高壓直流接地極線路阻抗監視系統斷線故障時動作性能評估

李小鵬，滕予非，宋新堯2，李世龍，羅榮森

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2. 西安交通大學電氣工程學院，陜西，西安 710049)

0 引 言

目前，特高壓直流輸電作為遠距離大容量電能輸送的重要通道已在國內廣泛應用，目前在運和在建的特高壓直流超過了10條[1]。直流接地極和接地極線路是特高壓直流輸電系統的重要組成部分，其為換流閥提供參考地電位，同時作為入地電流的通道。在實際工程運行中，因雷擊或過電壓閃絡引起的接地極線路短路、斷線故障已嚴重威脅到直流系統的安全運行。為可靠迅速地檢測和處理接地極線路故障，實際工程中為接地極線路配備了過流保護、電流不平衡保護和接地極線路阻抗監視系統。

過流保護和電流不平衡保護受保護原理限制存在保護死區，難以保護線路全長，且在直流輸電系統雙極平衡運行或金屬回線運行時無法發揮作用。差動保護可以保護接地極線路全長，但依然不適用于雙極平衡運行或金屬回線運行方式，且需要雙端通信，在通信失效時無法發揮作用。為了解決接地極線路保護的可靠性問題，ABB公司提出為直流輸電系統配置基于高頻信號注入的接地極線路阻抗監測系統。

阻抗監視系統通過向接地極線路注入高頻正弦電流信號，同時在注入點測量同頻電壓信號，間接計算出接地極線路的阻抗變化。如果阻抗監視裝置檢測到阻抗進入動作區并持續一定時延，判斷接地極線路發生了故障。阻抗監視系統可以適應雙極平衡運行方式，但在實際運行過程中，阻抗監視系統曾在短路故障時發生過拒動，需要進一步分析接地極線路的故障特性以及阻抗監視系統在不同故障情況下的動作性能[2]。

在接地極線路故障特征分析方面，文獻[3]針對不同短路故障下接地極線路的暫態行波的特征進行了仿真分析。文獻[4]提出了一種接地極線路短路故障快速識別方法。文獻[5]分析了接地極線路阻抗監視系統在短路故障情況下的動作情況，并提出了相應的改進措施。

然而，上述研究大多是針對短路故障情況開展的研究，較少涉及斷線故障，且缺乏斷線故障后 阻抗監視系統的動作性能分析。下面著重對接地極線路斷線故障開展理論研究，推導了斷線故障情況下接地極線路阻抗監視系統的測量阻抗變化情況，并進一步分析了不同故障位置下阻抗監視系統的動作性能，為下一步改進提供了基礎。

1 接地極線路阻抗監視系統

1.1 接地極線路阻抗監視系統原理

高壓直流輸電工程接地極線路的阻抗監視系統(electrode line impedance supervision，ELIS)如圖1所示。

圖1 ELIS系統

向接地極線路注入高頻電流信號后可以在注入點測得對應頻率的電壓值。目前國家電網有限公司已經投運的高壓直流輸電工程中，注入信號頻率均為13.95 kHz[5]。通過測量對應頻率的電壓電流值即可計算出接地極線路的等效阻抗，進而判斷線路上是否發生故障。為了防止高頻電流進入直流系統，在接地極線路兩端還分別裝設有阻波器。其中接地極側的阻波器還并聯有匹配電阻，其阻值與接地極線路等效波阻抗相當。

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

ΔZ=|Zeq-Znormal|≥Zset

(1)

式中：Zeq為測量阻抗；Znormal為正常運行時接地極線路等效阻抗；ΔZ為測量阻抗與正常運行時阻抗差值；Zset為整定阻抗，工程中一般取30 Ω。

1.2 正常運行時接地極線路阻抗

接地極線路正常運行時，接地極引線的等效電路如圖2所示。

圖2 正常運行時接地極線等效電路

由圖2可得，此時

(2)

式中：Zeq為接地極線等效阻抗；ZP為接地極線路末端并聯的匹配電阻，其值等于線路的波阻抗Zc；Z和Y分別為輸電線路PI型等效電路中的等效阻抗和等效導納，其計算公式為

