基于縱聯保護原理的直流輸電系統接地極不平衡保護

王金玉 孔德健 董 實 姜春雷

(1.東北石油大學電氣信息工程學院,黑龍江 大慶 163318；2.中國石油大慶第二采油廠信息中心,黑龍江 大慶 163300)

接地極在直流輸電系統中起提供直流通路與中性點鉗制的作用，因此接地極的運行狀態將直接影響直流輸電系統的穩定性和安全性。一般情況下，與換流站相連的接地極引線常采用雙匯并行線路的連接方式，接地極的末端建在距離換流站幾十千米的地點，這樣可使接地極電流對換流站和其他設施的影響降到最低。

運行于雙極對稱方式下的直流輸電系統流入接地極的不平衡電流一般小于額定電流的1%；而直流輸電系統工作于單極大地運行方式時，其向接地極流入的電流卻能高達上千安培，這在很大程度上加大了對接地極進行可靠保護的難度[1]。目前，安裝接地極線路過電流保護、過電壓保護與不平衡電流保護是直流輸電系統接地極引線的主要保護措施。

南方電網所管轄的天廣、云廣及興安等直流輸電系統均由西門子公司設計，當發生故障時，接地極引線保護無法判斷故障類型，統一采取直接關閉運行極會在一定程度上影響直流輸電系統的安全運行[2]。鑒于此，筆者基于應用廣泛的縱聯保護原理，將接地極引線縱聯保護與不平衡保護相結合，從而提高直流輸電系統在單極大地運行方式下的故障類型的識別率，并根據故障類型實施相應的保護策略，以達到提高系統運行穩定性的目的。

1 運行實例及其故障分析①

天廣直流輸電系統在單極單閥組大地回線的方式下運行期間，整流側換流站接地極的不平衡電流保護發生動作[3]，停運極1，故障波形如圖1所示。可以清晰地看出，經過短暫波動后，兩條接地極引線的電流出現明顯差值，其中引線1中流經的電流約400A，引線2中流經的電流約300A，相差約100A，已經超過保護整定值(90A)，經過40ms預告警后，接地極不平衡電流保護發生動作，500ms延時后停運極1。

圖1 接地極故障時接地極引線電流的暫態錄波

根據記錄的資料，故障時換流站接地極線路通道處于正常狀態，因此由線路通道原因導致故障的可能性基本可以排除[4]。在之后的巡檢過程中發現了系統有多處放電痕跡，而且故障時正值雷雨天氣，從這一實際情況分析可判斷是雷擊導致接地極電流不平衡保護發生動作。而近幾年來天廣、云廣和興安線路都多次發生與此次故障過程類似的狀況。

2 接地極不平衡保護方案及其缺陷

2.1 西門子與ABB保護方案

西門子與ABB公司設計有相同的接地極不平衡電流保護動作判斷依據[5]，即：

|IL1-IL2|>Iset

(1)

式中IL1、IL2——兩條接地極引線電流；

Iset——電流整定值。

但西門子與ABB保護方案的保護動作策略略有差異。西門子動作策略：在單極大地回線運行方式下，接地極不平衡電流保護動作為直接停運直流(極停運)；在雙極運行方式下，接地極不平衡電流保護動作先發出告警信號，后調節雙極直流電流平衡(極平衡)。ABB動作策略：在雙極和單極大地運行方式下，接地極不平衡電流保護均發出告警信號，直流不停運[6]。但是西門子和ABB保護方案都無法準確判別故障類型，其動作整定值均依照接地極引線正常運行時產生的最大電流差值來確定。天廣、云廣和興安的直流接地極不平衡保護整定值見表1。

表1 直流接地極不平衡保護整定值

2.2 保護缺陷分析

接地短路故障是接地極引線最常發生的故障之一，該故障通常由不良天氣狀況等原因造成[7]，此類暫時性故障一經消除后系統便可恢復運行，因此常采取系統重啟策略來消除此故障。目前，由線路主保護觸發的重啟動作裝置應用于天廣及云廣等直流輸電的極控系統中，當發生暫時性的接地短路故障時線路主保護將被重啟。但此策略也存在著一些缺陷，例如當直流輸電系統運行于單極大地回線方式時，發生短路故障后并不會觸發線路主保護動作，其保護動作策略均為直接停運運行極[8]。因此，如果能在接地極引線出現故障時對故障類型進行準確的區分，并在接地短路暫時性故障發生時對系統進行重啟動，便可以改善直流停運狀況。但是就西門子的保護配置而言，若一條接地極引線出現故障，此時又對故障類型難以進行準確識別時，保護裝置將在告警后直接執行重啟策略。如此，當斷線故障發生時，不僅無法消除接地極引線故障，還可能造成電流保護失效，使輸電線路承受一定時間的過電流，這無疑將對設備的使用壽命產生較大影響。

接地極引線通常為雙回并行線路，在雙極大地回線中，當其中一條接地極引線發生斷線故障時，不會有電流流過；當發生短路故障時(絕大部分情況為發生金屬性接地或雷擊導致的瞬時故障)，會使另一條接地極引線流過的電流也接近零[9]。所以，單根接地極引線發生斷線故障與接地故障時表現出來的特征相近，只根據式(1)不能判斷出線路發生哪種故障。

