直流輸電線路保護的研究

王旭

(國網開封供電公司，河南 開封 475000)

直流輸電線路保護的研究

王旭

(國網開封供電公司，河南 開封 475000)

現有直流線路的主要保護配置包括主保護行波保護以及后備微分欠壓保護等。本文首先基于仿真手段分析了行波保護在大過渡電阻接地故障時的保護性能，并進一步闡述了現有的直流線路后備保護功能。針對現有的直流線路保護的不足，最后探討了可能的解決措施與未來的研究方向。

LCC-HVDC；行波保護；微分欠壓保護；差動保護

0 前言

直流輸電是實現遠距離、大容量、非同步聯網的重要手段[1]。近年來，隨著天廣、貴廣直流輸電的相繼投運，直流輸電工程在我國得到了快速的發展。但是直流線路傳輸距離很長，跨越的地區環境復雜，所以容易出現故障。

現階段，由于尚無專用的直流斷路器投入運行，所以直流線路的保護與控制融為一體。直流線路保護動作后，可能會導致直流系統閉鎖，造成傳輸功率大幅度降低，對直流系統和交流系統的安全穩定都產生不利的影響。因此研究直流線路的保護原理，對于整個電網的正常運行都起著重要的作用。

現有直流線路的主要保護配置包括：主保護行波保護，后備保護微分欠壓保護以及差動保護[2-7]。文中詳細分析了上述直流線路保護在不同工況下的動作性能。分析結果指出，行波保護耐受過渡電阻的能力較差，微分欠壓保護在一定程度上提高了耐阻水平，但并未徹底解決此問題。差動保護雖然能正確識別高阻接地故障，但是由于整定時間過長，大部分時間處于閉鎖狀態。最后對直流線路的保護提出了可能的解決措施以及研究方向。

1 直流線路保護

直流線路保護反應本級線路接地、極線間短路等故障，啟動故障重啟順序或者閉鎖順序，已達到故障恢復和保護直流設備的目的。現有的直流保護主要由ABB、西門子以及南瑞繼保3個廠家提供。三家廠商在保護具體算法上雖然不同，但保護原理的配置都是一樣的，都以行波保護為主保護，微分欠壓和差動保護為后備保護，下面分別研究主保護和后備保護的動作性能。

1.1 主保護行波保護

圖1表示的是雙極直流輸電系統圖。P1表示的是極1的換流器，P2表示的是極2的換流器。

圖1 雙極直流輸電系統圖

直流線路的行波保護一般用極波和地膜波來識別線路故障。

1.1.1 極波

定義極波為：

上式中，ID1和ID2分別是極1和極2上整流側直流線路電流，P1wave和P2wave分別是極1和極2上的極波；Zρ是直流輸電線路的極波阻抗；UD1和UD2分別是極1和極2上整流側直流線路的直流電壓。

假設有正實數的整定值 K1.set和 K2.set，則當直流輸電線路運行正常時，極波P1wave和P2wave的值基本不變化。當極1的直流線路出現接地短路故障時，極波P1wave的上升率將大于正的下限值即；同理，極2出現短路故障時，極波P2wave的下降率將會小于一個負的上限值即。由以上依據就可以精確地檢測出線路的故障。

1.1.2 地膜波定義

當系統正常運行時，地膜波的值無限的接近于0，而當整流側極1的線路發生接地故障時，其地膜波的值會大于一個正的極限值。同理，若地膜波的值小于一個負的極限值，那么可推斷出整流側極2波上的線路出現接地故障。

現行的行波保護依賴于電流、電壓的變化量以及電壓變化率的大小。

當直流線路發生故障時，隨著過渡電阻的變化，顯然會影響到電流、電壓的變化量的大小。但影響更大的是變化率的大小。天廣直流行波保護的三個動作條件如下所示：

圖2是基于國際大電網會議CIGRE提供的標準直流測試模型的仿真結果。該模型直流額定電壓為500 kV，額定電流2 kA。圖2(a)、(b)表示的是直流線路經過10 Ω過渡電阻接地時整流測、逆變側電壓變化率的大小。按照式 (4)可以看出，du/dt＞87.5 kV/s時，行波保護動作。通過圖2(a)、(b)可以看出，此時滿足電壓變化率的大小，行波保護可以動作；圖 2(c)、(d)表示的是線路經過100 Ω過渡電阻情形下du/dt的大小，此時可以看出du/dt＜87.5 kV/s，行波保護不會動作。

圖2 不同過渡電阻條件下電壓變化率

通過上面的分析可以看出，行波保護耐受大過渡電阻接地的能力不足，此時需要后備保護予以動作。

1.2 直流線路后備保護

1.2.1 微分欠壓保護

目前，ABB和SIMENS的微分欠壓保護都是利用監測電壓微分和電壓水平來實現的。其電壓微分定值和行波保護相同，但微分欠壓保護上升沿延時為20 ms，因此在行波保護退出或者電壓變化率上升沿寬度不足時，可以起到后備保護的作用。但微分欠壓保護仍然耐受過渡電阻的能力較差，需要一個能在高阻接地情形下保護動作的一種方案。

