特高壓直流輸電中性點偏移保護是換流變壓器充電後、直流系統解鎖前重要的直流保護。晉北換流站和廣固換流站進行直流系統除錯時，換流變壓器充電後閥側電壓異常，但中性點偏移保護都沒有有效識別，為直流系統解鎖帶來隱患。

中性點偏移保護配置在直流保護系統的換流器保護中，是換流變壓器充電後、直流系統解鎖前的重要保護，能夠檢測換流變壓器與換流閥連線線上的單相接地故障和電壓異常，防止直流系統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後，透過充電波形觀察到換流變壓器閥側某相電壓反相，中性點偏移保護沒有動作。

扎魯特—廣固特高壓直流輸電工程廣固站換流變壓器充電後，透過充電波形監測到換流變壓器閥側兩相電壓相序相同，中性點偏移保護沒有動作。

針對這兩次換流變壓器充電後閥側電壓異常工況，如果沒有保護系統有效檢測，可能導致直流系統帶隱患解鎖。

本文將根據這兩次換流變壓器充電後閥側電壓異常的問題，查詢中性點偏移保護沒有告警或動作的原因，分析保護與定值配合存在的漏洞與隱患，重新思考中性點偏移保護的設計思路，給出中性點偏移保護功能和保護定值的最佳化建議。透過實時數字模擬（real time digital simulator, RTDS）試驗驗證，最佳化後的策略能夠有效解決閥側電壓異常時中性點偏移保護拒動的問題。

1 中性點偏移保護工程應用

換流變壓器套管裝有末屏電壓分壓器，透過就地端子箱將換流閥Y橋電壓UVY和D橋電壓UVD分相接入直流保護系統。對於每個六脈動換流橋，直流保護系統配置中性點偏移保護，如圖1所示。

圖1 中性點偏移保護配置示意圖

中性點偏移保護主邏輯只在換流閥閉鎖時起作用，分別計算換流閥Y橋和D橋對地電壓向量和，如果換流閥未解鎖且沒有發生接地故障，閥側對地電壓向量和為零。由於換流變壓器閥側為中性點不接地系統，在發生單相接地故障時，只要換流閥未解鎖，不會有嚴重的故障電流出現，但健全相相對地電壓升高，在相對地電壓中會出現明顯的零序分量，若長期執行對變壓器的絕緣不利。中性點偏移保護檢測這種零序電壓分量並將其與設定值比較，保護邏輯如圖2所示。

圖2 中性點偏移保護邏輯示意圖

特高壓直流輸電工程中，換流閥額定電壓為基準電壓UN，以標么值表示為1p.u.，中性點偏移保護定值Uset通常設定為1.8p.u.，當三相零序電壓3U0大於1.8p.u.時保護延時6s動作，跳開交流斷路器並請求控制系統執行Y閉鎖，當保護動作後，分相檢測相電壓，小於0.5p.u.時發出分相的告警資訊至執行人員監控系統，方便運檢人員定位故障相。同時保護配置PT斷線邏輯進行輔助判斷，只有在一相或兩相有壓、剩餘相無壓時，會發出告警資訊至執行人員監控系統。

換流變壓器閥側為中性點不接地系統，直流系統解鎖前，當換流變壓器閥側區域發生單相接地故障時，不會形成較大的差流，換流變壓器差動保護不會動作，當換流變壓器閥側區域發生兩相短路故障或兩相短路接地故障時，會產生較大的故障電流，換流變壓器差動保護能夠檢測到較大差流並且快速動作。因此，直流系統解鎖前，中性點偏移保護是應對換流變壓器閥側區域發生單相接地故障時的惟一保護，也是能夠檢測閥側電壓異常的惟一保護。

2 換流變閥側電壓異常保護拒動原因分析

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於2017年3月28日極1低端換流變壓器進行第一次充電，換流閥Y橋A相電壓接近反相，換流變壓器閥側三相電壓波形如圖3所示。對一次裝置檢查發現PT二次側A相電壓反接，但中性點偏移保護沒有動作，站內監控系統也未報出任何異常告警資訊。

圖3 晉北站換流變壓器充電閥側電壓波形圖

從波形檔案可以看出A相電壓相位異常，現場檢查發現A相電壓反相。由於電纜長度較長，其產生的容性負載導致A相電壓反接後，角度不是理想的180°，而是168.1°，由對稱分量演算法得到零序電壓計算值3U0calc為1.98p.u.。

換流變壓器分接頭當前檔位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%。透過計算零序電壓當前值3U0為1.71p.u.，小於保護定值1.8p.u.，保護沒有動作。

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於2017年9月28日對極2低端換流變壓器進行第一次充電，透過內建錄波檢視閥側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電壓波形圖

現場檢查確認為PT二次側A相電壓接線錯誤，中性點偏移保護沒有動作，站內監控系統也未報出任何異常告警資訊。

根據波形檔案分析，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算值3U0calc為1.5p.u.，換流變壓器分接頭當前檔位n在20檔，額定檔位N在26檔，由式（1）計算換流變閥側電壓當前值E為0.93p.u.，由式（2）計算零序電壓當前值3U0為1.395p.u.，小於預定值1.8p.u.，保護沒有動作。

