一種特高壓直流輸電線路雙端暫態(tài)保護(hù)方法

彭濤，王劍強(qiáng)，李一鳴，潘科，董升，金舒燦

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江金華，321000）

0 引言

研究證明對(duì)于遠(yuǎn)距離的大功率跨區(qū)輸電[1]直流比交流更加適合，且直流輸電能實(shí)現(xiàn)多種方式的快速調(diào)節(jié)?？紤]到直流線路在直流輸電系統(tǒng)中的重要作用，其區(qū)內(nèi)外短路故障會(huì)嚴(yán)重影響直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前在特高壓直流輸電線路中應(yīng)用的保護(hù)主要是行波保護(hù)，但其很容易受到換相失敗、雷電等的干擾，在線路高阻抗短路接地的情況下靈敏度也低[2]，因此，研究性能更為優(yōu)越的特高壓直流線路保護(hù)是我們迫切的任務(wù)。本文在此基礎(chǔ)上提出了一種基于直流濾波器電流變化量和變化率的區(qū)外、內(nèi)故障識(shí)別判據(jù)，此方法對(duì)采樣頻率要求較低，易于工程實(shí)現(xiàn)，大量仿真結(jié)果表明本文所提方法具有良好的耐過(guò)渡電阻的能力。

1 UHVDC輸電線路邊界元件特性分析

本文采用所提供的實(shí)際線路參數(shù)，利用PSCAD/EMTDC軟件建立云廣±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)模型，總送電容量為5000MW；逆變側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償容量是3040Mvar而整流側(cè)為3000Mvar；串聯(lián)2個(gè)12脈沖換流器組成每極的換流器，直流輸電線路全長(zhǎng)為1500km；線路兩側(cè)都裝有400mH的平波電抗器和直流濾波器，平波電抗器抑制換流電路產(chǎn)生的紋波，直流濾波器是12/24/36三調(diào)諧濾波。平波電抗器和直流濾波器組合構(gòu)成了高壓直流輸電線路現(xiàn)實(shí)中的物理邊界。

現(xiàn)對(duì)直流濾波器和平波電抗器所組成的物理邊界進(jìn)行理論分析，其中：U2為區(qū)外暫態(tài)電壓，當(dāng)U2經(jīng)邊界至高壓直流線路保護(hù)安裝處變?yōu)閁1即區(qū)內(nèi)暫態(tài)電壓。

定義邊界元件的傳遞函數(shù)為：

圖1 云廣高壓直流輸電系統(tǒng)

圖2 傳遞函數(shù)幅頻特性

對(duì)于直流線路區(qū)外故障，由于暫態(tài)電壓經(jīng)過(guò)平波電抗器至直流線路保護(hù)安裝處的高頻分量很小，所以流進(jìn)直流濾波器的600Hz、1200Hz和1800Hz高頻信號(hào)也較小。

當(dāng)高壓直流線路區(qū)內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)，由于高頻暫態(tài)信號(hào)不容易通過(guò)邊界元件，因此流進(jìn)直流濾波器的600Hz、1200Hz和1800Hz的高頻分量較大，以上分析可知區(qū)內(nèi)外故障流過(guò)直流濾波器電流波形區(qū)別很大。利用區(qū)內(nèi)、外故障時(shí)流過(guò)直流濾波器電流變化率不同這種差異就能準(zhǔn)確識(shí)別區(qū)內(nèi)、外故障。

2 直流輸電線路區(qū)內(nèi)、外故障特征分析

2.1 故障特征分析

由于高壓直流輸電線路兩端均裝設(shè)有直流濾波環(huán)節(jié)，使得直流輸電線路發(fā)生區(qū)外、區(qū)內(nèi)故障時(shí)，故障分量網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就不同。直流輸電線路發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，輸電線路兩端的平波電抗器會(huì)對(duì)高頻信號(hào)產(chǎn)生阻滯作用，使得流過(guò)直流濾波器支路互感器的高頻電流分量很??；直流輸電線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)，平波電抗器沒(méi)有對(duì)故障信號(hào)產(chǎn)生阻滯作用，流過(guò)直流濾波器支路互感器高頻分量很大。由以上分析可以知道，直流輸電線路區(qū)內(nèi)、外故障時(shí)流過(guò)直流濾波器支路的高頻分量信號(hào)差異明顯，利用濾波器支路中電流信號(hào)差異進(jìn)行高壓輸電線路區(qū)內(nèi)外故障的判斷將具有很好的靈敏度和選擇性。

