一種特高壓直流輸電線路雙端暫態保護方法

彭濤，王劍強，李一鳴，潘科，董升，金舒燦

（國網浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江金華，321000）

0 引言

研究證明對于遠距離的大功率跨區輸電[1]直流比交流更加適合，且直流輸電能實現多種方式的快速調節。考慮到直流線路在直流輸電系統中的重要作用，其區內外短路故障會嚴重影響直流輸電系統的安全穩定運行。

目前在特高壓直流輸電線路中應用的保護主要是行波保護，但其很容易受到換相失敗、雷電等的干擾，在線路高阻抗短路接地的情況下靈敏度也低[2]，因此，研究性能更為優越的特高壓直流線路保護是我們迫切的任務。本文在此基礎上提出了一種基于直流濾波器電流變化量和變化率的區外、內故障識別判據，此方法對采樣頻率要求較低，易于工程實現，大量仿真結果表明本文所提方法具有良好的耐過渡電阻的能力。

1 UHVDC輸電線路邊界元件特性分析

本文采用所提供的實際線路參數，利用PSCAD/EMTDC軟件建立云廣±800kV特高壓直流輸電系統模型，總送電容量為5000MW；逆變側的無功補償容量是3040Mvar而整流側為3000Mvar；串聯2個12脈沖換流器組成每極的換流器，直流輸電線路全長為1500km；線路兩側都裝有400mH的平波電抗器和直流濾波器，平波電抗器抑制換流電路產生的紋波，直流濾波器是12/24/36三調諧濾波。平波電抗器和直流濾波器組合構成了高壓直流輸電線路現實中的物理邊界。

現對直流濾波器和平波電抗器所組成的物理邊界進行理論分析，其中：U2為區外暫態電壓，當U2經邊界至高壓直流線路保護安裝處變為U1即區內暫態電壓。

定義邊界元件的傳遞函數為：

圖1 云廣高壓直流輸電系統

圖2 傳遞函數幅頻特性

對于直流線路區外故障，由于暫態電壓經過平波電抗器至直流線路保護安裝處的高頻分量很小，所以流進直流濾波器的600Hz、1200Hz和1800Hz高頻信號也較小。

當高壓直流線路區內發生短路故障時，由于高頻暫態信號不容易通過邊界元件，因此流進直流濾波器的600Hz、1200Hz和1800Hz的高頻分量較大，以上分析可知區內外故障流過直流濾波器電流波形區別很大。利用區內、外故障時流過直流濾波器電流變化率不同這種差異就能準確識別區內、外故障。

2 直流輸電線路區內、外故障特征分析

2.1 故障特征分析

由于高壓直流輸電線路兩端均裝設有直流濾波環節，使得直流輸電線路發生區外、區內故障時，故障分量網絡拓撲結構就不同。直流輸電線路發生區外故障時，輸電線路兩端的平波電抗器會對高頻信號產生阻滯作用，使得流過直流濾波器支路互感器的高頻電流分量很小；直流輸電線路區內故障時，平波電抗器沒有對故障信號產生阻滯作用，流過直流濾波器支路互感器高頻分量很大。由以上分析可以知道，直流輸電線路區內、外故障時流過直流濾波器支路的高頻分量信號差異明顯，利用濾波器支路中電流信號差異進行高壓輸電線路區內外故障的判斷將具有很好的靈敏度和選擇性。

由于直流濾波環節的存在，對于區內故障，其阻抗曲線對直流濾波支路特定諧振頻點600、1200和1800 Hz具有帶通性，使得流過直流濾波器支路的這3個頻率分量的幅值變化較大，相反故障發生在直流輸電線路區外時，由于平波電抗器的作用3個頻率分量流過直流濾波器的幅值變化較小。

不同的過渡電阻令高壓直流輸電系統正極接地故障點距中m點100m的f2和區外f4處，過度電阻分別設為10、48、100Ω，仿真測得m端的直流濾波器支路電流如圖3和圖4所示。

圖3 區內不同過度電阻直流濾波器電流波形

圖4 區外不同過度電阻直流濾波器電流

2.2 故障發生判據

根據2.1節分析，可以利用直流輸電線路發生故障時，直流濾波支路電流迅速增加，根據產生的變化量判定故障是否發生，構造判據：

2.3 保護動作判據

根據2.1節分析，當直流輸電線路發生區內故障時，只有線路對高頻故障信號進行衰減，到達保護安裝處高頻信號變化率大，而當對側區外發生故障時，高頻故障信號經過邊界和線路的雙重衰減，到達保護安裝處的高頻信號幅值變化率較小。因此根據區內、外故障流過直流濾波器的電流變化率的不同，可以構造區內、外故障判據

由圖3、圖4，過渡電阻越大，直流濾波器直流電流幅值和變化率越小，所以對于區外故障，小過渡電阻近距離故障的直流濾波器電流變化率最大，防止突發性信號干擾，變化率取3點平均值。

經過仿真計算并在提高判斷裕度的情況下取Pset=1900A/s，因此規定區內外故障判據為：若P<1900A/s，判斷為區外故障;相反P>1900A/s，判斷為區內故障。

3 仿真實驗

在所建立的云廣特高壓直流輸電系統實際參數仿真模型上經過大量的仿真試驗，驗證了上述公式(3)所提出的判據。保護裝置的采樣頻率為20kHz，時間窗長度取0.5個周波。改變故障位置和過渡電阻的大小后，仿真試驗結果如表1所示。表1表明，在不同故障距離和過渡電阻大小的情況下，均能正確判斷區內外故障。

表1 仿真實驗結果

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4 結論

綜合考慮特高壓直流輸電保護準確性與快速性的要求，提出了一種利用直流濾波器支路暫態電流變化量與變化率的特高壓直流輸電線路暫態保護方法，分析得以下結論：(1）該方法用雙端保護是因為隨著線路長度增加到一定程度，直流輸電線路對高頻信號的衰減作用會大于由平波電抗器和直流濾波器所組成的邊界元件的衰減作用。(2）系統發生故障時，流過直流濾波器電流會急劇增加。(3）區內、外發生故障時對應流過直流濾波器電流變化率不同，可以用此判別區內、外故障。