1.2.2 縱聯差動保護

縱聯差動保護利用了直流線路兩側的信息，從原理上講能保證動作的選擇性。但直流線路整流測、逆變側本身就存在電流裕度，而且直流限流的差動保護并沒有考慮分布電容的影響，并且需要穩態量進行計算，所以動作時間晚。按照設計的要求，其主要負責高阻故障。

綜上所述，可以看出，LCC-HVDC中的直流線路故障保護的主要配置如下圖3所示。

圖3中，UdL、IdL分別表示直流線路的電壓和電流。行波保護、微分欠壓保護以及差動保護共同作用，一般可以能保證直流線路故障時的正確識別。但行波保護耐受過渡電阻能力差，微分欠壓保護略有提升，但仍顯不足；差動保護可以在高阻接地時正確識別故障，但是由于整定時間過長，導致一般保護尚未動作，直流系統就已經閉鎖。造成直流線路保護尚不完善的原因主要來自以下2個方面：

圖3 直流線路保護的主要配置

1)直流線路故障期間的暫態過程非常復雜，不易進行系統有效的分析，給直流線路的保護帶來了挑戰；

2)保護原理的缺陷。現有的行波保護以及后備保護都是基于電氣量的變化率對線路進行保護，這就決定了保護原理容易受到過渡電阻以及故障位置的影響。因此關于直流線路的保護需要進一步的研究。

2 解決措施

交流線路的一些原理可以為直流線路的保護提供借鑒，文獻 [8]結合交流線路行波距離保護的思想，提出了直流線路行波距離保護的原理和判據。直流線路是控制、保護于一體的，動作于控制系統閉鎖或者系統重啟。直流線路的任何故障暫態過程都是受直流控制的影響。當直流線路故障時，其整流測、逆變側兩側的電流中都含有大量的暫態分量，可以利用暫態分量對直流線路的保護進行研究，文獻 [9]根據線路內部故障時故障暫態分量較為豐富的特征，提出了高壓直流線路暫態邊界判據；直流線路兩側都有限流電抗器，為線路的保護提供了明顯的邊界條件，可以利用此邊界特性研究直流線路的保護原理。充分利用直流系統特有的暫態特性，可構建多種新的保護原理來提高直流線路保護的性能。為了減小過渡電阻對行波保護的影響，文獻 [10]提出了一種檢測電流首峰值時間的直流線路保護的新原理。進一步的研究抗過渡電阻能力強，不受直流控制影響的新型直流線路保護原理是未來研究的主要內容。

3 結束語

文中研究了直流線路的保護原理，并重點研究了行波保護的原理與不足。研究表明行波保護耐受過渡電阻的能力有限，需要通過后備保護來識別高阻接地故障。即使后備保護也存在整定時間過長的問題，為此提出了直流線路保護研究的建議，試探性的探討了未來直流線路保護的研究方向。

[1] 李興源.高壓直流輸電系統 [M].北京：科學出版社，2010：1-10.

[2] 宋國兵，高淑萍，蔡新雷，等.高壓直流輸電線路繼電保護技術綜述 [J].電力系統自動化，2012，36(22)：123 -129.

[3] 鄧本飛.天廣高壓直流輸電線路保護系統綜述 [J].電力系統保護與控制，2008，36(19)：71-75.

[4] 朱韜析，彭武.天廣直流輸電系統線路高阻接地故障研究[J].電力系統保護與控制，2009，37(23)：137-140.

[5] 李愛民，蔡澤祥，任達勇，等.高壓直流輸電控制與保護對線路故障的動態響應特性分析 [J].電力系統自動化，2009，33(11)：72-77.

[6] 李愛民.高壓直流輸電線路故障解析與保護研究 [D].華南理工大學，2010.

[7] 高錫明，張鵬，賀智.直流輸電線路保護行為分析 [J].電力系統自動化，2005，29(14)：96-99.

[8] 全玉生，李學鵬，馬彥偉，等.基于小波變換的HVDC行波距離保護 [J].電力系統自動化，2005，29(18)：52 -56.

[9] LI Zhengqiang，Lu yanping.A novel scheme of HVDC transmission line voltage traveling wave protection based on wavelet transform[C].2008 International conference on High voltage engineering and application，Chongqing，China，2008：2162 -2165.

[10] 徐敏.直流線路繼電保護解析方法與新型保護原理研究[D].華南理工大學，2014：73-83.

Study on DC Transmission Line Protection in HVDC System

WANG Xu
(Kaifeng Power Supply Company，State Grid，Kaifeng，Henan 475000，China)

The protection configuration for LCC-HVDC DC transmission line include the traveling wave main protection and the under-voltage backup protection.The performance of traveling wave protection is first studied during a big resistance earth fault by using simulation method.Then，different backup protections are discussed.At last，the possible solutions and research direction are proposed.

LCC-HVDC；traveling wave protection；under-voltage protection；differential protection

TM75

B

1006-7345(2015)04-0086-03

2015-03-05

王旭 (1984)，男，碩士，工程師，國網開封供電公司，從事線路運維檢修工作 (e-mail)wagnxu198403＠163.com。