基于故障電流回路特性的柔性直流架空線路縱聯(lián)保護(hù)

單節(jié)杉，任 敏，田鑫萃，束洪春，李 濤，薄志謙

（昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南省昆明市 650051）

0 引言

柔性直流輸電系統(tǒng)控制靈活，供電可靠性高，在新能源發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電和高壓大容量輸電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。考慮到輸電容量、距離和電壓等級等問題，架空線路是柔性直流輸電系統(tǒng)的主要輸電方式［1-3］。架空線路運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，故障概率高，柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，故障電流上升快、幅值大，對換流站和其他一次設(shè)備造成威脅，因此線路保護(hù)必須快速、可靠識(shí)別線路故障，避免短路故障造成更多危害［4-7］。

目前，柔性直流輸電系統(tǒng)保護(hù)方法可分為單端量保護(hù)和雙端縱聯(lián)保護(hù)。單端量保護(hù)無須通信，主要以直流電壓變化率、變化量和直流電流變化量構(gòu)造保護(hù)判據(jù)［8-11］，具有很好的速動(dòng)性，但在高阻故障下，故障特征量的突變減小往往會(huì)導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)。針對該問題，文獻(xiàn)［8-11］利用直流線路邊界元件對高頻電氣量衰減特性的影響，通過小波算法提取區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障的暫態(tài)特征差異，實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障識(shí)別。該方法在高阻故障時(shí)的靈敏性高，但在小波變換的種類和尺度選擇上缺乏理論依據(jù)。文獻(xiàn)

［12］提出在原有限流電抗器邊界的基礎(chǔ)上，利用相鄰線路的分流作用，擴(kuò)大邊界范圍，提高單端保護(hù)耐過渡電阻的能力。文獻(xiàn)［13］構(gòu)造了不同采樣周期下的時(shí)域暫態(tài)電壓比判據(jù)，以削弱高阻的影響。文獻(xiàn)［14］提出采用形態(tài)梯度描述電壓形態(tài)特征的單端行波保護(hù)方法，可靠性高。文獻(xiàn)［15］利用方向行波的特征，即反向故障下正向行波幅值和斜率較小來構(gòu)造保護(hù)判據(jù)。文獻(xiàn)［16］利用極波的線模和地模波到達(dá)時(shí)間差內(nèi)的波形消除過渡電阻的影響。該方法在高阻故障下能改善保護(hù)動(dòng)作的靈敏性，但在線路近端故障下，其波頭到達(dá)時(shí)間難以標(biāo)定，存在一定的保護(hù)死區(qū)；在遠(yuǎn)端故障下，線模行波和零模行波到達(dá)測量端的時(shí)刻不一致，導(dǎo)致確定故障到達(dá)時(shí)刻困難?？v聯(lián)保護(hù)利用兩端的故障信息，有較好的耐過渡電阻能力，但受通信延時(shí)和線路分布電容等因素的影響，往往不能滿足速動(dòng)性的要求，故一般作為后備保護(hù)［17-19］。為了提高后備保護(hù)的速動(dòng)性，國內(nèi)外已有較多文獻(xiàn)對此進(jìn)行研究，如文獻(xiàn)［17］提出交換雙端保護(hù)的邏輯信息，不依賴大量數(shù)據(jù)的同步。文獻(xiàn)［18］提出了基于功率方向的縱聯(lián)保護(hù)，采用余弦距離表征功率方向，無需很高的采樣率。文獻(xiàn)［19］提出一種基于線路分布參數(shù)的電流補(bǔ)償新方法。目前，已有各種主保護(hù)方法雖然提高了單端保護(hù)耐高阻的能力，但仍存在保護(hù)定值難以整定的問題［20-22］。同時(shí)，數(shù)字仿真中的高阻故障的本質(zhì)是純電阻阻值很大的故障，而實(shí)際現(xiàn)場中的高阻故障的接地電阻由暫態(tài)電阻過渡到穩(wěn)態(tài)電阻過程有一定的持續(xù)時(shí)間。因此，如何采用統(tǒng)一判據(jù)，以及如何確定判據(jù)定值是提高單端保護(hù)耐過渡電阻能力的關(guān)鍵。

