高壓直流輸電線路保護與故障測距原理研究

閆建欣

摘 要：近幾年，隨著電網改擴建項目的不斷實施，高壓直流輸電線路在整個線路中占據的比例與發揮的作用變得越來越巨大，高壓直流輸電線路保護與故障測距成為電力企業重要工作內容。基于加強高壓直流輸電線路保護，減少故障發生目的，文章對幾種高壓直流輸電線路的故障測距原理進行了相應分析，并在此基礎上提出了一些直流輸電線路的保護措施。

關鍵詞：高壓直流輸電線路；故障測距；行波原理；保護措施

前言

高電壓直流輸電線路建設是我國為適應和滿足持續上漲的用戶用電量需求所采取的一個重要舉措。與常規電壓線路相比，高電壓直流輸電線路具有跨越區域廣，輸電距離長，所處地形氣候環境更加復雜等特點，一旦其發生故障，不僅排除難度大，而且容易造成嚴重的損失。有關調查表明，高壓直流輸電線路故障率是我國直流輸電系統故障中的最高者，高壓直流輸電線路保護重要性由此可見一斑。

1 高壓直流輸電線路故障測距原理

1.1 基于故障分析的故障測距原理

基于故障分析的故障測距原理是：根據系統對故障發生時所記錄下來的有關參數以及測量點測量所得電流量、工頻畫電壓等參數，通過對應方程的求解計算，從而求出測量點到故障點之間的距離值。之所以依據該原理能夠實現對故障的測距，是因為在系統運行方式和線路參數已知的情況下，當故障發生時，測量點處的電壓和電流量是故障點距離的函數，它們之間存在一定關聯性，這樣根據系統對故障發生時所記錄下來的測量點電壓、電流量即可確定出故障點的位置[1]。

1.2 基于行波保護的故障測距原理

行波保護，是一種利用故障狀態下暫態行波本身帶有的故障點信息來實現對輸電線路保護的一種有效方法，被認為是高壓直流輸電線路保護中最主要、有效保護方法之一，具有保護動作精確度高，動作迅速敏捷等特點。基于行波原理的故障測距就是在行波保護方法基礎上發展起來的，其實現故障測距的基本原理是：對暫態行波的波頭（或反射波波頭）到達測量點的時間和波速進行精確計算，進而計算出故障發生的具體位置。基于行波保護的故障測距方法測距精度高，計算速度快，及時準確，且不受故障類型、線路類型、接地電阻等參數的影響。目前，我國高壓直流輸電線路的故障測距中所使用的大多數測距裝置基本都是基于行波保護原理所研發而成的，在實際應用中測距效果較好[2]。從基于行波原理的故障測距原理分析來看，對暫態行波波頭的探測是該測距方法的關鍵與難點，若不能及時準確探測到行波波頭，后續測距中的其他變量也就無法獲得，進而也就無法實現對故障的準確定位。所以，采用這種測距方法對線路故障進行定位，首先需要解決的問題就是對行波波頭的有效探測，而小波變換是現階段使用較多的一種波頭探測方法。

1.3 基于阻抗法的故障測距原理

基于阻抗法的故障測距原理是：對故障發生的測量點處電壓、電流進行測量，然后計算出故障回路的阻抗，再依據故障回路阻抗與測量點到故障點距離間關系最終求出測量點與故障點之間的距離。當高壓直流輸電線路均勻時，故障回路阻抗與測量點到故障點之間的距離通常呈正比關系，這是基于阻抗法的故障測距的基本原理和實現的關鍵。使用這種測距方法的前提條件是要先假設高壓直流輸電線路是均勻的，但實際往往并非如此，因而這種測距方法存在一定誤差。

