特高壓直流線路保護(hù)原理及動(dòng)作策略分析

趙韋 張妙靜

摘要：目前，伴隨著電力企業(yè)的快速發(fā)展，行波保護(hù)作為現(xiàn)有特高壓直流線路的主保護(hù)優(yōu)勢(shì)明顯，但存在耐過渡電阻能力有限、對(duì)采樣頻率要求高等問題。微分欠壓保護(hù)作為行波保護(hù)的冗余保護(hù)，缺點(diǎn)類似行波保護(hù)，同時(shí)缺乏整定依據(jù)等。低電壓保護(hù)在耐過渡電阻能力方面較強(qiáng)，但其選擇性較差，動(dòng)作速度不夠快。電流縱差保護(hù)選擇性好，但由于受到線路分布電容的影響且動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：特高壓直流線路;保護(hù)原理;動(dòng)作策略

引言

由于特高壓直流采用雙12脈動(dòng)換流器串聯(lián)的接線方式，與常規(guī)±500kV高壓直流系統(tǒng)相比，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更復(fù)雜、運(yùn)行方式更靈活，對(duì)直流控制保護(hù)系統(tǒng)的要求也更高。在特高壓直流工程的各組成部分中，接地極線路長(zhǎng)度在50～100km范圍內(nèi)，長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于直流輸電線路;而其他組成部分都位于換流站內(nèi)或埋于地下，發(fā)生非操作故障的概率也遠(yuǎn)小于輸電線路。

1直流輸電技術(shù)

1.1直流輸電技術(shù)的類型

我們可以根據(jù)工程的結(jié)構(gòu)區(qū)別將直流輸電分為下面幾類：首先，我們通過線路長(zhǎng)度的不同，可以區(qū)分為長(zhǎng)距離輸電和背靠背輸電;其次，通過電壓等級(jí)的不同，可將其分為高壓直流輸電與特高壓直流輸電;再次，通過換流站數(shù)量的不同，將其分為多端輸電與兩端輸電這兩種。最后我們依據(jù)工程性質(zhì)的不同，還可將直流輸電區(qū)分為背靠背聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遠(yuǎn)距離大容量滯留架空技術(shù)、海底電纜技術(shù)以及城市地下電纜技術(shù)這四大類。

1.2直流輸電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

直流輸電技術(shù)的建設(shè)成本很低，架空線路施工過程不需要花費(fèi)很高的工程造價(jià);直流輸電在電能的傳輸過程中，可以實(shí)現(xiàn)將電能的損耗量控制到最低;直流輸電技術(shù)的電能輸送容量非常大;若電路發(fā)生故障如短路現(xiàn)象時(shí)，直流輸電技術(shù)有效的控制電流形成，使其在故障發(fā)生時(shí)實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)功能;直流輸電技術(shù)還可以優(yōu)化電線線路的走廊，減少線路鋪設(shè)施工的浪費(fèi);直流輸電技術(shù)在進(jìn)行電能調(diào)節(jié)的時(shí)候，可以完成系統(tǒng)的快速響應(yīng)，為整個(gè)電路的運(yùn)行過程帶來(lái)安全與穩(wěn)定的保證;不同步電網(wǎng)在運(yùn)行中的互聯(lián)也可以通過直流輸電技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，而且不會(huì)威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.3直流輸電技術(shù)的缺點(diǎn)

直流輸電技術(shù)的缺點(diǎn)表現(xiàn)在其設(shè)備的成本費(fèi)用很高，其過量承載能力也不是很強(qiáng);在電能輸送過程中，會(huì)消耗一定量的無(wú)功功率;直流輸電技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)借助變壓器調(diào)節(jié)低電壓等級(jí)且在電能的傳輸中，一旦受到諧波的影響，就很難有效地控制電能傳輸質(zhì)量。

2特高壓直流線路關(guān)鍵保護(hù)

2.1行波保護(hù)

由于電流調(diào)節(jié)器對(duì)電流的快速調(diào)節(jié)，直流線路故障瞬間的過沖電流和故障穩(wěn)態(tài)電流相比較交流線路故障時(shí)都要小很多（一般短路電流的峰值僅為正常額定電流值的2倍），這樣就很難根據(jù)正常與故障時(shí)的穩(wěn)態(tài)電流值來(lái)判別故障，于是借助電壓變化量或電流的暫態(tài)分量來(lái)甄別故障，即行波暫態(tài)量保護(hù)。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了許多原理和實(shí)施方式的行波保護(hù)?，F(xiàn)有特高壓直流工程行波保護(hù)應(yīng)用最多的是SIEMENS和ABB公司的方案。SIEMENS方案故障檢測(cè)采用的是反行波突變量的積分，啟動(dòng)判據(jù)采用的是電壓微分。其在常規(guī)高壓直流線路的配置采用3取2原則，而在特高壓直流線路中采用冗余配置，可消除因保護(hù)裝置故障引起的停運(yùn)，但同時(shí)也存在保護(hù)原理不互補(bǔ)的缺點(diǎn)。ABB公司的行波保護(hù)方案采用極模波（polemodewave）來(lái)檢測(cè)故障、用地模波（groundmodewave）來(lái)選擇故障極的。

2.2低電壓保護(hù)