直流線路發(fā)生單極故障時(shí)，會(huì)有很大的入地電流通過接地極，并且在直流系統(tǒng)平衡運(yùn)行時(shí)其值很小，一般在額定電流的1%之內(nèi)。因此，根據(jù)接地極電流幅值可準(zhǔn)確區(qū)分直流側(cè)單極接地故障與其他故障，且定值易于整定。接地極測量點(diǎn)獲取電流本質(zhì)是零模電流，因此能靈敏地感受接地故障電流且具有方向性，可根據(jù)接地極電流方向準(zhǔn)確選取故障極；各換流站根據(jù)本地極線、接地極測量點(diǎn)電流構(gòu)造平衡方程，可閉合觀測故障回路特性，實(shí)現(xiàn)各換流站直流線路保護(hù)正、反故障的快速識(shí)別。為了保證在絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）閉鎖前斷路器能快速可靠動(dòng)作，本文提出了利用整流側(cè)和逆變側(cè)獨(dú)立判斷的結(jié)果作用于各自的斷路器開斷，無須通信；利用逆變側(cè)判斷結(jié)果和通信構(gòu)成重合機(jī)制，即若發(fā)生線路故障，整流側(cè)和逆變側(cè)各自判斷，并斷開斷路器，對端不發(fā)送閉鎖信號，則本端可確定故障類型為區(qū)內(nèi)故障，斷路器在一定時(shí)間后重合。大量仿真驗(yàn)證了本文所提保護(hù)方案能快速、可靠地對直流線路進(jìn)行保護(hù)，并具有良好的抗過渡電阻能力，且算法簡單，對數(shù)據(jù)采樣率要求低。

1 區(qū)內(nèi)、外故障電流回路特性分析

雙極MMC-HVDC 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中：Ldc為平波電抗器；iDL+和iDL-分別為整流側(cè)正極和負(fù)極電流，iDL1+和iDL1-分別為逆變側(cè)正極和負(fù)極電流；iGND和iGND1分別為兩端接地極電流；Rg為接地極等效電阻；F1～F6表示不同的故障位置，對于線路保護(hù)元件而言，F(xiàn)3為區(qū)內(nèi)故障，其他為區(qū)外故障；MMC1～MMC4 為換流站；DCB 為直流斷路器。

圖1 雙極MMC-HVDC 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of bipolar MMC-HVDC system

考慮到斷路器應(yīng)在換流站閉鎖前動(dòng)作，從而避免線路故障造成換流站停運(yùn)［5，17］，本文所提保護(hù)方案只用到閉鎖前的電流，因此下文著重分析在換流站閉鎖前于站端（整流側(cè)）線路電流iDL+和iDL-以及觀測到的不同故障位置下接地極電流iGND的特征。

直流系統(tǒng)發(fā)生線路故障F3、正向區(qū)外故障F4以及反向區(qū)外故障F5下的故障電流回路如圖2 所示，并把正極線路、負(fù)極線路以及接地極線路在中性母線相接的點(diǎn)稱為匯集節(jié)點(diǎn)。

圖2 直流系統(tǒng)發(fā)生不同位置故障下故障電流回路Fig.2 Fault current circuit in case of fault at different positions of DC system

由圖2（a）可知，當(dāng)直流線路發(fā)生單極接地故障時(shí)，接地極是故障回路和健全回路的末端，采用線路測量端和接地極測量端實(shí)現(xiàn)了閉合觀測回路電流特性，且正極線路、負(fù)極線路以及接地極線路構(gòu)成了匯集節(jié)點(diǎn)，當(dāng)直流側(cè)線路接地故障時(shí)，接地極上的電流為故障極電流分量與健全極電流分量之和，故整流側(cè)和逆變側(cè)于匯集節(jié)點(diǎn)的電流關(guān)系為：

由圖2（b）可知，當(dāng)反向換流站出口發(fā)生故障，接地極參與故障回路，其測量端電流迅速增大，其突變方向?yàn)樨?fù)；線路測量端未參與本端故障回路，而參與對端故障回路，因此突變方向?yàn)樨?fù)。同樣地，整流側(cè)和逆變側(cè)匯集節(jié)點(diǎn)的電流關(guān)系為：