2 高壓直流輸電線路保護措施

目前，高壓直流輸電線路保護所使用的保護方法主要有行波保護、縱聯差動保護、微分欠壓保護、低電壓保護等幾種方法，其中尤以行波保護和微分欠壓保護為主。

2.1 輸電線路的行波保護與縱聯差動保護措施

關于行波保護在上面已有所提到，即是利用故障狀態下暫態行波本身帶有的故障點信息來實現對輸電線路保護的一種方法。根據電磁場理論相關觀點，以波的形式進行傳播的電能，不管輸電線路處于何種狀態（正常或故障），線路上始終都存在著行波運動，包括電流行波和電壓行波[3]。基于這一特點，當高壓直流輸電線路在運行過程中發生故障時，在故障點處會產生接近光速傳播的、向兩側展開的暫態行波（暫態電流行波和暫態電壓行波），這樣暫態行波中便包含有豐富的故障信息。通過繼電保護系統對暫態行波中的故障信息加以充分的分析和利用，從而實現對線路的行波保護。這種保護方法利用故障初期的電流電壓信息來對故障進行檢測，可以有效避免極控對保護的影響，保證保護動作速度。

對于高壓直流輸電線路發生的高阻接地故障，由于一些原因可能會出現行波保護與微分欠壓保護兩種方法均檢測不到線路上電壓、電流變化情況，此時就需要采用線路縱聯差動保護法來對線路實施保護措施。當高壓直流輸電線路發生高阻接地故障時，部分直流線路被短路，導致線路兩端電流的測量值出現偏差，采用線路縱聯差動保護法，可以實現對線路的后備保護。但需要注意的是，由于高壓直流輸電線路電壓等級高，對地電容大，這樣受區外故障發生給電壓帶來的擾動影響，就會產生很大的對地充放電流[4]。而對地充放電流的產生容易造成誤動作，為了避免這一情況發生，需要將直流線路縱聯差動保護的動作延時設置的較長一些，絕不能短于主保護動作延時時長。在實際的保護措施實施中，充分考慮其他保護動作時限，通常將線路縱聯差動保護的動作延時設置為500ms，并增設一個閉鎖環節，用以避免縱聯差動保護的誤動發生。

2.2 輸電線路的微分欠壓保護與極控后備保護措施

高壓直流輸電線路保護中的微分欠壓保護方法，存在的兩個必要動作條件就是微分和欠電壓，只有同時具備微分和欠電壓，才能夠實現對直流輸電線路的有效保護。微分欠壓保護法對于電壓變化率的計算所采用的計算方法和定值方法與行波保護是相同的，但微分欠壓保護的電壓變化率擁有更長的脈沖寬度，為20ms，而行波保護的電壓變化率脈沖寬度則為6ms[5]。這一脈沖寬度差異，使得微分欠壓保護法在故障距離較遠或行波保護退出保護范圍時，可以起到一個后備保護的作用，是高壓直流輸電線路保護中的主要方法之一。但與行波保護一樣，微分欠壓保護同樣存在保護動作靈敏性隨著接地電阻阻值的增大而降低的缺陷。針對高壓直流輸電線路保護動作拒動情況，為了依舊實現對線路的有效保護，還需要在極控系統中設置多套極控后備保護。

3 結束語

文章主要介紹了三種故障測距原理方法，即基于行波原理的故障測距、基于阻抗法的故障測距和基于故障分析的故障測距。這幾種測距方法各有各自的優缺點，適用于不同的測距要求和測距條件，在應用時應依據實際情況予以合理選擇。對于高壓直流輸電線路的行波保護、微分欠壓保護、縱聯差動保護等保護方法，應相互結合使用。總之，高壓直流輸電線路保護是一項重要工程。

參考文獻

[1]陳仕龍，張杰，畢貴紅，等.一種基于高頻量衰減特性的特高壓直流輸電線路故障測距方法[J].電力系統保護與控制，2014，10：77-83.

[2]張爍.高壓直流輸電系統線路保護、故障重啟及故障測距方法的研究[D].天津大學，2014.

[3]陳仕龍，謝佳偉，畢貴紅，等.一種特高壓直流輸電線路神經網絡雙端故障測距新方法[J].電工技術學報，2015，04：257-264.

[4]李洪波.超高壓直流輸電線路故障測距原理研究及軟件開發[D].天津大學，2009.

[5]康麗紅.基于分布參數模型的特高壓直流輸電線路保護和測距研究[D].重慶大學，2014.