參考電壓變化的直流輸電線路故障識(shí)別與保護(hù)策略分析

中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局 李言武

1 引言

直流輸電線路對(duì)于故障診斷具有較高要求，因此需要對(duì)故障診斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善，提高線路故障的處理效率，構(gòu)建完善的故障排查目標(biāo)。直流輸電線路的距離較遠(yuǎn)，需要跨區(qū)域?qū)崿F(xiàn)輸電，對(duì)線路安全性具有一定的影響，容易引發(fā)故障問(wèn)題，影響直流線路的正常輸電。故障分析過(guò)程中，需要關(guān)注參考電壓的變化，有助于故障問(wèn)題的準(zhǔn)確分析，進(jìn)而采取針對(duì)性的保護(hù)策略。

2 參考電壓變化的直流輸電線路故障識(shí)別

2.1 區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別

直流輸電線路運(yùn)行過(guò)程中，存在著區(qū)內(nèi)外故障的問(wèn)題，將會(huì)對(duì)有功功率的變化造成影響，導(dǎo)致線路無(wú)法正常工作。故障識(shí)別過(guò)程中，需要注重暫態(tài)能量值的獲取，采用能量值對(duì)比的方式展開(kāi)分析，對(duì)故障進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，完成對(duì)區(qū)內(nèi)外故障的診斷。在發(fā)生區(qū)內(nèi)外故障的情況下，暫態(tài)能量將會(huì)發(fā)生一定程度的變化，暫態(tài)能量的計(jì)算公式如下：

公式中，KP、KN分別代表正負(fù)極暫態(tài)能量的比值。通過(guò)上述公式可以對(duì)故障的狀態(tài)進(jìn)行判斷，確定故障的具體影響。故障判斷采用整定值分析的方式，對(duì)區(qū)內(nèi)外故障進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行確定故障的類別。區(qū)內(nèi)故障診斷如下：正極故障整定值為KPD，若KP＞KPD，則說(shuō)明該故障為區(qū)內(nèi)故障所致。區(qū)外故障診斷如下：負(fù)極故障整定值為KND，若KN＞KND，則說(shuō)明該故障為區(qū)外故障所致。

因此，整定值是判斷區(qū)內(nèi)外故障的重要依據(jù)，需要嚴(yán)格對(duì)整定值進(jìn)行分析，將其與暫態(tài)能量進(jìn)行對(duì)比。以某電力企業(yè)故障識(shí)別為例，對(duì)線路的故障進(jìn)行檢驗(yàn)，測(cè)得正極、負(fù)極暫態(tài)能量比值分別為KP＝0.8、KN＝0.4，正極、負(fù)極故障整定值分別為KPD＝0.4、KND＝0.5。由 于KP＞KPD，KN＜KND，因此該直流線路故障為區(qū)內(nèi)故障所致[1]。

2.2 單雙極故障識(shí)別

在直流輸電線路中，其中一極發(fā)生故障后，另一極將會(huì)受到影響，導(dǎo)致兩極相差的能量較大，無(wú)法顯著地進(jìn)行控制，使得線路故障愈發(fā)顯著。單雙極故障主要體現(xiàn)在能量差方面，故障識(shí)別過(guò)程中，需要對(duì)能量差引起關(guān)注，將其作為判斷該故障的依據(jù)，確保對(duì)故障的識(shí)別準(zhǔn)確性。單雙極故障可由|KP-KN|與Kpole對(duì)比實(shí)現(xiàn)，其中Kpole正負(fù)極能量差值整定值。若直流輸電線路為單極故障，則|KPKN|＞Kpole；若|KP-KN|≤Kpole，則線路為雙極故障。以某電力企業(yè)故障識(shí)別為例，對(duì)線路故障進(jìn)行檢測(cè)后，得到的正負(fù)極能量差為|KP-KN|=2.56，差值整定值Kpole＝0.05，由于前者大于后者，因此直流線路故障為單極性故障所致。