(3)

將式(3)代入式(2)可得

Znormal=ZC

(4)

由此可知，正常運行時，接地極線路等效阻抗為線路的波阻抗。

2 接地極線路在斷線時的等效阻抗

2.1 雙回線斷線故障

當距離接地極引線首端x處發生雙回線斷線故障時，接地極線等效電路圖如圖3所示。

圖3 雙回線斷線故障時接地極等效電路

圖中，Z1、Y1和Z2、Y2分別是兩段線路的等效阻抗和等效導納，其計算公式為

(5)

則接地極引線的等效阻抗Zeq為

(6)

2.2 單回線斷線故障

當特高壓直流接地極線路出現單回斷線故障時，其等效網絡如圖4所示。

圖4 單回線路斷線故障時接地極線等效電路

將圖4進一步簡化為圖5。

圖5 單回線斷線故障時接地極線簡化電路

圖5中各變量的表達式為

(7)

將圖5進一步經電路等效變換簡化為圖6。

圖6 單回線路故障時接地極線簡化電路

圖6可表達為

(8)

由圖6可得等效阻抗Zeq為

(9)

3 接地極線路阻抗監視系統動作性能分析

3.1 雙回線斷線時ELIS動作性能分析

采用某±800 kV特高壓直流工程的接地極線路參數來分析ELIS系統的性能。在該特高壓直流輸電工程中，接地極線路采用同桿雙回架設，線長100 km，具體參數如表2所示。注入信號源位于接地極線路換流站端，注入頻率為13.95 kHz。為了減少線路上高頻駐波的影響，在接地極線路兩端還分別裝設有阻波器。

表2 單回接地極線路參數

利用表2參數，首先仿真接地極線路長度變化時，不同故障點雙回線斷線故障時的故障阻抗，得到故障阻抗與正常運行時的最小阻抗差值隨線路長度的變化情況，如圖7所示。

圖7 不同接地極線路長度下最小的阻抗偏差值

由圖7可知，在線路長度在100 km以內時，任意地點發生雙回線斷線故障時，阻抗差值最小值也在130 Ω以上，遠遠大于整定值30 Ω，ELIS系統不會拒動。

3.2 單回線斷線時ELIS系統動作性能分析

首先考察在線路長度為100 km時，發生單回線斷線故障，不同故障距離下的阻抗差值，如圖8所示。

由圖8可知，在接地極線路長度為100 km時，接地極線路單回線故障后阻抗變化量均大于門檻值，ELIS系統不會拒動。

在以上仿真中接地極線路長度均為100 km。為了研究接地極線路長度對故障后阻抗變化量的影響，設置接地極線路長度從5 km一直增加到100 km。同時在接地極線路上每隔0.1 km設置一個單回線斷線故障點，在不同的線路長度下故障后阻抗變化量最小值如圖9所示。

圖8 不同故障距離下阻抗偏差值

圖9 不同接地極線路長度下最小阻抗偏差值

由圖9可以看出，在某些線路長度下單回線斷線故障后的最小阻抗變化量將遠小于門檻值，這就意味著在這些故障情況下ELIS系統將會拒動。

由圖9可知這些特殊情況的線路長度接近于注入信號半波長的整數倍。

圖10 接地極線路長度為10倍注入信號半波長時阻抗偏差

為了驗證上述結論，將線路長度設置為注入信號半波長的10倍，接地極線路單回斷線故障后的阻抗變化量如圖10所示。

由圖10可以看出，當故障距離為注入信號半波長的整數倍時，線路單回斷線故障后測量阻抗與正常運行時的測量阻抗相當，這就意味著在這種情況下ELIS系統將會拒動。

4 結 語

前面首先分析了接地極線路在雙回斷線和單回斷線故障后的等效阻抗，然后利用接地極線路參數研究了不同故障下ELIS的動作性能。研究表明：ELIS系統在接地極線路雙回斷線時能可靠發現故障，但在接地極線路長度為注入信號半波長的整數倍時，在某些故障距離下ELIS系統將無法發現線路上的單回線斷線故障。