直流輸電線路保護(hù)的研究

王旭

(國(guó)網(wǎng)開(kāi)封供電公司，河南 開(kāi)封 475000)

直流輸電線路保護(hù)的研究

王旭

(國(guó)網(wǎng)開(kāi)封供電公司，河南 開(kāi)封 475000)

現(xiàn)有直流線路的主要保護(hù)配置包括主保護(hù)行波保護(hù)以及后備微分欠壓保護(hù)等。本文首先基于仿真手段分析了行波保護(hù)在大過(guò)渡電阻接地故障時(shí)的保護(hù)性能，并進(jìn)一步闡述了現(xiàn)有的直流線路后備保護(hù)功能。針對(duì)現(xiàn)有的直流線路保護(hù)的不足，最后探討了可能的解決措施與未來(lái)的研究方向。

LCC-HVDC；行波保護(hù)；微分欠壓保護(hù)；差動(dòng)保護(hù)

0 前言

直流輸電是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量、非同步聯(lián)網(wǎng)的重要手段[1]。近年來(lái)，隨著天廣、貴廣直流輸電的相繼投運(yùn)，直流輸電工程在我國(guó)得到了快速的發(fā)展。但是直流線路傳輸距離很長(zhǎng)，跨越的地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，所以容易出現(xiàn)故障。

現(xiàn)階段，由于尚無(wú)專用的直流斷路器投入運(yùn)行，所以直流線路的保護(hù)與控制融為一體。直流線路保護(hù)動(dòng)作后，可能會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖，造成傳輸功率大幅度降低，對(duì)直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定都產(chǎn)生不利的影響。因此研究直流線路的保護(hù)原理，對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行都起著重要的作用。

現(xiàn)有直流線路的主要保護(hù)配置包括：主保護(hù)行波保護(hù)，后備保護(hù)微分欠壓保護(hù)以及差動(dòng)保護(hù)[2-7]。文中詳細(xì)分析了上述直流線路保護(hù)在不同工況下的動(dòng)作性能。分析結(jié)果指出，行波保護(hù)耐受過(guò)渡電阻的能力較差，微分欠壓保護(hù)在一定程度上提高了耐阻水平，但并未徹底解決此問(wèn)題。差動(dòng)保護(hù)雖然能正確識(shí)別高阻接地故障，但是由于整定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，大部分時(shí)間處于閉鎖狀態(tài)。最后對(duì)直流線路的保護(hù)提出了可能的解決措施以及研究方向。

1 直流線路保護(hù)

直流線路保護(hù)反應(yīng)本級(jí)線路接地、極線間短路等故障，啟動(dòng)故障重啟順序或者閉鎖順序，已達(dá)到故障恢復(fù)和保護(hù)直流設(shè)備的目的。現(xiàn)有的直流保護(hù)主要由ABB、西門(mén)子以及南瑞繼保3個(gè)廠家提供。三家廠商在保護(hù)具體算法上雖然不同，但保護(hù)原理的配置都是一樣的，都以行波保護(hù)為主保護(hù)，微分欠壓和差動(dòng)保護(hù)為后備保護(hù)，下面分別研究主保護(hù)和后備保護(hù)的動(dòng)作性能。

1.1 主保護(hù)行波保護(hù)

圖1表示的是雙極直流輸電系統(tǒng)圖。P1表示的是極1的換流器，P2表示的是極2的換流器。

圖1 雙極直流輸電系統(tǒng)圖

直流線路的行波保護(hù)一般用極波和地膜波來(lái)識(shí)別線路故障。

1.1.1 極波

定義極波為：

上式中，ID1和ID2分別是極1和極2上整流側(cè)直流線路電流，P1wave和P2wave分別是極1和極2上的極波；Zρ是直流輸電線路的極波阻抗；UD1和UD2分別是極1和極2上整流側(cè)直流線路的直流電壓。

