換流站接地極故障監測系統分析研究

盧 松 李凱協 郭衛明

（中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州510405）

0 引言

目前南方電網下屬的直流輸電系統主要使用兩大類接地極線路監測裝置，溪洛渡同塔雙回直流工程使用南瑞繼保研發制造的ELIS系統，貴廣直流工程使用西門子公司的PEMO2000系統。本文依托這兩大直流工程，比較這兩種裝置的優點及不足，提出改進方法，以供后續直流工程參考和借鑒。

1 從西換流站接地極故障監測裝置概述

從西站接地極線路監測系統（ELIS）是非冗余系統，站內僅用一套裝置，主要由主機、DSP板卡RS860、功率放大器、測量放大器、注入濾波器和阻波濾波器組成。系統簡圖如圖1所示。

圖1 ELIS系統簡圖

1.1 部件功能

1.1.1 信號發生原理

DSP板卡RS860利用軟件產生一個高頻數字正弦波信號，信號的幅度由閉環電流控制器進行調節。

1.1.2 功率放大器、測量放大器

RS860產生的模擬輸出信號首先被送入功率放大器中進行放大。功率放大器的輸出阻抗選擇與信號電纜阻抗一致，減少回路影響。測量放大器用于測量功率放大器二次側的電流和電壓值。測量信號正比于極引線的電流和電壓，由此計算極引線的阻抗。

1.1.3 注入濾波器

高頻信號通過一個串聯的諧振濾波器注入換流站末端極引線，該濾波器的諧振頻率與注入信號相同。

1.1.4 阻波濾波器

ELIS裝置通過兩個并行的諧振濾波器來阻斷極引線和中性線終端的注入信號。其中在電極側的阻波濾波器并聯一個電阻，其阻值和極引線的波阻抗相同，實現無反饋終端。由于線路終端的反饋非常少，因此任何由于故障引起的阻抗漂移都能被很好地捕捉，這使得裝置對于故障的監視更加精確。

1.2 測量原理

ELIS裝置向接地極線路注入高頻交流電流，測量其電壓值，繼而計算出阻抗值，并將阻抗值的變化作為接地極線路故障的判據。

接地極線路無故障時阻抗的典型參考值為Z＝（280－j20）Ω。如果線路出現故障，其值將會改變。

在接地極線路不同位置發生1 000Ω接地故障時，檢測原理如圖2所示。

圖2 1000Ω接地原理圖

在該曲線圖中，每隔一定距離有一個標記，中心點為參考阻抗值，即正常阻抗值。臨近點標記為靠近極站處接地故障時的阻抗值，而螺旋曲線最外面的點為離換流站近處故障時的阻抗值。

2 肇慶換流站接地極故障監測裝置概述

貴廣直流肇慶換流站使用的接地極線路故障監測裝置為西門子生產的PEMO2000系統，站內僅一套裝置，非冗余系統，主要由耦合電容器、高壓避雷器、耦合單元AKE100－A5、HFConnection Plate等組成，如圖3所示。

圖3 PEMO2000系統簡圖

2.1 部件功能

2.1.1 耦合電容器

用以傳遞高頻信號，降低直流電流對信號的影響。諧振頻率在2MHz以上。

2.1.2 高壓避雷器

保護電容器免受從接地極線路來的過電壓沖擊。

2.1.3 AKE100－A5

電力線路載波設備，用于高壓電纜相與相之間的耦合。

2.1.4 HF－Connection Plate

它包含一個電涌放電器，防止由同軸電纜串過來的暫態過電壓進入PEMO2000裝置。

2.2 測量原理

PEMO2000向接地極線路注入脈沖信號。線路無故障時，脈沖信號在到達線路末端時反射回來。如果線路上有故障，脈沖信號在故障點產生反射波。根據故障反射波形和正常反射波形的對比，可以判斷故障的類型。

3 比較與總結

PEMO2000的測量與線路行波測距中的利用重合閘信號測距方法接近，PEMO2000以一定周期向接地極注入脈沖，然后監測脈沖的反射情況，根據脈沖的反射波形及時間差判斷線路是否存在接地或開路。該套裝置可以準確監測接地極線路上的永久性單線金屬接地、線間短路和接地極線開路故障。但是PEMO2000中有一非常重要的參數Pluse period，也就是脈沖注入的間隔時間，一般設置為2s。也就是說，PEMO2000無法監測故障持續時間低于Pluse period設定值（2s）的故障。同時，如果線路接地的故障電阻與線路本身阻抗一致，反射波形只有發射波的1／3，因接地極線的阻抗Z0只有幾歐，故PEMO2000無法監測到高阻抗接地故障。

ELIS通過檢測接地極線路阻抗變化來捕捉線路故障。由于接地極線路終端的反饋非常少，因此可以捕捉任何故障引起的阻抗漂移，這使得該套裝置對故障的反應更加靈敏。同時，因其注入電流頻率為13.95kHz，可以有效解決PEMO2000裝置只能檢測到持續時間大于2s的故障的不足。

綜上所述，就故障反應靈敏度及故障監測效果而言，ELIS比PEMO2000裝置具有更高的靈敏度，能監測接地極線路所發生的各種類型的故障，對瞬時故障也有很好的反應。

但目前溪洛渡直流工程采用的ELIS在故障發生后僅給工作站發出一個故障時刻的線路阻抗值，未將故障點的距離信息傳送到后臺。這就意味著一旦接地極線路出現故障，就必須對整個接地線路進行巡線來查找故障點，大大增加了故障恢復時間。如果ELIS增加測距算法，在故障出現時上傳測距值，將極大地縮短接地極線路故障的排查時間，使直流系統更快地恢復正常運行。

［1］西門子ED3.001.AZ：西門子貴廣直流光盤資料，2001

［2］南瑞繼保ED3.145.ZC、ED3.146.ZC：溪洛渡直流工程設計規范書，2012

［3］中國南方電網超高壓輸電公司廣州局.從西站運行規程，2014

［4］中國南方電網超高壓輸電公司廣州局.肇慶站運行規程，2004