由圖2（c）可知，當(dāng)發(fā)生正向區(qū)外故障，從整流側(cè)測量端看正向換流站出口故障中，直流側(cè)電流回路多串入了一個(gè)平波電抗器，因此很難識(shí)別是正向區(qū)外故障，還是線路故障，而從逆變側(cè)匯集節(jié)點(diǎn)電流關(guān)系可以正確識(shí)別，且整流側(cè)和逆變側(cè)匯集節(jié)點(diǎn)的電流關(guān)系為：

整流側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障，換流站輸出的有功功率瞬時(shí)跌落，導(dǎo)致直流電壓下降。由于整流側(cè)有功控制通常采取定直流電壓控制，逆變側(cè)采取定有功功率控制。根據(jù)經(jīng)典比例-積分（PI）偏差控制理論［20］，有

可知，若整流側(cè)交流故障，pdc瞬時(shí)下降，udc在故障后一段時(shí)間基本沒有變化，故idc在一段時(shí)間內(nèi)呈下降趨勢。若逆變側(cè)交流故障，逆變側(cè)換流站輸出功率開始下降，而整流側(cè)輸入功率一段時(shí)間內(nèi)基本不變，從而導(dǎo)致直流電壓抬升，故idc同樣呈下降趨勢。由于變壓器通常采用Y0d 接線方式，零序分量不會(huì)流入直流側(cè)，故交流側(cè)故障不與接地極形成故障回路，接地極電流極小，理論上為0。

2 閉合故障回路電流特性的線路保護(hù)方法

由第1 章可知，不同故障下接地極測量端電流、線路測量端電流的差異性為線路保護(hù)提供了基礎(chǔ)。

2.1 保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)

正常運(yùn)行時(shí)，直流電壓圍繞額定值上下波動(dòng)較小。當(dāng)直流側(cè)短路故障時(shí)，直流電壓迅速下降。交流側(cè)故障時(shí)，由于直流系統(tǒng)輸入與輸出的功率不平衡，也將引起直流電壓的上升或下降，因此，本文以改進(jìn)電壓梯度算法作為保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)［22］：

式中：?udc(k)為采樣時(shí)刻k的極線電壓梯度值；udc(k-j)為時(shí)刻k第j個(gè)采樣周期前的極線電壓采樣值；Δumax為保護(hù)啟動(dòng)門檻值，工程實(shí)際中，為保證保護(hù)啟動(dòng)的靈敏性和可靠性，Δumax按略低于交流側(cè)故障引起直流側(cè)電壓梯度值進(jìn)行整定。定義靈敏系數(shù)Kop=0.8，有

式中：Δumax，ac為交流側(cè)最嚴(yán)重故障下引起的直流電壓梯度最大值。該判據(jù)簡單，具有較高的靈敏度。

2.2 選極判據(jù)

ABB 公司利用正、負(fù)極輸電線路電壓u+、u-和電流i+、i-構(gòu)造的地模波為：

式中：Zg，mode為地模波阻抗，其值與線路參數(shù)及邊界阻抗有關(guān)。當(dāng)線路保護(hù)交流系統(tǒng)故障時(shí)，不存在地模分量，地模波為零。利用地模波判斷故障極，能夠正確識(shí)別直流線路故障。

正極和負(fù)極接地故障下，接地極所測的電流極性不同。故根據(jù)接地極電流可區(qū)分直流側(cè)接地故障與其他故障，并選出故障極。相比于ABB 公司的選極方法，接地極電流是具有天然優(yōu)勢的可測量信息，可減少通過電壓、電流以及地模波阻抗引入的計(jì)算誤差。據(jù)此，構(gòu)造的選極判據(jù)如下：

式中：IGND，set為接地極線路保護(hù)的電流定值，以躲開交流系統(tǒng)故障、直流系統(tǒng)雙極故障以及雙極觸發(fā)角和設(shè)備參數(shù)的差異引起兩極功率不平衡電流進(jìn)行整定，可見IGND，set取值小，具有足夠的可靠性和靈敏性；Idc，set為iDL+和iDL-的定值，其按躲過交流側(cè)故障時(shí)直流電流的最大值整定。