特高壓直流線路的高阻接地故障是常見的故障，快速準(zhǔn)確地檢測(cè)故障對(duì)保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義。低電壓保護(hù)以電壓降低為判據(jù)，常用來(lái)監(jiān)測(cè)高阻接地故障。為了解決行波保護(hù)高阻接地時(shí)耐過渡電阻能力差的問題，很多直流工程采用低電壓保護(hù)監(jiān)測(cè)直流線路高阻接地的情況。然而，其判據(jù)一般采用的是固定值，這就會(huì)引起保護(hù)在高、低負(fù)荷時(shí)分別出現(xiàn)拒動(dòng)和誤動(dòng)的情況。針對(duì)該情況提出依據(jù)不同的系統(tǒng)和負(fù)荷狀況對(duì)判據(jù)定值調(diào)整的方法。雖然以上文獻(xiàn)改進(jìn)了低電壓保護(hù)的整定依據(jù)，但存在著通用性差，無(wú)法克服低電壓保護(hù)選擇性差、動(dòng)作速度慢的缺點(diǎn)。

2.3電流縱差保護(hù)

特高壓直流線路的電流縱差保護(hù)是通過對(duì)兩端換流站線路電流的比較來(lái)甄別故障的，理論上具有絕對(duì)的選擇性，但由于受到線路分布電容的影響，需要等暫態(tài)過程結(jié)束后保護(hù)判據(jù)才成立，因此動(dòng)作時(shí)間稍長(zhǎng)，常用于切除高阻故障。同時(shí)，電流縱差保護(hù)需要專門的通信通道，而其通信通道具有可靠性差的先天不足。針對(duì)電流縱差保護(hù)存在的問題和不足提出了改進(jìn)。提出了基于分布參數(shù)模型的保護(hù)原理，消除了分布電容電流的影響?；诜植紖?shù)模型，提出了不受數(shù)據(jù)不同步影響的直流差動(dòng)保護(hù)，避免差動(dòng)保護(hù)因區(qū)外故障數(shù)據(jù)不同步而誤動(dòng)?？紤]到現(xiàn)有工程的實(shí)際采樣率低的現(xiàn)狀，提出了基于電流頻率特性的縱差保護(hù)。 提出利用線路兩端電流的突變量識(shí)別區(qū)內(nèi)、外故障。該方法不需要兩端數(shù)據(jù)嚴(yán)格同步，對(duì)采樣頻率和通道的通信速度要求都不高，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。為了提高對(duì)線路末端故障判斷的準(zhǔn)確性，利用特定頻率電流方向一致時(shí)波形匹配程度高，反之匹配程度低的性質(zhì)來(lái)判別區(qū)內(nèi)、外故障，避免了諧波電流相位的精確計(jì)算，可以可靠識(shí)別線路末端故障。

3特高壓直流線路保護(hù)動(dòng)作策略

直流電流沒有天然的過零點(diǎn)，導(dǎo)致電弧無(wú)法自行消除，而現(xiàn)有的直流斷路器切斷故障電流能力又未能滿足特高壓工程的需求，因此特高壓直流線路故障后需依靠直流控制系統(tǒng)來(lái)清除故障。直流控制系統(tǒng)常見的保護(hù)動(dòng)作策略總結(jié)如下，直流系統(tǒng)故障后通常會(huì)啟用其中的1種或幾種。（1）告警：提示運(yùn)行人員及時(shí)采取動(dòng)作，使設(shè)備和系統(tǒng)恢復(fù)正常。（2）移相：臨時(shí)增大晶閘管觸發(fā)角，整流器短時(shí)逆變運(yùn)行，直流線路上的能量迅速向交流系統(tǒng)釋放;同時(shí)逆變器的觸發(fā)角迅速增大到最大值，從而熄滅直流電流。（3）投入旁通對(duì)：于逆變側(cè)執(zhí)行。保持最后導(dǎo)通的閥處于導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)觸發(fā)與其同相的晶閘管導(dǎo)通，閉鎖其他晶閘管。使直流電壓迅速下降到0，隔離交流直流系統(tǒng)。（4）跳交流斷路器。（5）禁止投入旁通對(duì)：有時(shí)投入旁通對(duì)會(huì)使得故障擴(kuò)大，此時(shí)禁投旁通對(duì)。（6）故障重啟：用于清除直流線路和接地極線路上的瞬時(shí)性故障。含移相、降電流等策略。（7）控制系統(tǒng)切換：強(qiáng)制切換控制系統(tǒng)到備用系統(tǒng)，避免控制系統(tǒng)故障誤動(dòng)。（8）換流器閉鎖/極閉鎖：停發(fā)觸發(fā)脈沖，晶閘管隨后截止，直流線路上的能量失去來(lái)源。常伴隨移相、投入旁通對(duì)等操作，換流閥在直流電流過零以后自然關(guān)斷。（9）極隔離：雙極輸電系統(tǒng)的某個(gè)極被迫退出運(yùn)行時(shí)，斷開此極的電氣連接。（10）緊急停運(yùn)：當(dāng)交流或直流系統(tǒng)發(fā)生永久性故障，且超過控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力時(shí)，兩側(cè)分別用移相、閉鎖脈沖、投入旁通對(duì)等措施并斷開交流側(cè)斷路器。

結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的今天，通過對(duì)繼電保護(hù)技術(shù)的使用進(jìn)行研究，可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，促進(jìn)了我國(guó)電網(wǎng)工程建設(shè)和高壓變電站的建設(shè)。通過對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備的改造和升級(jí)，對(duì)電力系統(tǒng)和繼電保護(hù)設(shè)備中容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行研究、處理和匯總，從而制定出科學(xué)合理的應(yīng)對(duì)措施。

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