高壓直流輸電線路故障分析與保護研究

李少翀

摘要：高壓直流輸電線路在增大線路系統(tǒng)的可靠性上比交流輸電線路更強，而且還可以更好的把系統(tǒng)的短路容量限制在一定范圍，還具備系統(tǒng)的非同步聯(lián)網(wǎng)、造價低等其他顯著優(yōu)勢，因此直流輸電工程得到了快速高效的發(fā)展。但其線路存在故障分析與保護的相關研究與解決措施卻發(fā)展較慢。究其主要原因是，直流輸電線路走向較為復雜，路段中故障率比較高，并且線路故障的原因多種多樣很是復雜。本文借鑒我國國內(nèi)直流輸電工程現(xiàn)狀與未來的需求，對于高壓直流輸電線路中的故障進行分析，并提出相應的保護措施。

關鍵詞：高壓直流輸電；線路故障分析；行波法；線路保護

一、緒論

1.1研究背景及意義

世界第一個工業(yè)性上的高壓直流輸電工程在1954年投入使用，自此高壓直流輸電技術慢慢發(fā)展起來，加之控制理論和電子電力計算機技術的的成熟更加加速了它的發(fā)展，現(xiàn)如今，它以電壓高，容量大，造價低可以遠距離送電等優(yōu)勢成為輸電的重要途徑和手段。但隨著高壓直流輸電的迅猛發(fā)展，問題也隨之而來，其中線路的故障問題得到廣泛重視，故障分析與保護線路問題亟待解決。因此要對高壓直流輸電線路系統(tǒng)的控制與保護模式進行模擬仿真，分析研究其故障所在及原因，設計保護方案。

1.2高壓直流輸電系統(tǒng)簡介

在網(wǎng)絡元件的構成上，直流與交流輸電系統(tǒng)存在著一定差異。直流輸電系統(tǒng)由三部分組成，分別是整流站、逆變站和直流線路?？傮w上遵循交流—直流—交流形式的一個電路系統(tǒng)。在電力電子系統(tǒng)領域中，最開始應用的最成熟的也就是高壓直流輸電技術了。

高壓直流輸電系統(tǒng)有很多種類型的、不同種的端子數(shù)目，還有不一樣的換相方式和連接方式，所以也有著許多不同的分類方法。直流送電的關鍵環(huán)節(jié)是換流器部分，但由于換流器里面元件不同特性可以對其進行分類。具體分類如下：

（1）長距離直流輸電

這是高壓直流輸電系統(tǒng)的一種主要形式，可以實現(xiàn)把電能從電源中心傳送到負荷中心，其典型接線的線路圖如上圖1-1所示。又電能可以只沿一個方向或者雙方向運送，可以由此可以將長距離的直流輸電分成單方向直流和雙方向直流運輸兩種方式。

（2）BTB方式直流輸電

這種直流送電方式線路的主回路如圖1-2所示。這種方式可以看做是兩組換流器，通過把平波電抗器反并聯(lián)，所以這種輸電方式也叫背靠背式（BTB）。

這種方式?jīng)]有直流輸電線路，在同一場所的兩側都設置有換流器，它擁有快速潮流反轉功能，交流輸電系統(tǒng)的頻率改換和功率調(diào)控都可以借此實現(xiàn)，方便且實用。

二、高壓直流輸電線路系統(tǒng)的故障檢測及原因分析

直流系統(tǒng)中，最容易出現(xiàn)故障的是直流輸電線路，這一部分的故障率也是導致輸電可靠性下降的根本原因。如發(fā)生遭受雷擊，嚴重污染或者其他環(huán)境因素所造成的，這些可使線路的絕緣水平變得非常差，繼而會對線路造成嚴重破壞。而通常情況下，直流送電線路距離很長，可能會經(jīng)過不同氣候、地域以及不同的天氣，有的時候工作環(huán)境和條件會十分的惡劣，因此發(fā)生故障的頻率也會高一些，修復起來也是周期長，操作也會很困難，嚴重影響了輸電的效率，維護成本也會增多。所以，要準確地把故障位置確定下來，是很重要的一項技術。

2.1直流輸電線路故障定位研究現(xiàn)狀

直流輸電線路的頻率和交流的能量集中頻帶是不同的，但是它們的物理本質(zhì)相同，所以用于交流線路和直流線路的部分故障的定位原理可以用同一種方法。然而，個中原理較多，但直流的故障定位原理是單一的，所以，通常采用行波原理法。

2.2直流輸電線路行波故障定位

檢測交流線路最初也是采用行波故障定位方法。其最早運用行波定位的方法是在20世紀中旬，由于暫態(tài)行波的傳播速度很快，接近光速，是比較穩(wěn)定的，；；令暫態(tài)行波在母線與故障點之間傳播，便可以測量出故障的距離，檢測出故障線路段。并且這種行波法測量距離的準確性和可靠程度在理論上均不受故障電阻、線路的類型以及系統(tǒng)的影響。

三、高壓直流輸電線路保護措施的研究

高壓直流輸電線路結構并不復雜，所以相對來說用行波法也比較簡單和可靠。電壓和電流的行波都不受直流母線的結構影響，行波的波抗阻主要來源于兩端換流站，但折射率幾乎為零，這一特性可以很好地促進直流輸電的行波保護同時節(jié)約了成本。同時，如果行波的波頭傳播到直流線路區(qū)域外的故障處的保護安裝時，都會減弱波的幅值和陡度，原因是換流器和平波電抗器的高波阻抗的特性，因此目前為止，行波保護法是作為高壓直流輸電工程中廣泛使用的主要的保護方法。

3.1高壓直流輸電線路行波保護

行波保護法可以分成兩類，一類是單端行波保護，另一個是雙端行波保護，其分類依據(jù)是是否采用了通信通道。雙端行波保護方法還可以分成兩類，行波差動保護和行波方向保護。單端行波保護法也是可以分成兩類，一種是對于行波距離的保護，第二種是對于高頻噪聲的保護。

3.4結語

直流輸電線路的控制保護系統(tǒng)很重要，它是一個執(zhí)行機構，對于它的性能特性當面的設計也有很高的要求，這取決于交直流系統(tǒng)，還有設計一次設備對于影響也不小。另一方面，也要不斷提高直流線路的保護系統(tǒng)的安全和高效性，使其更高好的工作，具體措施可以為提高準確性：增大自我檢測能力的覆蓋率和提高準確率，并且使用多樣化和分散式的設計，并提高集成度是目前很廣泛和主要的保護方法。此外，還要做好日常設備運行監(jiān)視和維護，保持冗余系統(tǒng)各環(huán)節(jié)元件健康運行。

參考文獻：

[1]李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)的運行和控制[M].北京：科學出版社，2015，6

[2]李愛民，蔡澤祥，李曉華.高壓直流輸電線路行波保護影響因素分析及改進[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，34（10）：76-80

[3]舒印彪.中國直流輸電的現(xiàn)狀及展望[J].高電壓技術，2014，30（11）： 1-2.

[4]艾琳.高壓直流輸電線路行波保護的研究[D].北京：華北電力大學，2012.

[5]劉振亞.特高壓直流輸電理論[M].北京：中國電力出版社，2015