綜上分析，IGND，set和Idc，set取為：

式 中：Imax，ac為 交 流 側(cè) 故 障 時(shí) 直 流 電 流 最 大 值；Imax，unb為雙極故障、交流側(cè)故障以及設(shè)備參數(shù)的差異引起兩極功率不平衡所造成的不平衡電流。取可靠系數(shù)KⅠ，rel=1.3，KGND，rel=1.3。

2.3 區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障識(shí)別判據(jù)

1）反向區(qū)外故障

以正極故障為例，單端觀測下電流分布見圖3。

圖3 單極故障下單端電流分布Fig.3 Single-terminal current distribution with singlepole fault

當(dāng)故障F4位于正極換流站出口，則有iDC-=iDL-，iDC+≠iDL+，iGND+iDC-+iDC+=0 且iGND+iDL++iDL-≠0。 此 時(shí)，有|iGND+iDL++iDL-|=| -iDC++iDL+|；反向故障初始時(shí)刻，有| -iDC++iDL+|=0，而后iDC+正向突變增大，iDL+負(fù)向突變增大，因此，反向故障下，|iGND+iDL++iDL-|迅速增大，即可利用該顯著差異區(qū)分正反向故障。根據(jù)2.2小節(jié)，在選出故障極的情況下，判據(jù)見式（12）。

式中：ΔImax為整定值，正向故障時(shí)，理論上|iGND+iDL++iDL-|應(yīng)等于0。實(shí)際故障時(shí)，線路上將產(chǎn)生諧波量，致使該計(jì)算值略大于零。

為了保證判據(jù)式（12）的可靠性和靈敏性，ΔImax應(yīng)躲過正向故障時(shí)計(jì)算式的最大差值。若|iGND|=|iDC-+iDC+|＞IGND，set，iGND為 負(fù)，iDL+在 故 障 初 始 時(shí)刻為正，并迅速向負(fù)方向突變，而iDL+初始值為負(fù)，在短時(shí)間內(nèi)幅值變化較小，故可得出：

故反向故障時(shí)，站端所測得的電流一定滿足式（13），因此?。?/p>

由于|iGND+iDL++iDL-|的計(jì)算結(jié)果不受電流測量值大小的影響，該保護(hù)判據(jù)具有較好的耐過渡電阻能力。

2）正向區(qū)外故障

如圖1 所示的正向區(qū)外故障F4，難以通過單端測得的電流量或電壓量進(jìn)行判別，由第1 章分析可知，這是因?yàn)檎騾^(qū)內(nèi)、外的故障回路僅相差一個(gè)平波電抗器，因此高阻故障下的區(qū)內(nèi)故障與正向區(qū)外故障具有非常相似的保護(hù)特征量。鑒于此，本文提出一個(gè)新的保護(hù)策略：利用整流側(cè)和逆變側(cè)獨(dú)立判斷的結(jié)果作用于各自的斷路器開斷，無須通信；基于逆變側(cè)判斷結(jié)果和通信構(gòu)成重合機(jī)制，見圖4。

圖4 正向區(qū)外故障識(shí)別Fig.4 Identification of external forward directional fault

若發(fā)生線路故障F4，整流側(cè)和逆變側(cè)各自判斷并斷開斷路器，對端不發(fā)送閉鎖信號，則本端可確定故障類型為區(qū)內(nèi)故障，斷路器經(jīng)過一定時(shí)間后進(jìn)行重合。若發(fā)生正向換流站出口故障，整流側(cè)根據(jù)判斷結(jié)果斷開斷路器，逆變側(cè)判斷為反向故障，斷路器不動(dòng)作。對端發(fā)送閉鎖信號，則本端可確定為正向區(qū)外故障，不進(jìn)行重合。由圖4 可知，在本端斷路器動(dòng)作后，根據(jù)對端計(jì)算式|iGND1+iDL1++iDL1-|，定義本端接收到對端的閉鎖信號為Sblk，則正向區(qū)內(nèi)外故障判據(jù)如下：

式中：“0”表示未收到對端閉鎖信號；“1”表示收到對端閉鎖信號。

2.4 保護(hù)方案構(gòu)建

綜合啟動(dòng)判據(jù)、選極判據(jù)和區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別判據(jù)，構(gòu)建保護(hù)方案如圖5 所示。

