双极区保护优化方案

24.2.3.1　双极区故障特性

1）接地极线路故障

接地极的接地电阻由接地极引线电阻和接地极电阻共同构成。在正常运行情况下，两个接地极的接地电阻基本相同，因此两根接地极引线上流过的电流基本相等。当一根接地极引线发生接地短路时，接地电阻将发生改变，使得两根接地极引线上的电流不再相等。

与接地极母线区短路故障相似，接地极引线短路的故障后果也与双极不平衡度有关，当两极不平衡程度较大时，将威胁到故障点附近的人畜安全。

单极大地回线方式下，由于两根引线正常运行时各承担1/2的额定电流，当其中一根发生故障尤其是近换流站点故障时，全部的额定电流将主要从故障线路流过并在故障点进入大地，严重影响故障线路的热稳定性以及故障点附近的人身安全。

2）接地极母线故障

（1）双极双端接地方式下的接地母线区故障

双极双端接地方式下，接地母线区故障如图24-4的17，此时的电流回路如图24-9所示。

图24-9　双极运行方式下接地极母线区故障示意图

此时换流站的故障点入地电流叠加总和为IdE1+IdE2-Idee1-Idee2，在正常情况下近似为0，故障情况下约等于双极的不平衡电流。故障所造成的后果，主要取决于双极的不平衡度，当两极基本平衡时，对直流系统的正常运行影响不大，当两极不平衡程度较大时，有可能导致站内接地网过流，且威胁运行人员的人身安全。

（2）单极大地回线方式下的接地母线区故障

单极大地回线方式下，接地母线区的故障电流回路如图24-10所示。

图24-10　单极大地运行方式下接地极母线区故障示意图

此时换流站的故障点入地电流叠加总和为IdE1-Idee1-Idee2，正常情况下其值近似为0，故障情况下，其值大于零，数值约等于单极大地运行的额定直流电流。额定直流电流一般远超过站内入地电流的允许值，将对换流站的设备和人身安全产生严重威胁。

（3）单极金属回线方式下的接地母线区故障

单极金属回线方式下，在正常情况下，由于两侧换流站只有一侧经站内接地网接地，因此无电流流过HSGS。

当直流系统内发生接地短路时，故障点与站内接地网形成通路，且由于大地电阻远小于金属线电阻，因此有一定的电流流过HSGS以及故障点。

本站的站内接地网和对站的故障接地点将金属回线短路，这将导致两站的站内接地网都流过接近额定值的故障电流，严重威胁系统设备和运行人员人身安全。

（4）接地极引线断线故障

当发生双引线断线时，大地回路断开，不再有电流流过，同时直流系统失去电位参考点，中性点电位将迅速升高，产生过电压，造成设备绝缘损坏。

单极大地运行方式下，故障电气特性相似，但此时单根引线断线，流经健全引线的电流要比双极运行时大得多。此时双极不平衡电流全部经由健全引线入地。

3）金属回线短路故障

金属回线运行方式下，正常运行时由于两端换流站只有一端接地，没有电流回路。在故障情况下，站内接地网与短路点形成电流回路；金属回线接地故障将导致换流站内接地网以及故障点流过较大的电流，威胁设备和人身安全。

24.2.3.2　双极区保护原理及配置

1）接地极母线差动保护

（1）主要功能和原理

接地极母线差动保护利用直流中性母线电流与接地极线路电流的差值实现故障判别。正常运行时，差值为零；接地极母线区发生接地短路后，在站内接地网的分流作用下，这一差值将显著增大。不同运行方式下，接地极母线差动保护的动作判据有所区别。

（2）保护判据

双极运行方式：

单极金属运行方式：

单极大地运行方式：

（3）故障处理策略

双极运行时保护动作后一时限请求极平衡，二时限极闭锁；单极运行时保护动作后极闭锁。

（4）整定建议

双极运行时，请求极平衡延时大于直流线路故障最长的重启时间，极闭锁延时大于请求极平衡操作可以成功的时间，留有至少1s的级差；单极运行时保护动作延时应大于直流线路故障最长的重启时间，至少留有200ms。