2.3 正負(fù)極故障識(shí)別

正負(fù)極故障是直流輸電線路的常見(jiàn)故障，當(dāng)發(fā)生該故障時(shí)，正負(fù)極能量存在較大的波動(dòng)，需要對(duì)正負(fù)極的能量進(jìn)行分析，提高正負(fù)極故障的辨識(shí)效果。正負(fù)極故障的識(shí)別方法如下：正極能量為E∑p，負(fù)極能量為E∑N，若E∑p＞E∑N，則說(shuō)明直流輸電線路為正極故障；若E∑p≤E∑N，則說(shuō)明直流輸電線路為負(fù)極故障。

3 參考電壓變化的直流輸電線路保護(hù)策略

3.1 故障后保護(hù)啟動(dòng)

為確保直流輸電線路能夠正常工作，需要采用保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)，確保線路具有良好的工作狀態(tài)。如圖1所示，正常狀態(tài)下，線路中具有如下關(guān)系：

圖1 直流輸電線路等效圖

當(dāng)線路發(fā)生故障后，線路將會(huì)產(chǎn)生故障分量，并且引發(fā)暫態(tài)能量發(fā)生變化，導(dǎo)致直流線路無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。為確保直流線路能夠穩(wěn)定運(yùn)行，需要采取故障保護(hù)措施，對(duì)線路的故障動(dòng)作進(jìn)行保護(hù)[2]。直流輸電線路故障保護(hù)措施有以下幾點(diǎn)。

一是為直流線路增加保護(hù)運(yùn)行裝置，對(duì)線路參考電壓進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)線路的故障情況進(jìn)行判斷，使故障能夠被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，確保故障能夠得到快速處理。

二是對(duì)直流線路電壓波動(dòng)情況進(jìn)行檢驗(yàn)，若|U-UN|＞0.1Ua，則表面線路存在故障分量，需要對(duì)故障進(jìn)行持續(xù)化地監(jiān)督，便于對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行分析。

三是將暫態(tài)值與整定值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)故障的類別進(jìn)行判斷，使直流輸電線路故障得到精準(zhǔn)檢驗(yàn)，為區(qū)內(nèi)外故障的保護(hù)提供依據(jù)。

四是將正負(fù)極能量差值與整定值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)正負(fù)極故障展開(kāi)分析，一旦發(fā)生正負(fù)極故障，則需要立即進(jìn)行動(dòng)作保護(hù)，降低故障對(duì)線路的影響。

3.2 縱聯(lián)行波保護(hù)

直流輸電線路需要對(duì)縱聯(lián)行波進(jìn)行保護(hù)，將其區(qū)內(nèi)外故障對(duì)線路的影響，提高保護(hù)方案的合理性。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生正向行波和反向行波，兩種波行波將會(huì)同時(shí)到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，但行波的幅度具有一定的差距，通常情況下，前者要小于后者。若發(fā)生區(qū)外故障，則前者將會(huì)大于后者，出現(xiàn)與上述情況不同的結(jié)果?？v聯(lián)保護(hù)方案的構(gòu)建如下：

首先，需要構(gòu)建雙極直流線路，采用相模變換對(duì)線路進(jìn)行解耦，對(duì)故障分量進(jìn)行確定，進(jìn)而確定故障的補(bǔ)償措施。其次，要對(duì)故障極進(jìn)行選取，確定故障分量的極性，使其與地模分量相反，對(duì)故障極進(jìn)行精準(zhǔn)地檢驗(yàn)，提高行波保護(hù)的有效性。最后，制定保護(hù)判斷，將故障結(jié)果發(fā)送給保護(hù)裝置，使故障能夠快速地進(jìn)行處理，確保線路故障的恢復(fù)邏輯，使線路能夠重新恢復(fù)到穩(wěn)定，提高線路故障的動(dòng)作效率。