圖5 保護(hù)方案流程圖Fig.5 Flow chart of protection scheme

根據(jù)接地極電流大小可準(zhǔn)確判斷故障類型是否為單極接地故障，并能進(jìn)一步選出故障極。本文算法采樣率為10 kHz，根據(jù)式（7），啟動(dòng)判據(jù)取連續(xù)6 個(gè)直流電壓采樣點(diǎn)為周期進(jìn)行計(jì)算。保護(hù)啟動(dòng)后，判斷環(huán)節(jié)以連續(xù)5 個(gè)采樣點(diǎn)為周期進(jìn)行計(jì)算，即每個(gè)判斷環(huán)節(jié)的時(shí)窗為0.5 ms。對于某些阻抗特別大的高阻故障，其在短時(shí)窗內(nèi)可能達(dá)不到整定值。為了提高保護(hù)耐高阻的能力，若在第1 次計(jì)算中無法區(qū)分交流側(cè)故障和高阻故障，則重新計(jì)算接地極電流。根據(jù)文獻(xiàn)［20］，交流側(cè)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為50～80 ms，直流側(cè)保護(hù)應(yīng)先于交流側(cè)保護(hù)動(dòng)作。因此，本文取持續(xù)計(jì)算時(shí)間為50 ms。線路保護(hù)對速動(dòng)性的要求主要源于橋臂開關(guān)器件過流能力，而高阻短路故障本身對系統(tǒng)沖擊小，甚至可繼續(xù)傳輸功率，故可選擇不投入加速保護(hù)動(dòng)作邏輯，等待縱聯(lián)信號抵達(dá)后經(jīng)判斷再正常動(dòng)作。因此，依據(jù)橋臂電流iarm決定是否加速保護(hù)動(dòng)作，iarm計(jì)算公式為：

式中：iac為換流站交流出口電流。

圖5 中，iarm，set由橋臂開關(guān)器件最大耐流水平整定，并留有一定裕度。各種故障下保護(hù)方案動(dòng)作時(shí)序如圖6 所示。

圖6 保護(hù)方案總體時(shí)序圖Fig.6 Overall sequence diagram of protection scheme

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型及驗(yàn)證結(jié)果

利用PSCAD/EMTDC 搭建如圖1 所示的±320 kV 的雙端直流輸電系統(tǒng)仿真模型，所有換流器及主回路參數(shù)均一致，換流器采用半橋子模塊，線路采用依頻參數(shù)模型，輸電線路長400 km，接地極線路長50 km，單個(gè)換流站主回路參數(shù)如附錄A 表A1 所示。

通過仿真驗(yàn)證，檢測故障后3～50 ms 數(shù)據(jù)窗，測得如下數(shù)據(jù)：1）交流側(cè)故障引起的直流電壓梯度Δumax最大值為0.04 p.u.；2）換流站出口雙極短路故障和交流側(cè)故障時(shí)，接地極出現(xiàn)的最大不平衡電流為0.15 kA；3）交流側(cè)故障時(shí)，直流側(cè)電流不大于正常負(fù)荷電流。

結(jié)合第2 章對于上述測量值的整定原則，可知，根據(jù)式（4），取Δumax=0.032 p.u.。由于雙極故障及交流側(cè)故障時(shí)，兩極功率波動(dòng)而產(chǎn)生不平衡電流，其幅 值 不 超 過 0.15 kA，可 以 得 到IGND，set=KGND，relImax，unb=ΔImax=0.2 kA（0.1 p.u.），交流側(cè)發(fā)生最嚴(yán)重的故障時(shí)，直流電流下降緩慢，電流幅值小于正常運(yùn)行時(shí)的電流幅值。雙極故障時(shí)，測量點(diǎn)電流迅速增大，據(jù)此可以得到Idc，set=KⅠ，relImax，ac=2.6 kA（1.3 p.u.）。

