0 引言

单极大地回线、单极金属回线、双极大地回线是换流站高压直流系统常见的接线方式^[1]。然而对于单极大地回线方式，接地极的直流电流会通过变压器直接接地的中性点，经由交流输电线路，流至线路另一端的中性点接地变压器，从而形成直流回路，在两端变压器内产生直流磁通，加剧铁心饱和，最终导致变压器噪声明显增大，并引起变压器铁心、螺栓、外壳过热，甚至变压器损坏。因此，在单极运行方式下，应尽量缩短直流电流通过接地极的时间。如果需要长期单极运行，特别是在单极闭锁或单极停运后，高压直流系统接线方式均为单极金属回线方式。

受接地极电流限制，单极大地回线与单极金属回线的在线转换成为换流站常见的倒闸操作^[2-4]。因此，整个操作过程中的联锁逻辑以及设备操作的先后顺序对高压直流系统是否存在影响，直接关系到直流输电系统的安全稳定运行^[5-9]。

本文分析了桂中换流站高速接地开关（0040）的控制软件联锁逻辑，并通过仿真系统操作，提出在单极大地回线与金属回线转换过程中，一旦出现操作顺序错误，控制系统无法提供闭锁操作的提示，从而引起单极闭锁的问题；并根据现场实际情况，给出软件改进措施。

1 单极大地与金属回线转换操作时序 1.1 顺序控制

高压直流系统的运行接线方式，每一种都有自己明确的设备状态定义。顺序控制，是一种把被操作对象（换流站内的开关、刀闸）操作到指定状态，以实现目标接线方式的程序自动操作功能。

该功能以及相应的联锁逻辑一般集成于换流站的直流站控系统内，在主控室的运行人员工作站或就地继电器室手动控制主机启动。

以单极大地与金属回线转换为例，运行人员只要在运行人员工作站点击“极1金属回线”或“极2金属回线”即可实现单极大地至金属回线的转换操作，如图 1所示。

1.2 手动控制

与顺控操作只需满足相应的状态条件（如金属回线状态或大地回线状态）、整个状态转换过程就会自动执行不同，手动控制是通过运行人员对各个设备进行逐个、单独的操作，使操作对象达到目标状态。在手动控制模式下操作设备，操作的联锁条件就显得尤为重要。以图 1的极1大地与金属回线转换操作为例，在极2线路已经开始分流后（即极2线路连接至极1中性母线），才能断开整流站接地极的金属回线转换开关0050（如图 2所示），以防止因误操作开断直流电流，造成高压直流系统单极闭锁。但是，手动控制模式更多的是用于设备突发故障，如站间通信故障或一次设备出现紧急缺陷需要手动隔离等。此时手动操作就需要完善的联锁逻辑才能避免误操作，保证设备和人身安全。

2 高速接地开关联锁逻辑隐患分析 2.1 高速接地开关0040合闸联锁逻辑

根据图 3联锁逻辑可以看出，整流站的高速接地开关，需要未建立金属回线且开关本体无低油压闭锁信号，才能对0040开关进行远方合闸操作。而逆变站的高速接地开关，只需满足无开关本体的低油压闭锁信号，即可远方合闸。

2.2 联锁逻辑隐患分析

以极1大地与金属回线转换操作为例，结合图 1操作时序可知，在整流站金属回线转换开关0050断开前，极2线路已经连接至极1中性母线，即与接地线线路构成并联回路，直流电流开始从极1中性母线分流至极2线路，如图 4所示。

如因通信故障或开关拒动等原因顺控模式中断，则存在手动操作或确认对站0050开关状态后，继续顺控自动操作的可能性。此时，逆变站合上0040的操作时序就显得尤为重要。如果逆变站的高速接地开关0040与整流站金属回线转换开关0050同时在合位，即接地极未断开则合上逆变站的0040开关，则逆变站的站内接地网就会与接地极构成并联的入地回路，如图 5所示。

高速接地开关开断的是直流电流，与交流电流不同，直流电流无自然过零点，其灭弧能力只能依靠附加的谐振回路强迫过零。然而，换流站内的高速接地，一般仅设计为临时接地，因此开关的一次结构无谐振回路，且其最大转换电流只有120 A。考虑到桂中站单极最小运行电流为320 A，当直流线路、接地极与站内接地网构成直流电流并联回路，高速接地开关可能会承受过电流而导致设备损坏和极保护动作，闭锁高压直流系统。