3.3 直流線路保護(hù)配置

參考電壓變化是實(shí)施線路保護(hù)的重要依據(jù)，需要做好直流分壓的檢查工作，由直流分壓器對(duì)線路展開(kāi)分析，確定線路的電壓變化情況。在輸電信號(hào)檢測(cè)方面，需要增加電壓檢測(cè)模塊，確定直流線路的電壓分布情況，確保對(duì)電壓的檢測(cè)精度。若線路發(fā)生短路故障，線路電壓將會(huì)明顯升高，并且暫態(tài)分量將會(huì)增加，引起線路觸發(fā)縱差保護(hù)，故障線路能夠得到及時(shí)切斷。當(dāng)線路發(fā)生接地故障時(shí)，線路檢測(cè)裝置將會(huì)發(fā)送行波，引起線路電流的幅值發(fā)生變化，使得線路發(fā)生跳閘現(xiàn)象，對(duì)直流線路進(jìn)行安全保護(hù)。故障恢復(fù)過(guò)程中，需要制定故障恢復(fù)順序，使離電后的系統(tǒng)能夠順利恢復(fù)，使直流線路能夠得到行波保護(hù)，降低短路現(xiàn)象對(duì)線路的影響，保證線路處于安全的運(yùn)行狀態(tài)。

3.4 低電壓保護(hù)

直流輸電線路運(yùn)行過(guò)程中，需要做好低壓保護(hù)工作，防止線路出現(xiàn)欠電壓狀態(tài)，導(dǎo)致線路突然出現(xiàn)故障。在低壓狀態(tài)下，需要增大電流才能維持電壓的穩(wěn)定，防止線路出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，導(dǎo)致線路出現(xiàn)燒毀。對(duì)線路進(jìn)行保護(hù)時(shí)，可由熔斷器、脫扣器等保護(hù)元件，對(duì)線路進(jìn)行低壓保護(hù)，確保低壓狀態(tài)線路的安全。低壓線路對(duì)用電設(shè)備的危害較大，需要做好電壓整定值的設(shè)定，提高電壓保護(hù)措施的有效性，對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

以電動(dòng)機(jī)的保護(hù)為例，需要對(duì)保護(hù)裝置的整定值進(jìn)行設(shè)定，將整定電壓設(shè)置為電動(dòng)機(jī)額定電壓的60%～70%，并且保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于0.5s，確保欠電壓狀態(tài)下防止電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)損傷，使保護(hù)裝置能夠及時(shí)通斷，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行全面的保護(hù)。因此，電壓整定值和動(dòng)作時(shí)間是實(shí)施線路保護(hù)的重要參數(shù)，需要合理對(duì)保護(hù)電壓進(jìn)行設(shè)置，保障直流線路的運(yùn)行安全[3]。

3.5 過(guò)電壓保護(hù)

過(guò)電壓現(xiàn)象對(duì)直流線路的危害較大，線路的電壓將會(huì)大于穩(wěn)態(tài)值，導(dǎo)致線路無(wú)法正常運(yùn)行，并且引起用電設(shè)備的負(fù)荷增大，造成用電設(shè)備的燒毀。在過(guò)電壓的作用下，電壓的峰值將會(huì)用電設(shè)備的正常電壓，同時(shí)會(huì)存在暫態(tài)過(guò)電壓，可以在0.1～1.0s內(nèi)對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生作用，對(duì)其迅速造成擊穿，影響輸電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，要注重過(guò)電壓保護(hù)裝置的應(yīng)用，將其安裝在線路中，防止對(duì)用電設(shè)備造成損傷，提高直流輸電的安全性。過(guò)電壓保護(hù)過(guò)程中，需要考慮到用電設(shè)備的耐受性，通過(guò)對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行應(yīng)用，將線路電壓限定在額定范圍，確保定壓保護(hù)的有效性，保障用電設(shè)備能夠正常運(yùn)行。受到過(guò)電壓的影響，線路電壓將會(huì)超出設(shè)備的耐受性，需要對(duì)過(guò)電壓的保護(hù)引起重視。

過(guò)電壓保護(hù)主要包含以下形式：一是要注重基本保護(hù)方法的應(yīng)用，降低過(guò)電壓對(duì)設(shè)備的威脅。在保護(hù)過(guò)程中，要注重能量的轉(zhuǎn)移，采用屏蔽、濾波等方式，提高對(duì)設(shè)備的保護(hù)作用。必要時(shí)，可以安裝隔離變壓器，將設(shè)備與線路隔離開(kāi)來(lái)，對(duì)過(guò)電壓的影響進(jìn)行控制。

二是注重多級(jí)保護(hù)的應(yīng)用，對(duì)直流輸電線路逐級(jí)進(jìn)行降壓，防止線路電壓突然增大，對(duì)線路造成損傷。在多級(jí)保護(hù)的作用下，可以提高設(shè)備的承受能力，使線路電壓處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