3.2 不同故障類型性能驗(yàn)證

通過設(shè)置整流側(cè)交流側(cè)故障、逆變側(cè)交流故障、區(qū)內(nèi)接地故障、正向區(qū)外接地故障、反向區(qū)外接地故障和雙極故障驗(yàn)證保護(hù)方案的正確性、可靠性以及耐受高阻的能力。設(shè)故障在t0=1 ms 時(shí)發(fā)生，過渡電阻為0，取采樣率為10 kHz，不同故障位置下直流側(cè)電壓和電壓梯度如附錄A 圖A1 所示。

1）整流側(cè)及逆變側(cè)交流三相短路

交流側(cè)故障中，三相金屬短路最嚴(yán)重，造成直流電壓和電流的波動(dòng)最大，故交流側(cè)故障以三相短路故障為例。當(dāng)整流側(cè)發(fā)生三相短路故障，由于輸入功率小于輸出功率，直流電壓下降。而逆變側(cè)三相短路，輸入功率大于輸出功率，直流電壓抬升。由圖A1（a）可知，交流側(cè)故障引起直流電壓的變化較小，整流側(cè)線路電流測量點(diǎn)iDL+、iDL-以及接地極電流iGND如附錄A 圖A2 所示。由圖A2 可以看出，保護(hù)啟動(dòng)后10 個(gè)采樣點(diǎn)（1 ms）內(nèi)接地極電流未達(dá)到閾值IGND，set(0.2 kA)，因此保護(hù)初步判斷故障不是單極接地故障。同時(shí)，兩極線路測量端電流均未達(dá)到閾值Idc，set(2.6 kA)，故判定為交流側(cè)故障或高阻故障。重復(fù)計(jì)算時(shí)間持續(xù)50 ms 內(nèi)，兩極線路電流仍未達(dá)到整定值，保護(hù)判定為交流側(cè)故障，直流斷路器不動(dòng)作。

2）直流線路接地故障

圖1 中F3處正極直流線路發(fā)生接地故障，直流線路故障整流側(cè)線路電流iDL+、iDL-以及接地極電流iGND如附錄A 圖A3（a）所示，保護(hù)動(dòng)作時(shí)序如圖A3（b）所示。由圖A3（a）可見，保護(hù)啟動(dòng)后0.5 ms，接地極連續(xù)5 個(gè)電流采樣點(diǎn)達(dá)到整定值（|iGND|＞IGND，set），|iGND+iDL++iDL-|=0.023 kA，未達(dá)到閾值（ΔImax=0.2 kA），接地極電流方向?yàn)樨?fù)。據(jù)此，保護(hù)判定故障類型為正極線路正向接地故障，并給直流斷路器發(fā)送動(dòng)作信號。為區(qū)分直流線路故障或?qū)Χ藫Q流站出口故障和發(fā)送斷路器重合閘命令則需要根據(jù)對端發(fā)送的閉鎖信號來確定。對端計(jì)算式|iGND1+iDL1++iDL1-|同樣為0，未達(dá)到閾值，故對端保護(hù)判斷為正向故障，不發(fā)送閉鎖信號。因此，保護(hù)判定為正極直流線路接地故障。

3）正向換流站正極出口故障

正向換流站正極出口故障時(shí)，保護(hù)特征量及動(dòng)作時(shí)序如附錄A 圖A4 所示。保護(hù)啟動(dòng)后0.9 ms，接地極連續(xù)5 個(gè)電流采樣點(diǎn)達(dá)到整定值（|iGND|＞IGND，set），接地極電流極性為負(fù)。對比圖A3，對于本端保護(hù)而言，正向線路接地故障和正向換流站出口接地故障的保護(hù)特征量相似，因此不能通過單端特征量對這兩類故障進(jìn)行區(qū)分。而正向換流站出口故障對于對端則可看作反向換流站出口故障，因此有|iGND1+iDL1++iDL1-|＞ΔImax，對 端 發(fā) 送 閉 鎖 信 號，本端重合閘閉鎖，保護(hù)判定為正向換流站正極出口故障。

