.4 仿真驗(yàn)證

RTDS仿真試驗(yàn)?zāi)M換流變分接頭檔位在最低檔位（額定為26檔），閥側(cè)A相電壓反相時新增告警段邏輯可正確出口，如圖6所示。

圖6 閥側(cè)電壓A相反相仿真波形

模擬換流變分接頭檔位在最低檔位（額定為26檔），閥側(cè)A相電壓與B相電壓同相位時新增告警段邏輯可正確出口，如圖7所示。

圖7 閥側(cè)電壓A相與B相同相位仿真波形

仿真模擬驗(yàn)證新增告警段邏輯能夠檢測非正常工況下的電壓異常情況，可有效防止因閥側(cè)電壓相序異常導(dǎo)致中性點(diǎn)偏移保護(hù)拒動。

4 結(jié)論

直流保護(hù)系統(tǒng)以檢測系統(tǒng)中存在的故障為主要目的，但是在直流工程建設(shè)越來越成熟的今天，對于系統(tǒng)中的異常工況和隱患，同樣需要全面檢測并及時將異常信息送至運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)，便于運(yùn)行人員第一時間發(fā)現(xiàn)并解決問題。保護(hù)系統(tǒng)不應(yīng)存在任何檢測盲區(qū)，保護(hù)定值靈敏度應(yīng)滿足規(guī)范并適應(yīng)工程應(yīng)用。

中性點(diǎn)偏移保護(hù)作為直流解鎖前換流變壓器和換流閥之間區(qū)域的最后一道關(guān)卡和保障，有顯而易見的特殊性和關(guān)鍵性。

本文根據(jù)兩個工程案例，分析了中性點(diǎn)偏移保護(hù)存在的檢測盲區(qū)，給出了保護(hù)判據(jù)的優(yōu)化策略和保護(hù)定值的優(yōu)化建議。通過RTDS仿真試驗(yàn)驗(yàn)證新增告警段邏輯能夠有效防止因閥側(cè)電壓相序異常導(dǎo)致中性點(diǎn)偏移保護(hù)拒動，提升了中性點(diǎn)偏移保護(hù)的可靠性，為今后直流輸電工程中性點(diǎn)偏移保護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。