特高壓直流輸電系統接地極線路保護性能分析

張 純，滕予非

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

IDEL_DIFF=|IDEL1-IDEL2|>Iset

Znormal(s)≈Zc=Rp

Znormal=247.326+j7.399 Ω

Zset1=251.482+j17.285 Ω

Zm=249.234+j42.481 9 Ω

|Zm-Znormal|=35.14 Ω

|Zm-Zset1|=25.30 Ω

特高壓直流輸電系統接地極線路保護性能分析

張 純，滕予非

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

接地極線路保護是特高壓直流輸電系統中重要的保護之一，現場運行情況表明目前的接地極線路保護存在缺陷。介紹了接地極線路保護的配置情況，并從原理上對接地極線路保護的性能進行了分析。最后，針對目前接地極線路保護存在的問題，從保護策略和故障隔離兩方面提出了相關建議。

接地極線路；不平衡保護；阻抗監視；性能分析；故障隔離

0 引 言

接地極是特高壓直流輸電工程重要的組成部分，起到為雙極不平衡電流提供通路以及鉗制中性點電壓的作用[1]。為防止大量直流電流入地造成的電磁效應、熱力效應以及電化效應對換流站周邊的人畜以及電力設備造成顯著的影響，接地極距離直流換流站往往有幾十甚至上百公里，換流站與接地極之間的電氣連接則主要依靠接地極引線實現。如在四川境內投運的3條特高壓直流工程接地極址與換流站之間的距離均超過了50 km，賓金直流接地極址與換流站間的距離甚至超過了100 km。

過長的距離不僅極大地增加了接地極引線的投資成本，也增加了接地極引線故障的概率，還造成換流站中性點電位抬高，增加了接地極引線保護和絕緣配置的難度。實際運行中，已多次發現接地極線路保護不正確動作的情況。也有不少學者針對接地極線路保護不正確動作的案例做了分析研究[2-5]。若能對接地極線路保護存在缺陷進行原理性的分析，則有助于改進接地極線路保護策略，保證直流輸電系統的安全運行。

在介紹接地極線路保護配置的基礎上，通過理論分析，厘清了接地極不平衡保護和阻抗監視存在的缺陷，并有針對性地提出了相關優化和改進建議。

1 現有接地極線路結構及保護配置

1.1 現有接地極線路結構

接地極線路的連接方式如圖 1所示。

圖1 直流系統接地極線路連接方式

由圖 1可知，考慮到接地極線路最大流過電流可達數千安培，現有特高壓直流工程接地極線路采用同桿雙回并架的方式布置，兩回接地極線路并列運行。桿塔常采用“十”字形塔，1根地線掛在塔頂，2根導線分掛在桿塔兩側，呈水平排列。每回接地極線路采用雙分裂導線，兩根子導線水平排列。

1.2 現有接地極線路保護配置

現有特高壓直流工程中接地極線路主要配置有如下3種保護：接地極線路過負荷保護、接地極線路不平衡保護和接地極線路阻抗監視。其中接地極線路不平衡保護以及接地極線路阻抗監視主要應對接地極線路異常接地的工況，因此這里主要介紹不平衡保護以及阻抗監視的原理。

1.2.1 接地極線路不平衡保護

如果接地極線路流過較大電流，一旦1條接地極線路發生接地或開路，兩條線路會出現比較大的差流。根據這一原理，接地極線路不平衡監測通過檢測接地極線路電流(IDEL1和IDEL2)計算兩條線路之間的差值以判斷線路是否發生故障。一旦保護被觸發，監控平臺上將出現報警信息。

保護的判據及定值設置原則如下：

IDL_NOM=5 000 A；

保護判據：接地極線路差動電流IDEL_DIFF=

|IDEL1-IDEL2|>Δ

典型定值：Δ1=0.02×IDL_NOM；

Δ>Δ1，延時1 s，告警。

1.2.2 接地極阻抗監視策略

高壓直流輸電工程接地極線路采用雙回并架的方式將雙極不平衡電流輸送至接地極，雙回線路共用一套接地極線路阻抗監視系統(electrode line impedance supervision，ELIS)對線路故障狀態進行檢測。

ELIS系統在換流站內向接地極線路注入13.95 kHz的高頻電流，同時對注入點的同頻電壓進行檢測，并計算出接地極線路的阻抗。ELIS系統的動作條件為

(1)

由此可見，ELIS系統的動作特性為一個圓特性，如圖 2所示。圓外為保護動作區，而圓內為保護非動作區。

圖2 ELIS動作特性

(2)

當ELIS裝置檢測到接地極線路的阻抗值滿足式(1)所示的條件，并持續一定時延，則向直流輸電控制保護系統發送接地極線路異常信號，并向值班人員報警或進行相關操作。

為提高保護的可靠性并防止高頻電流注入換流站，在接地極線路兩端還分別串聯了一個截止頻率為13.95 kHz的帶阻濾波器。其中，為減少線路上的駐波效應，接地極址側的濾波器還會配置并聯電阻，并聯電阻的阻值與接地極線路的波阻抗匹配。