假設(shè)有正實(shí)數(shù)的整定值 K1.set和 K2.set，則當(dāng)直流輸電線路運(yùn)行正常時(shí)，極波P1wave和P2wave的值基本不變化。當(dāng)極1的直流線路出現(xiàn)接地短路故障時(shí)，極波P1wave的上升率將大于正的下限值即；同理，極2出現(xiàn)短路故障時(shí)，極波P2wave的下降率將會(huì)小于一個(gè)負(fù)的上限值即。由以上依據(jù)就可以精確地檢測(cè)出線路的故障。

1.1.2 地膜波定義

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，地膜波的值無(wú)限的接近于0，而當(dāng)整流側(cè)極1的線路發(fā)生接地故障時(shí)，其地膜波的值會(huì)大于一個(gè)正的極限值。同理，若地膜波的值小于一個(gè)負(fù)的極限值，那么可推斷出整流側(cè)極2波上的線路出現(xiàn)接地故障。

現(xiàn)行的行波保護(hù)依賴于電流、電壓的變化量以及電壓變化率的大小。

當(dāng)直流線路發(fā)生故障時(shí)，隨著過(guò)渡電阻的變化，顯然會(huì)影響到電流、電壓的變化量的大小。但影響更大的是變化率的大小。天廣直流行波保護(hù)的三個(gè)動(dòng)作條件如下所示：

圖2是基于國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議CIGRE提供的標(biāo)準(zhǔn)直流測(cè)試模型的仿真結(jié)果。該模型直流額定電壓為500 kV，額定電流2 kA。圖2(a)、(b)表示的是直流線路經(jīng)過(guò)10 Ω過(guò)渡電阻接地時(shí)整流測(cè)、逆變側(cè)電壓變化率的大小。按照式 (4)可以看出，du/dt＞87.5 kV/s時(shí)，行波保護(hù)動(dòng)作。通過(guò)圖2(a)、(b)可以看出，此時(shí)滿足電壓變化率的大小，行波保護(hù)可以動(dòng)作；圖 2(c)、(d)表示的是線路經(jīng)過(guò)100 Ω過(guò)渡電阻情形下du/dt的大小，此時(shí)可以看出du/dt＜87.5 kV/s，行波保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

圖2 不同過(guò)渡電阻條件下電壓變化率

通過(guò)上面的分析可以看出，行波保護(hù)耐受大過(guò)渡電阻接地的能力不足，此時(shí)需要后備保護(hù)予以動(dòng)作。

1.2 直流線路后備保護(hù)

1.2.1 微分欠壓保護(hù)

目前，ABB和SIMENS的微分欠壓保護(hù)都是利用監(jiān)測(cè)電壓微分和電壓水平來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其電壓微分定值和行波保護(hù)相同，但微分欠壓保護(hù)上升沿延時(shí)為20 ms，因此在行波保護(hù)退出或者電壓變化率上升沿寬度不足時(shí)，可以起到后備保護(hù)的作用。但微分欠壓保護(hù)仍然耐受過(guò)渡電阻的能力較差，需要一個(gè)能在高阻接地情形下保護(hù)動(dòng)作的一種方案。

1.2.2 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)利用了直流線路兩側(cè)的信息，從原理上講能保證動(dòng)作的選擇性。但直流線路整流測(cè)、逆變側(cè)本身就存在電流裕度，而且直流限流的差動(dòng)保護(hù)并沒(méi)有考慮分布電容的影響，并且需要穩(wěn)態(tài)量進(jìn)行計(jì)算，所以動(dòng)作時(shí)間晚。按照設(shè)計(jì)的要求，其主要負(fù)責(zé)高阻故障。