4）反向換流站出口故障

反向換流站出口故障時(shí)，保護(hù)特征量如附錄A圖A5 所示。發(fā)生反向故障后，整流側(cè)故障極測得的電流發(fā)生突變，平波電抗器兩側(cè)出現(xiàn)較大的電壓差，故直流電壓呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢?？梢钥闯觯Ｗo(hù)在故障后0.1 ms 啟動(dòng)。在圖A5（a）中，接地極連續(xù)5 個(gè)電流采樣點(diǎn)在故障0.6 ms 后達(dá)到整定值（|iGND|＞IGND，set），接 地 極 電 流 極 性 為 負(fù)，|iGND1+iDL1++iDL1-|＞ΔImax，保護(hù)判定為正極反向換流站出口故障。

5）兩極故障

雙極故障時(shí)，保護(hù)特征量及動(dòng)作時(shí)序如附錄A圖A6 所示。直流線路發(fā)生雙極故障的概率極小，為驗(yàn)證保護(hù)的可靠性，雙極故障位置設(shè)置在線路末端（圖1 中F6）。在圖A6（a）中，接地極電流測量值在保護(hù)啟動(dòng)后10 個(gè)采樣點(diǎn)（1 ms）內(nèi)遠(yuǎn)未達(dá)到整定值，保護(hù)初步判斷不為單極接地故障，且兩極連續(xù)5 個(gè) 電 流 采 樣 點(diǎn) 有iDL+＞Idc，set=2.6 kA，iDL-＜-Idc，set=-2.6 kA。據(jù)此，保護(hù)判定為雙極故障。

本文不采用單端量來識(shí)別正向區(qū)外故障，而是采用對端量來識(shí)別反向故障。相當(dāng)于將前加速的概念引入到直流線路保護(hù)中，解開直流輸電線路保護(hù)的眾多束縛，并滿足線路保護(hù)快速識(shí)別高阻故障的要求［22］。

4 結(jié)語

大容量、高電壓等級的柔性直流輸電系統(tǒng)一般采用直流側(cè)直接接地的方式，接地極的運(yùn)行狀態(tài)與直流系統(tǒng)正常運(yùn)行密切相關(guān)，其首端裝有電壓、電流測量裝置。當(dāng)直流線路發(fā)生單極接地故障時(shí)，接地極是故障回路的末端，因此采用線路測量端和接地極測量端實(shí)現(xiàn)了閉合觀測故障回路電流特性，提高接地故障判別的可靠性。

1）當(dāng)線路發(fā)生單極接地故障，接地極作為故障回路的一部分，故障電流大，而當(dāng)發(fā)生交流側(cè)及雙極故障，故障點(diǎn)與接地極未組成故障回路，流過接地極電流基本為零?；诖藢?shí)現(xiàn)單極接地故障、雙極故障和交流側(cè)故障的可靠、快速識(shí)別。正極、負(fù)極接地故障情況下，接地極測量端電流極性相反，對于選取故障極具有絕對選擇性。

2）根據(jù)站端線路、接地極測量點(diǎn)電流構(gòu)造的平衡方程作為方向元件，可靠實(shí)現(xiàn)線路與反向區(qū)外故障的識(shí)別，同時(shí)該平衡方程理論上不受過渡電阻的影響，保護(hù)判據(jù)具有較好的耐過渡電阻能力。

3）根據(jù)單端量啟動(dòng)斷路器動(dòng)作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)故障的快速切除，滿足了架空柔性直流電網(wǎng)保護(hù)速動(dòng)性的要求；結(jié)合對端量進(jìn)一步判斷是否是線路故障，啟動(dòng)重合閘機(jī)制。

保護(hù)方案所用到的量為接地極和線路的故障電流分量，而故障電流是直接反映故障狀態(tài)的量，因此該保護(hù)方案能滿足速動(dòng)性的要求，可作為單端量的Ⅱ段保護(hù)。作為后備縱聯(lián)保護(hù)，與電流差動(dòng)保護(hù)或行波差動(dòng)保護(hù)相比，該保護(hù)方案不受線路分布參數(shù)、區(qū)外故障的影響，因此無須延時(shí)躲過上述因素的影響，彌補(bǔ)了電流差動(dòng)保護(hù)的不足。

本文所提保護(hù)方案對“點(diǎn)對點(diǎn)”和多端直流輸電線路保護(hù)具有工程參考價(jià)值，對于其他復(fù)雜的直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適用性需要進(jìn)一步研究。

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