三是對(duì)線路的端口進(jìn)行保護(hù)，對(duì)持續(xù)工作電壓進(jìn)行控制，提高輸電線路的耐受能力。如采用熔斷器、斷路器等實(shí)施保護(hù)時(shí)，需要確保材料質(zhì)量的指標(biāo)，保障設(shè)備具有良好的耐受特性，對(duì)直流電源端口進(jìn)行保護(hù)。直流電源端口應(yīng)注重峰值的控制，對(duì)最大持續(xù)工作電壓進(jìn)行控制，確保工作電壓低于電平峰值的1.2倍，并且保證插入損耗小于0.2dB。另外，要做好過(guò)壓保護(hù)的監(jiān)視工作，確保保護(hù)設(shè)備與接口的兼容性，使控制裝置能夠順利完成動(dòng)作。

3.6 單極金屬回線保護(hù)

為了對(duì)直流線路的極性進(jìn)行保護(hù)，可以采用單極金屬回線方式進(jìn)行保護(hù)，將停運(yùn)極接入到線路的運(yùn)行極，使線路能夠迅速進(jìn)行保護(hù)作用，提高線路運(yùn)行的可靠性。在單極金屬回線方式下，接地開(kāi)關(guān)將會(huì)起到限位作用，確保短路線路中無(wú)電流通過(guò)，由停運(yùn)極構(gòu)成完整回路，進(jìn)而對(duì)直流線路進(jìn)行極性保護(hù)。限制電位是實(shí)現(xiàn)極性保護(hù)的關(guān)鍵，需要對(duì)單極金屬回線的電位進(jìn)行分析，使電流能夠有限流入故障接地點(diǎn)，使極性故障能夠從輸電線路中切出，保障線路動(dòng)作的正確性。線路故障點(diǎn)與高速開(kāi)關(guān)接地點(diǎn)會(huì)形成回路，使線路能夠及時(shí)消除故障，促使高速開(kāi)關(guān)接地回路的形成。在該保護(hù)線路中，需要注意故障的恢復(fù)順序，當(dāng)短路故障為持久性接地時(shí)，直流保護(hù)過(guò)程將會(huì)形成閉鎖，強(qiáng)制保護(hù)開(kāi)關(guān)進(jìn)行跳開(kāi)，對(duì)直流線路進(jìn)行充分控制。

單極金屬回線保護(hù)能夠解決接地故障問(wèn)題，而且能夠?qū)€路進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，提高線路的保護(hù)控制效果。故障點(diǎn)需要與接地回路構(gòu)建連接，將停運(yùn)極進(jìn)行金屬回線連接，使金屬回線能夠正常發(fā)揮作用，保障該保護(hù)方式的故障切除能力。為了提高該保護(hù)的方式的安全性，需要注重閉鎖保護(hù)的應(yīng)用，構(gòu)造直流保護(hù)線路的閉鎖條件，使線路的保護(hù)更加的充分。在閉鎖保護(hù)的作用下，使受保護(hù)線路能夠安全地進(jìn)行恢復(fù)，使線路能夠作用于運(yùn)行極，一方面可以防止線路恢復(fù)時(shí)出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，構(gòu)建良好的運(yùn)行恢復(fù)機(jī)制，提高線路的運(yùn)行效果。另一方面，對(duì)單極金屬回線保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，提高故障恢復(fù)過(guò)程的穩(wěn)定性，提高對(duì)線路的保護(hù)作用。

綜上所述，直流輸電線路保護(hù)過(guò)程較為復(fù)雜，需要以故障識(shí)別作為依據(jù)，對(duì)線路故障進(jìn)行確定，使線路故障得到充分分析。為了確保線路運(yùn)行的安全性，需要采用線路保護(hù)策略，對(duì)線路進(jìn)行全面地保護(hù)，防止線路由于故障受到損傷，影響線路的穩(wěn)定運(yùn)行。直流輸電線路需要嚴(yán)格進(jìn)行保護(hù)，按照要求實(shí)施保護(hù)策略，提高線路運(yùn)行的安全性，排除故障隱患對(duì)正常線路的干擾。