特高壓直流線路保護原理及動作策略分析

趙韋 張妙靜

摘要：目前，伴隨著電力企業的快速發展，行波保護作為現有特高壓直流線路的主保護優勢明顯，但存在耐過渡電阻能力有限、對采樣頻率要求高等問題。微分欠壓保護作為行波保護的冗余保護，缺點類似行波保護，同時缺乏整定依據等。低電壓保護在耐過渡電阻能力方面較強，但其選擇性較差，動作速度不夠快。電流縱差保護選擇性好，但由于受到線路分布電容的影響且動作時間長。

關鍵詞：特高壓直流線路;保護原理;動作策略

引言

由于特高壓直流采用雙12脈動換流器串聯的接線方式，與常規±500kV高壓直流系統相比，其拓撲結構更復雜、運行方式更靈活，對直流控制保護系統的要求也更高。在特高壓直流工程的各組成部分中，接地極線路長度在50～100km范圍內，長度遠小于直流輸電線路;而其他組成部分都位于換流站內或埋于地下，發生非操作故障的概率也遠小于輸電線路。

1直流輸電技術

1.1直流輸電技術的類型

我們可以根據工程的結構區別將直流輸電分為下面幾類：首先，我們通過線路長度的不同，可以區分為長距離輸電和背靠背輸電;其次，通過電壓等級的不同，可將其分為高壓直流輸電與特高壓直流輸電;再次，通過換流站數量的不同，將其分為多端輸電與兩端輸電這兩種。最后我們依據工程性質的不同，還可將直流輸電區分為背靠背聯網技術、遠距離大容量滯留架空技術、海底電纜技術以及城市地下電纜技術這四大類。

1.2直流輸電技術的優點

直流輸電技術的建設成本很低，架空線路施工過程不需要花費很高的工程造價;直流輸電在電能的傳輸過程中，可以實現將電能的損耗量控制到最低;直流輸電技術的電能輸送容量非常大;若電路發生故障如短路現象時，直流輸電技術有效的控制電流形成，使其在故障發生時實現自我保護功能;直流輸電技術還可以優化電線線路的走廊，減少線路鋪設施工的浪費;直流輸電技術在進行電能調節的時候，可以完成系統的快速響應，為整個電路的運行過程帶來安全與穩定的保證;不同步電網在運行中的互聯也可以通過直流輸電技術得以實現，而且不會威脅系統的穩定性。

1.3直流輸電技術的缺點

直流輸電技術的缺點表現在其設備的成本費用很高，其過量承載能力也不是很強;在電能輸送過程中，會消耗一定量的無功功率;直流輸電技術無法實現借助變壓器調節低電壓等級且在電能的傳輸中，一旦受到諧波的影響，就很難有效地控制電能傳輸質量。

2特高壓直流線路關鍵保護

2.1行波保護

由于電流調節器對電流的快速調節，直流線路故障瞬間的過沖電流和故障穩態電流相比較交流線路故障時都要小很多（一般短路電流的峰值僅為正常額定電流值的2倍），這樣就很難根據正常與故障時的穩態電流值來判別故障，于是借助電壓變化量或電流的暫態分量來甄別故障，即行波暫態量保護。目前，國內外研究人員提出了許多原理和實施方式的行波保護。現有特高壓直流工程行波保護應用最多的是SIEMENS和ABB公司的方案。SIEMENS方案故障檢測采用的是反行波突變量的積分，啟動判據采用的是電壓微分。其在常規高壓直流線路的配置采用3取2原則，而在特高壓直流線路中采用冗余配置，可消除因保護裝置故障引起的停運，但同時也存在保護原理不互補的缺點。ABB公司的行波保護方案采用極模波（polemodewave）來檢測故障、用地模波（groundmodewave）來選擇故障極的。