3 基于縱聯保護原理的接地極不平衡電流保護

3.1 接地極引線縱聯保護原理

縱聯保護原理主要應用在交流輸電線、變壓器及發電機的定子繞組等電力設施的保護中。縱聯保護原理是將輸電引線各端的保護裝置用通信通道縱向連接起來，把輸電線各端采集到的電氣量傳到相對端進行對比，利用電力量的變化情況來判斷故障發生的位置，從而決定是否切除保護引線。按保護原理可將縱聯保護分為方向比較式縱聯保護和縱聯電流差動保護[10]。

直流輸電系統接地極引線多為雙回并行線路，而且接地極不平衡電流保護通常采用的是簡單的電流橫差保護，它的工作原理是在接地極引線的首端安裝兩個電流互感器，通過對所測得的電流值的比較來識別故障。此方法雖然可以識別故障但仍存在缺陷，只能發現故障并不能實現對故障類型的區分，這樣會對保護動作策略的高效性和電氣設備使用壽命產生影響。筆者利用縱聯電流差動保護原理，電氣量傳輸通道選擇微波通道，在原保護的基礎上實現縱聯電流差動保護，即在接地極引線的首端和末端分別安裝電流互感器，通過比較4個互感器的電流差值來實現對故障類型的區分。

3.2 接地極引線故障時各特征量變化特點

結合直流輸電系統的控制原理，根據單極大地回線運行方式的經典模型，將接地極引線發生斷線故障和短路故障時所表現出的特征進行分析對比。直流輸電系統在單極大地回線運行方式下的接線簡圖如圖2所示。

圖2 直流輸電系統在單極大地回線運行方式下的接線簡圖

假設直流輸電系統運行正常，則其等效模型如圖3所示。將整流側看作一個定電流控制方式下的電流源；而逆變側可視為在定電壓控制方式下的可調節阻抗的等值電阻RN。

圖3 單極大地回線運行方式下的等效模型

在接地極引線的首、末端同時安裝專用電流互感器，此互感器為基于電子式的電流互感器，相對于傳統電磁式電流互感器，它克服了磁芯飽和所帶來的電流誤差，電子式電流互感器的特點是動態范圍廣、測量精確度高。內嵌的是基于GPRS/CDMA無線通信模塊和利用太陽能供電的鋰電池，解決了通道問題和末端供電所帶來的困擾。具體等效模型如圖4所示。

圖4 接地極引線故障保護配置等效模型

對接地極引線不平衡保護的改進方案如圖5所示，改進后的方案可對單根接地極引線發生的故障類型進行區分。

假設在逆變側接地極中接地極引線F點發生金屬性接地短路故障，不妨設F點接地電阻為Rf，F點距離接地極首端的等值電阻為R3，距離極址端的等值電阻為R4。正常運行情況下接地極引線等值電阻R2為：

R3+R4=R2

(2)

故障情況下故障線路等值電阻R2為：

R4∥Rf+R3

(3)

由于發生瞬時性接地故障，F點接地電阻等值阻抗Rf接近于零，則R4∥Rf也近似等于零，由式(3)可知，故障線路的等值電阻將遠小于正常線路的等值電阻，電流只會流經故障線路，因此圖5中在正常線路上安裝的電流互感器P1和P3測得的電流值接近于零。由于在F點發生接地，所以電流互感器P4測得的電流值將瞬時驟減，電流互感器P2測得的電流值瞬時增大，遠大于正常運行時所測得的電流值。這滿足了觸發不平衡電流橫差保護的條件和縱聯差動保護的條件，所以經過接地極不平衡保護的改進措施后，在接地極引線發生接地短路故障時，接地極引線會觸發橫差保護和故障線路的縱聯差動保護動作。

圖5 接地極引線不平衡保護改進方案

假設在逆變側接地極中接地極引線F點發生斷線故障，其等效模型如圖6所示。

圖6 單極大地回線運行方式下接地極斷線故障等效模型

在F點發生斷線故障后，逆變側的接地極線路等值電阻為R2,而正常運行時，逆變側接地極線路等值電阻為0.5R2，回路等效模型總電阻變大，則流入接地極電流變小。故障線路將不會有電流流過，因此在圖5中電流互感器P2和P4所測得的電流值為零，而P1和P3測得的電流值將略低于正常運行時所測得的電流值。這滿足了觸發不平衡電流橫差保護的條件，但故障線路和非故障線路不會觸發縱聯差動保護動作。

由上述分析可知，在單極大地回線運行方式下，接地極引線發生故障瞬間可以電流互感器所測電流值為故障判據，以電流變化情況的不同來識別故障類型，其測量量主要變化規律見表2。

表2 單極大地回線運行方式下接地極故障瞬間電流變化情況

4 結束語

接地極引線故障在直流輸電系統中經常發生，在南方電網所管轄的直流輸電系統中，在單極大地回線運行方式下接地極不平衡保護動作策略有一定的缺陷。因此，將縱聯保護的原理運用到直流輸電系統中，根據接地極引線發生不同故障時電流變化不同的情況，提出了改進方法。實際應用結果表明：改進方法可以對發生故障的類型進行準確、快速判斷：接地極引線發生接地短路故障時實行故障重啟策略，當發生斷線故障時直接實行極停運策略。經過改進的線路能夠減少系統停運的概率，提高了直流輸電系統的可靠性。

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