參考電壓變化的直流輸電線路故障識別與保護策略分析

中國南方電網超高壓輸電公司天生橋局 李言武

1 引言

直流輸電線路對于故障診斷具有較高要求，因此需要對故障診斷標準進行完善，提高線路故障的處理效率，構建完善的故障排查目標。直流輸電線路的距離較遠，需要跨區域實現輸電，對線路安全性具有一定的影響，容易引發故障問題，影響直流線路的正常輸電。故障分析過程中，需要關注參考電壓的變化，有助于故障問題的準確分析，進而采取針對性的保護策略。

2 參考電壓變化的直流輸電線路故障識別

2.1 區內外故障識別

直流輸電線路運行過程中，存在著區內外故障的問題，將會對有功功率的變化造成影響，導致線路無法正常工作。故障識別過程中，需要注重暫態能量值的獲取，采用能量值對比的方式展開分析，對故障進行精準識別，完成對區內外故障的診斷。在發生區內外故障的情況下，暫態能量將會發生一定程度的變化，暫態能量的計算公式如下：

公式中，KP、KN分別代表正負極暫態能量的比值。通過上述公式可以對故障的狀態進行判斷，確定故障的具體影響。故障判斷采用整定值分析的方式，對區內外故障進行對比，進行確定故障的類別。區內故障診斷如下：正極故障整定值為KPD，若KP＞KPD，則說明該故障為區內故障所致。區外故障診斷如下：負極故障整定值為KND，若KN＞KND，則說明該故障為區外故障所致。

因此，整定值是判斷區內外故障的重要依據，需要嚴格對整定值進行分析，將其與暫態能量進行對比。以某電力企業故障識別為例，對線路的故障進行檢驗，測得正極、負極暫態能量比值分別為KP＝0.8、KN＝0.4，正極、負極故障整定值分別為KPD＝0.4、KND＝0.5。由 于KP＞KPD，KN＜KND，因此該直流線路故障為區內故障所致[1]。

2.2 單雙極故障識別

在直流輸電線路中，其中一極發生故障后，另一極將會受到影響，導致兩極相差的能量較大，無法顯著地進行控制，使得線路故障愈發顯著。單雙極故障主要體現在能量差方面，故障識別過程中，需要對能量差引起關注，將其作為判斷該故障的依據，確保對故障的識別準確性。單雙極故障可由|KP-KN|與Kpole對比實現，其中Kpole正負極能量差值整定值。若直流輸電線路為單極故障，則|KPKN|＞Kpole；若|KP-KN|≤Kpole，則線路為雙極故障。以某電力企業故障識別為例，對線路故障進行檢測后，得到的正負極能量差為|KP-KN|=2.56，差值整定值Kpole＝0.05，由于前者大于后者，因此直流線路故障為單極性故障所致。

2.3 正負極故障識別

正負極故障是直流輸電線路的常見故障，當發生該故障時，正負極能量存在較大的波動，需要對正負極的能量進行分析，提高正負極故障的辨識效果。正負極故障的識別方法如下：正極能量為E∑p，負極能量為E∑N，若E∑p＞E∑N，則說明直流輸電線路為正極故障；若E∑p≤E∑N，則說明直流輸電線路為負極故障。

3 參考電壓變化的直流輸電線路保護策略

3.1 故障后保護啟動

為確保直流輸電線路能夠正常工作，需要采用保護裝置進行保護，確保線路具有良好的工作狀態。如圖1所示，正常狀態下，線路中具有如下關系：

圖1 直流輸電線路等效圖

當線路發生故障后，線路將會產生故障分量，并且引發暫態能量發生變化，導致直流線路無法穩定運行。為確保直流線路能夠穩定運行，需要采取故障保護措施，對線路的故障動作進行保護[2]。直流輸電線路故障保護措施有以下幾點。

一是為直流線路增加保護運行裝置，對線路參考電壓進行檢測，對線路的故障情況進行判斷，使故障能夠被及時發現，確保故障能夠得到快速處理。

二是對直流線路電壓波動情況進行檢驗，若|U-UN|＞0.1Ua，則表面線路存在故障分量，需要對故障進行持續化地監督，便于對故障問題進行分析。

三是將暫態值與整定值進行對比，對故障的類別進行判斷，使直流輸電線路故障得到精準檢驗，為區內外故障的保護提供依據。

四是將正負極能量差值與整定值進行對比，對正負極故障展開分析，一旦發生正負極故障，則需要立即進行動作保護，降低故障對線路的影響。

3.2 縱聯行波保護

直流輸電線路需要對縱聯行波進行保護，將其區內外故障對線路的影響，提高保護方案的合理性。當發生區內故障時，將會產生正向行波和反向行波，兩種波行波將會同時到達監測點，但行波的幅度具有一定的差距，通常情況下，前者要小于后者。若發生區外故障，則前者將會大于后者，出現與上述情況不同的結果。縱聯保護方案的構建如下：

首先，需要構建雙極直流線路，采用相模變換對線路進行解耦，對故障分量進行確定，進而確定故障的補償措施。其次，要對故障極進行選取，確定故障分量的極性，使其與地模分量相反，對故障極進行精準地檢驗，提高行波保護的有效性。最后，制定保護判斷，將故障結果發送給保護裝置，使故障能夠快速地進行處理，確保線路故障的恢復邏輯，使線路能夠重新恢復到穩定，提高線路故障的動作效率。