綜上所述，可以看出，LCC-HVDC中的直流線路故障保護(hù)的主要配置如下圖3所示。

圖3中，UdL、IdL分別表示直流線路的電壓和電流。行波保護(hù)、微分欠壓保護(hù)以及差動(dòng)保護(hù)共同作用，一般可以能保證直流線路故障時(shí)的正確識(shí)別。但行波保護(hù)耐受過(guò)渡電阻能力差，微分欠壓保護(hù)略有提升，但仍顯不足；差動(dòng)保護(hù)可以在高阻接地時(shí)正確識(shí)別故障，但是由于整定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致一般保護(hù)尚未動(dòng)作，直流系統(tǒng)就已經(jīng)閉鎖。造成直流線路保護(hù)尚不完善的原因主要來(lái)自以下2個(gè)方面：

圖3 直流線路保護(hù)的主要配置

1)直流線路故障期間的暫態(tài)過(guò)程非常復(fù)雜，不易進(jìn)行系統(tǒng)有效的分析，給直流線路的保護(hù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)；

2)保護(hù)原理的缺陷?，F(xiàn)有的行波保護(hù)以及后備保護(hù)都是基于電氣量的變化率對(duì)線路進(jìn)行保護(hù)，這就決定了保護(hù)原理容易受到過(guò)渡電阻以及故障位置的影響。因此關(guān)于直流線路的保護(hù)需要進(jìn)一步的研究。

2 解決措施

交流線路的一些原理可以為直流線路的保護(hù)提供借鑒，文獻(xiàn) [8]結(jié)合交流線路行波距離保護(hù)的思想，提出了直流線路行波距離保護(hù)的原理和判據(jù)。直流線路是控制、保護(hù)于一體的，動(dòng)作于控制系統(tǒng)閉鎖或者系統(tǒng)重啟。直流線路的任何故障暫態(tài)過(guò)程都是受直流控制的影響。當(dāng)直流線路故障時(shí)，其整流測(cè)、逆變側(cè)兩側(cè)的電流中都含有大量的暫態(tài)分量，可以利用暫態(tài)分量對(duì)直流線路的保護(hù)進(jìn)行研究，文獻(xiàn) [9]根據(jù)線路內(nèi)部故障時(shí)故障暫態(tài)分量較為豐富的特征，提出了高壓直流線路暫態(tài)邊界判據(jù)；直流線路兩側(cè)都有限流電抗器，為線路的保護(hù)提供了明顯的邊界條件，可以利用此邊界特性研究直流線路的保護(hù)原理。充分利用直流系統(tǒng)特有的暫態(tài)特性，可構(gòu)建多種新的保護(hù)原理來(lái)提高直流線路保護(hù)的性能。為了減小過(guò)渡電阻對(duì)行波保護(hù)的影響，文獻(xiàn) [10]提出了一種檢測(cè)電流首峰值時(shí)間的直流線路保護(hù)的新原理。進(jìn)一步的研究抗過(guò)渡電阻能力強(qiáng)，不受直流控制影響的新型直流線路保護(hù)原理是未來(lái)研究的主要內(nèi)容。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中研究了直流線路的保護(hù)原理，并重點(diǎn)研究了行波保護(hù)的原理與不足。研究表明行波保護(hù)耐受過(guò)渡電阻的能力有限，需要通過(guò)后備保護(hù)來(lái)識(shí)別高阻接地故障。即使后備保護(hù)也存在整定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，為此提出了直流線路保護(hù)研究的建議，試探性的探討了未來(lái)直流線路保護(hù)的研究方向。

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Study on DC Transmission Line Protection in HVDC System

WANG Xu
(Kaifeng Power Supply Company，State Grid，Kaifeng，Henan 475000，China)

The protection configuration for LCC-HVDC DC transmission line include the traveling wave main protection and the under-voltage backup protection.The performance of traveling wave protection is first studied during a big resistance earth fault by using simulation method.Then，different backup protections are discussed.At last，the possible solutions and research direction are proposed.

LCC-HVDC；traveling wave protection；under-voltage protection；differential protection

TM75

B

1006-7345(2015)04-0086-03

2015-03-05

王旭 (1984)，男，碩士，工程師，國(guó)網(wǎng)開(kāi)封供電公司，從事線路運(yùn)維檢修工作 (e-mail)wagnxu198403＠163.com。