2.2低電壓保護

特高壓直流線路的高阻接地故障是常見的故障，快速準確地檢測故障對保障電力系統的安全穩定運行有著重要的意義。低電壓保護以電壓降低為判據，常用來監測高阻接地故障。為了解決行波保護高阻接地時耐過渡電阻能力差的問題，很多直流工程采用低電壓保護監測直流線路高阻接地的情況。然而，其判據一般采用的是固定值，這就會引起保護在高、低負荷時分別出現拒動和誤動的情況。針對該情況提出依據不同的系統和負荷狀況對判據定值調整的方法。雖然以上文獻改進了低電壓保護的整定依據，但存在著通用性差，無法克服低電壓保護選擇性差、動作速度慢的缺點。

2.3電流縱差保護

特高壓直流線路的電流縱差保護是通過對兩端換流站線路電流的比較來甄別故障的，理論上具有絕對的選擇性，但由于受到線路分布電容的影響，需要等暫態過程結束后保護判據才成立，因此動作時間稍長，常用于切除高阻故障。同時，電流縱差保護需要專門的通信通道，而其通信通道具有可靠性差的先天不足。針對電流縱差保護存在的問題和不足提出了改進。提出了基于分布參數模型的保護原理，消除了分布電容電流的影響。基于分布參數模型，提出了不受數據不同步影響的直流差動保護，避免差動保護因區外故障數據不同步而誤動。考慮到現有工程的實際采樣率低的現狀，提出了基于電流頻率特性的縱差保護。 提出利用線路兩端電流的突變量識別區內、外故障。該方法不需要兩端數據嚴格同步，對采樣頻率和通道的通信速度要求都不高，具有很強的工程實用性。為了提高對線路末端故障判斷的準確性，利用特定頻率電流方向一致時波形匹配程度高，反之匹配程度低的性質來判別區內、外故障，避免了諧波電流相位的精確計算，可以可靠識別線路末端故障。

3特高壓直流線路保護動作策略

直流電流沒有天然的過零點，導致電弧無法自行消除，而現有的直流斷路器切斷故障電流能力又未能滿足特高壓工程的需求，因此特高壓直流線路故障后需依靠直流控制系統來清除故障。直流控制系統常見的保護動作策略總結如下，直流系統故障后通常會啟用其中的1種或幾種。（1）告警：提示運行人員及時采取動作，使設備和系統恢復正常。（2）移相：臨時增大晶閘管觸發角，整流器短時逆變運行，直流線路上的能量迅速向交流系統釋放;同時逆變器的觸發角迅速增大到最大值，從而熄滅直流電流。（3）投入旁通對：于逆變側執行。保持最后導通的閥處于導通狀態，同時觸發與其同相的晶閘管導通，閉鎖其他晶閘管。使直流電壓迅速下降到0，隔離交流直流系統。（4）跳交流斷路器。（5）禁止投入旁通對：有時投入旁通對會使得故障擴大，此時禁投旁通對。（6）故障重啟：用于清除直流線路和接地極線路上的瞬時性故障。含移相、降電流等策略。（7）控制系統切換：強制切換控制系統到備用系統，避免控制系統故障誤動。（8）換流器閉鎖/極閉鎖：停發觸發脈沖，晶閘管隨后截止，直流線路上的能量失去來源。常伴隨移相、投入旁通對等操作，換流閥在直流電流過零以后自然關斷。（9）極隔離：雙極輸電系統的某個極被迫退出運行時，斷開此極的電氣連接。（10）緊急停運：當交流或直流系統發生永久性故障，且超過控制系統的調節能力時，兩側分別用移相、閉鎖脈沖、投入旁通對等措施并斷開交流側斷路器。

結束語

在國民經濟可持續發展的今天，通過對繼電保護技術的使用進行研究，可以提高電力系統的穩定性，促進了我國電網工程建設和高壓變電站的建設。通過對電力系統繼電保護設備的改造和升級，對電力系統和繼電保護設備中容易出現的問題進行研究、處理和匯總，從而制定出科學合理的應對措施。

參考文獻

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