基于電流行波極性的高壓直流極母線保護

孫剛,宗芝榮

（1.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東淄博255049;2.淮北供電公司，安徽淮北235000)

直流輸電具有傳送功率大、線路造價低、控制性能好等優(yōu)點，特別適合我國幅員遼闊、輸電距離長的國情。從20世紀80年代末開始，我國直流輸電總輸送容量達18 000 MW以上，總輸送距離超過7 000 km，該2項指標均成為世界第一。這也對直流系統(tǒng)的保護提出了更嚴格的要求。

極母線是高壓直流輸電系統(tǒng)（HVDC）連接閥廳出線和直流線路的重要裝置。其保護也應快速準確地反應出母線的區(qū)內和區(qū)外故障，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。目前，直流極母線采用的是電流差動保護算法。該方法存在的主要缺陷還是如何躲避不平衡電流的問題。雖然目前的直流系統(tǒng)中已經大量地采用光學電流互感器（OCT）作為電流的測量設備，能有效地避免電磁互感器的磁飽和問題。但不同用途的OCT具有不同的暫態(tài)傳遞特性，尤其是在暫態(tài)過程較嚴重的情況下，例如儲能元件的充放電等，OCT將不能準確地反映各個暫態(tài)量，從而導致不平衡電流的產生。當不平衡電流足夠大時，會引起保護的誤動作。這應引起運行人員的重視。

文獻[1-2]提出了一種電流行波在交流母線保護中的新原理，并給出了保護方案和仿真驗證，能滿足電力系統(tǒng)母線保護的要求。本文在此基礎上介紹了一種利用行波極性判斷高壓直流極母線故障的方法，能有效辨別區(qū)內區(qū)外故障，并且具有較快的反應速度。

1 極母線差動保護誤動分析

極母線差動保護示意圖如圖1所示，其保護區(qū)域為閥廳OCT(IDP)、極母線OCT(IDL)以及兩臺直流濾波器OCT(IT1，IT2)所包含的區(qū)域。極母差電流

保護動作原理為：Idiff躍IREF時，保護5 ms延時跳閘;IREF為極母差制動電流。

圖1 極母線差動保護示意圖

直流系統(tǒng)中存在大量的電容和電感等儲能元件,在運行方式發(fā)生改變時，這些元件的充放電導致非常嚴重的暫態(tài)過程[3]。這時如果TA的暫態(tài)特性不一致就會產生較大的不平衡電流。圖2為極母線差動保護特性圖，在直流線路發(fā)生接地短路時，濾波器中儲能元件對地放電，產生豐富的諧波電流。而直流濾波器和直流線路的TA特性并不一致，從而形成暫態(tài)不平衡電流。當該電流大于制動電流時導致保護誤動[4-5]。

圖2 極母線差動保護特性圖

2 基本保護原理

當母線或輸電線路上發(fā)生故障時可利用疊加原理分析。故障網絡可等效為正常負荷網絡和故障附加網絡的疊加，即相當于在故障點附加一個與改點正常負荷狀態(tài)時大小相當、方向相反的附加電壓，如圖3所示[6-7]。在這一電壓作用下，將產生由故障點向兩側傳播的電壓和電流行波，在母線保護處可以檢測到電壓和電流初始行波。相對電壓行波，電流行波比較容易獲得。因此，本文就初始電流行波進行分析探討。

圖3 故障網絡行波方向示意圖

與交流系統(tǒng)不同的是，高壓直流極母線上只接有一條直流輸電線路，如圖1所示。設電流行波極性由母線流向線路為正，并在極母線右側處裝設行波檢測設備。當直流線路故障時，對極母線保護而言屬于區(qū)外故障，初始電流行波極性為負，保護不應動作。當母線故障時，初始電流行波由母線傳向線路，其極性為正，保護應當動作[8-9]。閥廳至母線之間的線路故障時，電流行波經極母線折射向線路，其極性仍然為正，保護仍應動作?？梢?，只要正確區(qū)分電流行波的正負極性就能準確的判斷出極母線保護的區(qū)內和區(qū)外故障[10-12]。行波極母線保護的動作情況如表1所示。

表1 極母線保護動作情況

3 仿真驗證

3.1 常規(guī)極母線差動保護故障仿真分析

此處，直流濾波器和直流線路上的OCT暫態(tài)特性有較大差別。D1是直流線路上距離極母線500 m處發(fā)生的金屬性接地故障點；D2是極母線上的故障點；D3是閥廳至極母線之間線路某處的故障點。

圖4 極母線仿真接線圖

對常規(guī)極母線電流差動保護而言，D1點短路接地屬于區(qū)外故障，保護不應動作；D2、D3點接地屬于區(qū)內故障，保護應迅速動作。下面利用仿真軟件PSCAD對上述情況仿真驗證。

D2、D3點短路故障時，仿真結果分別如圖5、圖6所示。

圖5 D2點故障電流初始行波

圖6 D3點故障電流初始行波

由圖5、圖6可見，在D2、D3點故障時，極母差電流峰值遠遠大于制動電流，即：此時保護迅速動作。

D1點短路故障時，仿真結果如圖7所示。

此時，極母差電流仍大于制動電流，即：Idiff躍IREF，保護動作。但此時D1點屬于極母線保護區(qū)外故障，保護應可靠不動作，可見保護誤動。誤動的主要原因是直流濾波器中的高頻分量在不同特性OCT中的傳變特性不同。

圖7 D1點故障電流初始行波

3.2 行波極性法極母差保護仿真分析

利用電流行波極性極母差保護方法對圖4中D1、D2、D33種故障進行仿真分析，并提取故障時在極母線右側處的電流初始行波，分別如圖8～圖10所示。

圖8 D1點故障電流初始行波

圖9 D2點故障電流初始行波

圖10 D3點故障電流初始行波

在保護動作區(qū)外故障時（D1），電流行波如圖8所示，極性為負；在保護動作區(qū)域內故障時（D2、D3），電流行波如圖9和圖10所示，極性為正?？梢?，在極母線保護區(qū)域外故障時，初始電流行波極性為負，保護不動作；而當極母線上或閥廳與極母線之間的連接線路故障時，初始電流行波極性為正，保護動作。

由以上分析可知，電流行波極性極母線保護方法，只要檢測到電流初始行波的極性就可以正確區(qū)分極母線保護的區(qū)內和區(qū)外故障，不受暫態(tài)不平衡電流的影響。能從根本上解決常規(guī)極母線電流差動保護誤動問題。

4 結語

闡述了基于電流行波極性的高壓直流極母線保護原理。由于直流系統(tǒng)的輸電線路相比交流系統(tǒng)簡單，最多也只有2條線路同時運行（雙極運行），因此該保護方案不用考慮多條線路之間的配合問題，保護更加簡單。又由于直流系統(tǒng)不存在電壓過零點問題，所以，保護靈敏度不會隨故障點的改變而有所波動。而且，該保護方案可以與直流線路上的行波保護裝置配合使用，提高設備利用率，減少投入。與傳統(tǒng)的差動保護相比，該方案能消除因電流互感器暫態(tài)特性不同而產生的不平衡電流的影響，能從根本上消除保護誤動問題。并且具有動作速度快，靈敏度高，簡單可靠等特點。

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