2 接地極線路保護性能分析

在1.2節中介紹了接地極線路所配置的3種保護配置的原理，其中接地極線路不平衡保護以及接地極線路阻抗監視主要應對接地極線路異常接地的工況。以下將對這兩種保護的性能進行分析。

2.1 接地極線路不平衡保護性能分析

接地極線路不平衡保護依賴于兩根線路間的差動電流，對于±800 kV/5 000 A的特高壓直流輸電工程，其典型判據為

IDEL_DIFF=|IDEL1-IDEL2|>Iset

(3)

式中，Iset為不平衡保護門檻值，取為100 A。

為了校核該保護的靈敏度，忽略接地極線路中的暫態分量，僅考慮單回線路金屬接地的方式，可將雙回接地極線路等值為如圖 3所示的模型。

圖3 雙回接地極線路等值模型

利用圖 3可以得到

(4)

將式(4)代入式(3)，可得

(5)

因此，為保證保護可靠動作，需滿足：

(6)

其中，

(7)

由此可見，線路不平衡監測并不能保護線路全長，可以得到以下結論：

1)雙極不平衡電流越小，保護靈敏度越低。雙極平衡運行時，接地極線路單回接地并不能有效動作，即使不平衡電流達到5 000 A，在線路末端依然有4%的死區。

2)當單回線路出現非金屬性短路時，過渡電阻會使得保護靈敏度進一步縮小。

3) 特別地，當接地極線路雙回線路同點接地時，由于故障后兩根線路的電流依然相等，不平衡監視無法可靠動作。如2014年6月5日特高壓賓金直流調試期間線路雙回同點接地，在該故障下接地極線路不平衡監視未能可靠動作。

2.2 接地極線路阻抗監視性能分析

接地極阻抗監視通過對線路阻抗的測量實現對故障狀態的判斷，由于雙極平衡運行工況下接地極線路上無直流電流流過，為保證監視功能的可靠性，阻抗監視裝置將持續向線路注入13.95 kHz的高頻電流，用以進行阻抗計算。

為了防止高頻電流侵入換流站，接地極線路兩側裝設了帶阻濾波器實現了對注入信號的阻斷，但由于接地極址側的濾波器裝置有并聯匹配電阻，因此在計算線路正常運行時的阻抗，應該計及并聯電阻的影響。

設定接地極址側濾波器并聯電阻阻值為Rp，則線路正常運行的阻抗時Znormal可通過式(8)進行計算。

(8)

式中，

(9)

特別地，接地極線路近似實現了末端并聯電阻對線路的完全匹配，使得

Znormal(s)≈Zc=Rp

(10)

當采用注入法進行接地極線路故障識別時,由于注入信號的頻率往往數倍于工頻，電磁波的波長也成比例地降低，因此在分析近百公里的輸電線路阻抗-距離特性時，必須考慮線路的分布參數模型。為便于理論分析與討論，將線路模型簡化為無損均勻傳輸線路與集中參數電阻串聯的形式。

以下將推導線路故障后，測量阻抗與故障距離間的關系。由輸電線路波過程的微分方程推導，可以得到單回輸電線路上任意兩點間電壓、電流關系滿足：

(11)

(12)

(13)

式中：UK、UM分別是線路上K、M兩點的電壓；IK、IM分別是線路上K、M兩點的電流；Zc為輸電線路的波阻抗；γ為輸電線路的傳播系數；r1、L1、C1分別為線路單位長度的電阻、電感和電容；l為線路上M點與K點間距離。設定M點為阻抗監視裝置安裝處，而當線路上K點發生金屬性短路故障時，有UK(s)=0。

將Uk(s)代入式(11)～式(13)，消去IK(s)，可以得到

(14)

式中，λin為注入信號的電磁波波長。

由此可見，當輸電線路首端注入角頻率為ωin的電流時，金屬性故障后阻抗監視裝置檢測到的阻抗Zfault為

(15)

由式(15)可知，當線路的故障距離小于λin/4時，線路的阻抗與故障距離間的關系具有單調性；當輸電線路長度超過λin/2時，一旦出現金屬性接地故障，阻抗監視裝置測量到的阻抗虛部會隨故障距離在(-∞, +∞)范圍內呈周期性變化，變化周期fZ滿足：

(16)

正是由于測量阻抗與故障距離間的周期性變化，導致阻抗監測裝置無法采用傳統距離保護的整定原則，而是通過測量阻抗與正常阻抗的偏差進行監測。但由于輸入阻抗頻率較高，阻抗的測量值受單位長度的電感、電容值影響極大，單位長度參數些許的變化，將會導致測量值出現明顯變化。