2.3 逻辑隐患与极保护动作响应原理

分析图 3高速接地开关0040的联锁逻辑，对于逆变站，联锁条件则直接跳过金属回线状态判别（置为1），仅保留本体的低油压闭锁条件。因此，在特殊工况下，如需手动操作隔离异常设备或站间通信故障导致顺控操作无法使用，就存在未断开接地极而误合0040开关的情况。一旦站内接地网与接地极构成并联回路，且接地极原来就流过较大的入地电流（双极不平衡电流或单极电流），因站内接地网的阻抗远小于接地极线的阻抗，直流电流会直接流入站内接地网，从而引起站内接地网过流保护（76SG）动作，闭锁高压直流系统。

站内接地网过流保护（76SG）的主要作用是防止过大的接地电流对站内接地网造成破坏，动作判据为|I_dSG|> I_set（I_dSG为流入站内接地网的电流，I_set为启动电流）。单极运行时（含金属回线运行），动作后立即闭锁换流器、跳换流变开关。

根据76SG保护定值（见表 1），高速接地开关0040只要流过100 A电流并持续900 ms，76SG则会动作闭锁直流系统。

在仿真系统上进行单极大地与金属回线转换模拟操作，当整流和逆变站在极2线路均已连接至极1中性母线，此时合上逆变站高速接地开关0040，极保护动作波形如图 6所示。

分析图 6可知，高压直流系统的直流电流约为640 A。当逆变站合上0040开关后，流过接地极的电流（I_DEE1+I_DEE2）为0，而流入站内接地网的电流则有570 A，说明直流电流选择阻抗更小的支路作为电流通路。此时，整个高压直流系统通过对极的直流线路（I_{DLH_OP}）以及站内接地网回流至整流站，即I_dSG+ I_{DLH_OP}=I_DLN（I_DLN为中性母线电流），与图 5推导的电流拓扑结构完全一致，证明逆变站高速接地开关0040的软件联锁逻辑存在严重的安全隐患，无法防止人为误操作的发生，且在特定工况下（接地极流过超过100 A以上的电流），操作0040开关很容易导致单极闭锁。

3 改进措施

分析上述实例，在接地极电流超过100 A时，桂中换流站误合0040开关，存在直流闭锁的风险。从图 1的操作时序可知，逆变站合上0040开关时，金属回线方式已初步建立，仅需重新建立电压参考点即可完成整个大地与金属回线转换。因此，逆变站0040开关的合闸联锁逻辑，并不能照搬整流站判断逻辑（对于整流站，高速接地开关0040只能在金属回线连接前合上）。

考虑到接地极故障需要使用换流站内的高速接地开关短时替代接地极继续运行，避免损失直流功率。因此，逆变站0040开关的合闸联锁逻辑完善，不能只针对大地与金属回线转换，还需要考虑异常设备隔离的需要。

因接地极与换流站存在一定的物理距离，接地极电阻远大于站内接地网的电阻，在0040的合闸联锁逻辑中，除了判断接地极是否已经断开，还可以加入电气量判别条件。如图 7所示，完善后的联锁逻辑可根据76SG的保护定值以及高速接地开关的一次最大转换电流，在0040合闸时，直流站控系统先判断整流站的金属回线开关、逆变站的接地极连接刀闸是否已经断开，或者接地极电流是否超过允许门槛值（I_set）。如果接地极电流不超过门槛值（I_set），合上逆变站的0040开关，既不会影响换流站内人身和设备的安全，也不会造成直流闭锁。一旦接地极电流超过0040合闸所允许的门槛值，则直接由联锁逻辑禁止操作，并提示“联锁逻辑不满足”。

4 结语

高压直流系统承担着跨区域、跨电网输送电能的任务，输送容量大、运行时间长，一旦发生人为误操作导致直流系统单、双极闭锁，对电网的影响很大，甚至可能造成电网解列。软件联锁作为换流站防止误操作的方法之一，其逻辑的完善性至关重要。一旦发现软件联锁中存在逻辑缺陷或隐患因素，要及时予以完善。本文通过分析大地与金属回线转换的电流拓扑关系以及仿真操作实例的极保护动作波形，对桂中换流站高速接地开关0040的合闸联锁逻辑，提出了增加电气量判别条件的改进措施，为新建及其他在运直流工程的软件联锁逻辑设置提供参考。