由于直流濾波環(huán)節(jié)的存在，對(duì)于區(qū)內(nèi)故障，其阻抗曲線對(duì)直流濾波支路特定諧振頻點(diǎn)600、1200和1800 Hz具有帶通性，使得流過(guò)直流濾波器支路的這3個(gè)頻率分量的幅值變化較大，相反故障發(fā)生在直流輸電線路區(qū)外時(shí)，由于平波電抗器的作用3個(gè)頻率分量流過(guò)直流濾波器的幅值變化較小。

不同的過(guò)渡電阻令高壓直流輸電系統(tǒng)正極接地故障點(diǎn)距中m點(diǎn)100m的f2和區(qū)外f4處，過(guò)度電阻分別設(shè)為10、48、100Ω，仿真測(cè)得m端的直流濾波器支路電流如圖3和圖4所示。

圖3 區(qū)內(nèi)不同過(guò)度電阻直流濾波器電流波形

圖4 區(qū)外不同過(guò)度電阻直流濾波器電流

2.2 故障發(fā)生判據(jù)

根據(jù)2.1節(jié)分析，可以利用直流輸電線路發(fā)生故障時(shí)，直流濾波支路電流迅速增加，根據(jù)產(chǎn)生的變化量判定故障是否發(fā)生，構(gòu)造判據(jù)：

2.3 保護(hù)動(dòng)作判據(jù)

根據(jù)2.1節(jié)分析，當(dāng)直流輸電線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，只有線路對(duì)高頻故障信號(hào)進(jìn)行衰減，到達(dá)保護(hù)安裝處高頻信號(hào)變化率大，而當(dāng)對(duì)側(cè)區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，高頻故障信號(hào)經(jīng)過(guò)邊界和線路的雙重衰減，到達(dá)保護(hù)安裝處的高頻信號(hào)幅值變化率較小。因此根據(jù)區(qū)內(nèi)、外故障流過(guò)直流濾波器的電流變化率的不同，可以構(gòu)造區(qū)內(nèi)、外故障判據(jù)

由圖3、圖4，過(guò)渡電阻越大，直流濾波器直流電流幅值和變化率越小，所以對(duì)于區(qū)外故障，小過(guò)渡電阻近距離故障的直流濾波器電流變化率最大，防止突發(fā)性信號(hào)干擾，變化率取3點(diǎn)平均值。

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算并在提高判斷裕度的情況下取Pset=1900A/s，因此規(guī)定區(qū)內(nèi)外故障判據(jù)為：若P<1900A/s，判斷為區(qū)外故障;相反P>1900A/s，判斷為區(qū)內(nèi)故障。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

在所建立的云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)仿真模型上經(jīng)過(guò)大量的仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了上述公式(3)所提出的判據(jù)。保護(hù)裝置的采樣頻率為20kHz，時(shí)間窗長(zhǎng)度取0.5個(gè)周波。改變故障位置和過(guò)渡電阻的大小后，仿真試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表1表明，在不同故障距離和過(guò)渡電阻大小的情況下，均能正確判斷區(qū)內(nèi)外故障。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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4 結(jié)論

綜合考慮特高壓直流輸電保護(hù)準(zhǔn)確性與快速性的要求，提出了一種利用直流濾波器支路暫態(tài)電流變化量與變化率的特高壓直流輸電線路暫態(tài)保護(hù)方法，分析得以下結(jié)論：(1）該方法用雙端保護(hù)是因?yàn)殡S著線路長(zhǎng)度增加到一定程度，直流輸電線路對(duì)高頻信號(hào)的衰減作用會(huì)大于由平波電抗器和直流濾波器所組成的邊界元件的衰減作用。(2）系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，流過(guò)直流濾波器電流會(huì)急劇增加。(3）區(qū)內(nèi)、外發(fā)生故障時(shí)對(duì)應(yīng)流過(guò)直流濾波器電流變化率不同，可以用此判別區(qū)內(nèi)、外故障。