由阻抗監視原理整定方法可知，整定值Zset1是關于輸電線路單位長度電阻、電感和電容的函數。然而，由于以下三點原因，通過實測方法獲得的線路參數往往存在著誤差：

1)輸電線路的電容、電感、電阻等物理量屬于頻變參數，利用低頻信號測得的線路參數直接使用勢必帶來誤差；

2)線路參數測試設備本身存在0.5%～2%的測量誤差；

3)隨著環境溫度、濕度等變化，線路參數也會略有變化。

設定線路參數的真實數值與實測結果如表 1所示。為突出特點，設定線路測量參數中僅有電容存在1%的誤差，電感、電阻測量結果則為準確值。

表1 仿真系統中接地極線路實測參數

根據表 1所示參數，接地極線路正常運行時監測裝置安裝處監測到的系統阻抗Znormal應為

Znormal=247.326+j7.399 Ω

(17)

而根據實測參數得到的整定值為

Zset1=251.482+j17.285 Ω

(18)

兩者之間的歐氏距離達到10.72 Ω。

設定接地極線路在4 km處出現金屬性短路故障，根據仿真結果，該工況下監測裝置安裝處檢測到的阻抗Zm為

Zm=249.234+j42.481 9 Ω

(19)

根據上述計算結果，有

|Zm-Znormal|=35.14 Ω

(20)

|Zm-Zset1|=25.30 Ω

(21)

由此可見，雖然故障時監測裝置檢測到的阻抗與正常運行點阻抗間的偏差大于30 Ω，但由于檢測阻抗與整定值間偏差小于30 Ω，根據傳統ELIS的動作特性，監測裝置出現拒動。

3 接地極線路保護改進及故障隔離建議

由上述分析可知，目前的接地極線路保護動作性能不佳，容易產生拒動，且動作結果缺乏有效的故障隔離手段。針對上述問題，可從以下兩方面開展對策研究。

3.1 改進保護策略

針對接地極組成結構，分別在兩條接地極線路的近站端和極址端安裝專用的電子式電流互感器，在原有接地極不平衡保護的基礎上實現縱聯電流差動保護，通過橫向和縱向比較兩條接地極線路的差動電流實現對故障類型的辨識，提高保護動作的靈敏性和可靠性[6]。

3.2 提高保護隔離故障的能力

接地極線路保護均已告警作為出口，后續的故障隔離均需依賴人工進行。因此，在接地極線路保護出口后增加合理的順序控制行為，是提高保護有效隔離故障能力的重要保障。可考慮以下3種隔離故障的順序控制行為：

1)自動雙極平衡功能；

2)自動大地回線方式轉金屬回線方式功能；

3)利用NBGS輔助熄弧功能。

4 結論及建議

在掌握接地極線路不平衡保護和阻抗監視原理的基礎上，理論分析了兩種保護的保護性能，得到以下結論：

1)接地極線路不平衡保護無法保護接地極線路全長，保護的靈敏性與雙極不平衡電流和過渡電阻有關，不平衡電流越小，保護靈敏性越低；過渡電阻越大，保護靈敏性越低。同時，不平衡保護不具備監測接地極線路雙回線同點故障的能力。

2)由于注入信號的頻率過高，阻抗監視裝置的測量阻抗與故障距離呈現周期變化，傳統距離保護的整定原則無法適用。利用測量阻抗與正常阻抗偏差實現的整定方法受線路參數變化的影響，導致阻抗監視在實際運行中有拒動的可能。

3)進一步改進接地極線路的保護策略，提高保護的故障隔離能力，是保證直流系統安全運行的有效措施。

[1] 趙畹君. 高壓直流輸電工程技術[M]. 北京:中國電力出版社, 2014.

[2] 朱韜析,何方,何燁勇，等. 南方電網直流輸電系統接地極線路不平衡保護動作后果探討[J].電力系統保護與控制,2009, 37(15):112-116.

[3] 余江, 周紅陽, 黃佳胤. 接地極線路不平衡保護的相關問題研究[J].南方電網技術, 2008, 2(3):26-29.

[4] 歐開健, 韓偉強, 黃立濱. 興安直流接地極不平衡電流保護定值問題仿真試驗研究[J].南方電網技術, 2008, 2(4):98-100.

[5] 滕予非, 湯涌, 周波，等. 基于高頻電壓突變量的特高壓直流輸電系統接地極引線故障監測方法[J].高電壓技術, 2016, 42(1):72-78.

[6] 曾祥君, 張璽，陽韜，等. 高壓直流輸電系統接地極不平衡保護改進措施研究[J].電力系統保護與控制, 2014, 42(24):132-136.

Grounding electrode line protection is one of the most important protections of UHVDC transmission system. The field operation indicates that the present grounding electrode line protection has some defects. The protection configuration of grounding electrode line is introduced and the performance of grounding electrode line protection is analyzed theoretically. Finally, the relative suggestions are proposed as viewed from protection strategy and fault isolation according to the exsiting problems of the present grounding electrode line protection.

grounding electrode line; unbalance protection; impedance supervision; performance analysis; fault isolation

中國博士后科學基金資助項目(2016M592659)

TM773

A

1003-6954(2017)01-0084-05

2016-10-03)

張 純(1985)，工程師，研究方向為特高壓直流輸電；

滕予非(1984)，高級工程師，研究方向為特高壓直流輸電。