3.3 直流線路保護配置

參考電壓變化是實施線路保護的重要依據，需要做好直流分壓的檢查工作，由直流分壓器對線路展開分析，確定線路的電壓變化情況。在輸電信號檢測方面，需要增加電壓檢測模塊，確定直流線路的電壓分布情況，確保對電壓的檢測精度。若線路發生短路故障，線路電壓將會明顯升高，并且暫態分量將會增加，引起線路觸發縱差保護，故障線路能夠得到及時切斷。當線路發生接地故障時，線路檢測裝置將會發送行波，引起線路電流的幅值發生變化，使得線路發生跳閘現象，對直流線路進行安全保護。故障恢復過程中，需要制定故障恢復順序，使離電后的系統能夠順利恢復，使直流線路能夠得到行波保護，降低短路現象對線路的影響，保證線路處于安全的運行狀態。

3.4 低電壓保護

直流輸電線路運行過程中，需要做好低壓保護工作，防止線路出現欠電壓狀態，導致線路突然出現故障。在低壓狀態下，需要增大電流才能維持電壓的穩定，防止線路出現升溫現象，導致線路出現燒毀。對線路進行保護時，可由熔斷器、脫扣器等保護元件，對線路進行低壓保護，確保低壓狀態線路的安全。低壓線路對用電設備的危害較大，需要做好電壓整定值的設定，提高電壓保護措施的有效性，對用電設備進行保護。

以電動機的保護為例，需要對保護裝置的整定值進行設定，將整定電壓設置為電動機額定電壓的60%～70%，并且保護裝置的動作時間應小于0.5s，確保欠電壓狀態下防止電動機出現損傷，使保護裝置能夠及時通斷，對電動機進行全面的保護。因此，電壓整定值和動作時間是實施線路保護的重要參數，需要合理對保護電壓進行設置，保障直流線路的運行安全[3]。

3.5 過電壓保護

過電壓現象對直流線路的危害較大，線路的電壓將會大于穩態值，導致線路無法正常運行，并且引起用電設備的負荷增大，造成用電設備的燒毀。在過電壓的作用下，電壓的峰值將會用電設備的正常電壓，同時會存在暫態過電壓，可以在0.1～1.0s內對用電設備產生作用，對其迅速造成擊穿，影響輸電線路運行的穩定性。因此，要注重過電壓保護裝置的應用，將其安裝在線路中，防止對用電設備造成損傷，提高直流輸電的安全性。過電壓保護過程中，需要考慮到用電設備的耐受性，通過對保護裝置進行應用，將線路電壓限定在額定范圍，確保定壓保護的有效性，保障用電設備能夠正常運行。受到過電壓的影響，線路電壓將會超出設備的耐受性，需要對過電壓的保護引起重視。

過電壓保護主要包含以下形式：一是要注重基本保護方法的應用，降低過電壓對設備的威脅。在保護過程中，要注重能量的轉移，采用屏蔽、濾波等方式，提高對設備的保護作用。必要時，可以安裝隔離變壓器，將設備與線路隔離開來，對過電壓的影響進行控制。

二是注重多級保護的應用，對直流輸電線路逐級進行降壓，防止線路電壓突然增大，對線路造成損傷。在多級保護的作用下，可以提高設備的承受能力，使線路電壓處于穩定的狀態。

三是對線路的端口進行保護，對持續工作電壓進行控制，提高輸電線路的耐受能力。如采用熔斷器、斷路器等實施保護時，需要確保材料質量的指標，保障設備具有良好的耐受特性，對直流電源端口進行保護。直流電源端口應注重峰值的控制，對最大持續工作電壓進行控制，確保工作電壓低于電平峰值的1.2倍，并且保證插入損耗小于0.2dB。另外，要做好過壓保護的監視工作，確保保護設備與接口的兼容性，使控制裝置能夠順利完成動作。

3.6 單極金屬回線保護

為了對直流線路的極性進行保護，可以采用單極金屬回線方式進行保護，將停運極接入到線路的運行極，使線路能夠迅速進行保護作用，提高線路運行的可靠性。在單極金屬回線方式下，接地開關將會起到限位作用，確保短路線路中無電流通過，由停運極構成完整回路，進而對直流線路進行極性保護。限制電位是實現極性保護的關鍵，需要對單極金屬回線的電位進行分析，使電流能夠有限流入故障接地點，使極性故障能夠從輸電線路中切出，保障線路動作的正確性。線路故障點與高速開關接地點會形成回路，使線路能夠及時消除故障，促使高速開關接地回路的形成。在該保護線路中，需要注意故障的恢復順序，當短路故障為持久性接地時，直流保護過程將會形成閉鎖，強制保護開關進行跳開，對直流線路進行充分控制。

單極金屬回線保護能夠解決接地故障問題，而且能夠對線路進行過電壓保護，提高線路的保護控制效果。故障點需要與接地回路構建連接，將停運極進行金屬回線連接，使金屬回線能夠正常發揮作用，保障該保護方式的故障切除能力。為了提高該保護的方式的安全性，需要注重閉鎖保護的應用，構造直流保護線路的閉鎖條件，使線路的保護更加的充分。在閉鎖保護的作用下，使受保護線路能夠安全地進行恢復，使線路能夠作用于運行極，一方面可以防止線路恢復時出現過流現象，構建良好的運行恢復機制，提高線路的運行效果。另一方面，對單極金屬回線保護進行優化，提高故障恢復過程的穩定性，提高對線路的保護作用。

綜上所述，直流輸電線路保護過程較為復雜，需要以故障識別作為依據，對線路故障進行確定，使線路故障得到充分分析。為了確保線路運行的安全性，需要采用線路保護策略，對線路進行全面地保護，防止線路由于故障受到損傷，影響線路的穩定運行。直流輸電線路需要嚴格進行保護，按照要求實施保護策略，提高線路運行的安全性，排除故障隱患對正常線路的干擾。