2）站内接地网过流保护

（1）主要功能和原理

为防止流入站内接地网的电流过大造成站内接地网的损坏、威胁运行人员的安全，通过检测流过高速接地开关的电流IdSG设置站内接地网过流保护，判断站内接地网的过电流情况。

（2）保护判据：

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非MR运行方式下，保护通常配置两段，Ⅰ段为低定值段，Ⅱ段为高定值段；MR运行方式下，保护配置一段。

（3）故障处理策略

非MR运行方式下，Ⅰ段动作后告警，如双极运行，可起动极平衡；Ⅱ段动作后极闭锁；MR运行方式下，保护动作后极闭锁。

（4）整定建议

双极运行时，保护第一时限调节双极电流平衡，按照躲过直流线路故障再启动过程持续时间整定；第二时限极闭锁，保护动作时间需要考虑直流线路故障再启动的全过程，与第一时限的动作级差不低于直流控制系统调节双级功率平衡所需时间。

单极大地方式运行时，保护动作时间可以取为双极运行时保护第二时限。

单极金属方式运行时，保护动作时间应与反应金属回线故障的保护功能，如金属回线纵联差动保护、直流线路横差保护的动作时间相配合，级差不低于300ms。

3）接地系统保护

（1）主要功能和原理

双极运行且站内接地开关临时作为接地点运行时，为保护站内接地网的安全，除了站内接地网过流保护外，还配置了接地系统保护，通过检测双极直流中性母线电流的差值实现。只有在双极运行且高速接地开关合上的工况下，才投入该保护功能。

（2）保护判据

（3）故障处理策略

保护动作后极闭锁。

（4）整定建议

保护动作定值应小于最小工作电流，且小于接地网能承受的最大直流电流。保护动作定值应大于接地极过流保护的Ⅱ段动作延时。

4）接地极电流不平衡保护

（1）主要功能和原理

正常情况下，两根接地极线路流的电流相同，当其中一根发生接地短路或者断线故障时，两根接地线路上的电流将不再相等，具有一定的差值，通过比较两根接地线路的电流设置了接地极电流不平衡保护。

（2）保护判据

（3）故障处理策略

双极运行方式下：保护一时限动作后起动极平衡，二时限动作后极闭锁；

单极运行方式下：保护一时限动作后起动重启，二时限动作后极闭锁。

（4）整定建议

双极方式下，保护第一时限调节双极功率平衡，动作延时大于直流线路再启动的全过程所需时间；第二时限极闭锁，Ⅱ段与Ⅰ段的动作级差应大于极控调节极平衡所需时间，不低于2s。

单极大地方式下，保护第一时限再启动直流，动作延时应大于运行方式转换所需时间；第二时限极闭锁，Ⅱ段与Ⅰ段的动作级差应大于再启动过程所需时间，不低于2s。

5）接地极过流保护

（1）主要功能和原理

为防止接地极上流入较大电流，根据接地极或接地极线路的耐受能力设置接地极线路过流保护，通过检测接地极线路电流实现。

（2）保护判据

（3）故障处理策略

保护一时限动作后降低电流，二时限动作后极闭锁。

（4）整定建议

定值应根据接地极等设备的过负荷能力整定，动作时间不低于3s。

6）金属回线横差保护

（1）主要功能和原理

金属回线方式运行时，如果逆变站以外发生接地故障，接地点和金属回线的地电位钳制点（通常设置在逆变侧）间形成电流回路，造成逆变侧双极线路电流间形成差流，通过监测逆变侧双极线路电流间的差流可以检测此类故障。该保护作为后备保护，仅在金属回线运行方式下投入。

（2）保护判据

（3）故障处理策略

保护动作后极闭锁。

（4）整定建议

作为金属回线运行方式下接地故障的后备保护，动作时间定值不低于2s。