3 中性點偏移保護存在的問題及解決方案

3.1 換流閥三相電壓檢測盲區

換流變壓器充電後、直流系統解鎖前，穩態工況下換流變壓器閥側始終處於無流狀態，因此中性點偏移保護的輔助判據PT斷線邏輯僅能檢測到一相或兩相有壓、其餘相無壓的工況。以上兩個工程除錯期間出現的換流變壓器充電後閥側電壓異常情況，均沒有某相電壓接近於零，為非接地故障。

因為換流站建設期間施工除錯目前國內不具備足夠大功率的試驗儀器對一次裝置進行加壓，並且閥側電壓的測試也不在後續分系統試驗的測試要求和測試範圍內，因此對換流變壓器閥側電壓的檢測屬於試驗盲區，而這個盲區又沒有保護系統對其進行監測，當閥側電壓出現異常時，可能造成直流系統無法順利解鎖。

目前的中性點偏移保護配置只能檢測換流變壓器閥側PT斷線，或者當發生換流變壓器閥側單相接地故障保護動作後的某相電壓缺失。如果換流變閥側電壓因非接地故障出現異常，執行人員監控系統不會收到保護系統報出的任何告警資訊，無法得知直流系統存在隱患。因此現有中性點偏移保護配置方案就顯出了一定的侷限性。

3.2 保護定值的靈敏係數較低

中性點偏移保護在最初的特高壓直流輸電工程中動作定值為0.5p.u.，定值小於1p.u.，PT斷線會導致保護誤動作，因此後續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斷線故障時保護不誤動，也能夠檢測單相接地故障導致的換流變壓器閥側電壓異常。

動作定值的提高，有效地防止了保護誤動，但同樣減小了保護的檢測範圍和靈敏係數。

晉北站和廣固站換流變壓器分接頭額定檔位N在26檔，在直流系統降壓解鎖和執行時，換流變壓器分接頭初始檔位可能在最低檔1檔，根據式（1）計算換流變閥側電壓當前值E為0.762p.u.。當換流變壓器閥側發生單相接地故障時，零序電壓計算值3U0calc為3p.u.，根據式（2）計算零序電壓當前值3U0為2.285p.u.。由零序電壓當前值3U0和保護定值可以計算出定值的靈敏係數，靈敏係數為故障量與整定值之比。

公式3中：Uset為保護定值；Ksen為靈敏係數。計算不僅考慮金屬性接地故障，還需要考慮系統最不利的執行方式，由公式3計算出中性點偏移保護的靈敏係數Ksen為1.269，靈敏度較低。

3.3 解決方案

中性點偏移保護除保留現有的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。

如果換流變閥側電壓異常是非故障引起的，在短時間內並不會對系統的正常執行帶來影響，因此不建議保護動作跳交流開關或閉鎖直流系統，可在保護系統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、相位錯誤導致零序電壓異常。

在中性點偏移保護中增加一段告警段：當閥側零序電壓大於1.2p.u.時，延時10s，保護髮出告警資訊至執行人員監控系統，邏輯如圖5所示，可作為現有中性點偏移保護邏輯的有效補充。

圖5 中性點偏移保護補充告警段邏輯示意圖

中性點偏移保護雖然檢測的是電壓元件，實際是防止解鎖時因換流變壓器閥側單相接地故障造成的換流閥過電流，中性點偏移保護作為主保護，工程中只有其冗餘系統保護作為後備保護。按繼電保護整定規範要求，主保護的電流或電壓元件最小靈敏度應在1.3～1.5。因此現有工程定值靈敏係數Ksen偏小，不符合規範要求。

特高壓直流工程中換流變壓器分接頭調檔範圍可能不同，換流變閥側電壓當前值E也會不同，換流閥零序電壓3U0也不相同，中性點偏移保護動作段定值設定應考慮換流變分接頭在最低檔位時有足夠的靈敏度。以常規換流變分接頭額定檔位26檔為參考，定值靈敏度不應低於1.3，由公式3計算定值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 模擬驗證

RTDS模擬試驗模擬換流變分接頭檔位在最低檔位（額定為26檔），閥側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 閥側電壓A相反相模擬波形

模擬換流變分接頭檔位在最低檔位（額定為26檔），閥側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 閥側電壓A相與B相同相位模擬波形

模擬模擬驗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，可有效防止因閥側電壓相序異常導致中性點偏移保護拒動。

4 結論

直流保護系統以檢測系統中存在的故障為主要目的，但是在直流工程建設越來越成熟的今天，對於系統中的異常工況和隱患，同樣需要全面檢測並及時將異常資訊送至執行人員監控系統，便於執行人員第一時間發現並解決問題。保護系統不應存在任何檢測盲區，保護定值靈敏度應滿足規範並適應工程應用。

中性點偏移保護作為直流解鎖前換流變壓器和換流閥之間區域的最後一道關卡和保障，有顯而易見的特殊性和關鍵性。

本文根據兩個工程案例，分析了中性點偏移保護存在的檢測盲區，給出了保護判據的最佳化策略和保護定值的最佳化建議。透過RTDS模擬試驗驗證新增告警段邏輯能夠有效防止因閥側電壓相序異常導致中性點偏移保護拒動，提升了中性點偏移保護的可靠性，為今後直流輸電工程中性點偏移保護設計提供參考。