基于电流行波极性的高压直流极母线保护

孙刚,宗芝荣

（1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049;2.淮北供电公司，安徽淮北235000)

直流输电具有传送功率大、线路造价低、控制性能好等优点，特别适合我国幅员辽阔、输电距离长的国情。从20世纪80年代末开始，我国直流输电总输送容量达18 000 MW以上，总输送距离超过7 000 km，该2项指标均成为世界第一。这也对直流系统的保护提出了更严格的要求。

极母线是高压直流输电系统（HVDC）连接阀厅出线和直流线路的重要装置。其保护也应快速准确地反应出母线的区内和区外故障，保证系统的安全稳定运行。目前，直流极母线采用的是电流差动保护算法。该方法存在的主要缺陷还是如何躲避不平衡电流的问题。虽然目前的直流系统中已经大量地采用光学电流互感器（OCT）作为电流的测量设备，能有效地避免电磁互感器的磁饱和问题。但不同用途的OCT具有不同的暂态传递特性，尤其是在暂态过程较严重的情况下，例如储能元件的充放电等，OCT将不能准确地反映各个暂态量，从而导致不平衡电流的产生。当不平衡电流足够大时，会引起保护的误动作。这应引起运行人员的重视。

文献[1-2]提出了一种电流行波在交流母线保护中的新原理，并给出了保护方案和仿真验证，能满足电力系统母线保护的要求。本文在此基础上介绍了一种利用行波极性判断高压直流极母线故障的方法，能有效辨别区内区外故障，并且具有较快的反应速度。

1 极母线差动保护误动分析

极母线差动保护示意图如图1所示，其保护区域为阀厅OCT(IDP)、极母线OCT(IDL)以及两台直流滤波器OCT(IT1，IT2)所包含的区域。极母差电流

保护动作原理为：Idiff跃IREF时，保护5 ms延时跳闸;IREF为极母差制动电流。

图1 极母线差动保护示意图

直流系统中存在大量的电容和电感等储能元件,在运行方式发生改变时，这些元件的充放电导致非常严重的暂态过程[3]。这时如果TA的暂态特性不一致就会产生较大的不平衡电流。图2为极母线差动保护特性图，在直流线路发生接地短路时，滤波器中储能元件对地放电，产生丰富的谐波电流。而直流滤波器和直流线路的TA特性并不一致，从而形成暂态不平衡电流。当该电流大于制动电流时导致保护误动[4-5]。

图2 极母线差动保护特性图

2 基本保护原理

当母线或输电线路上发生故障时可利用叠加原理分析。故障网络可等效为正常负荷网络和故障附加网络的叠加，即相当于在故障点附加一个与改点正常负荷状态时大小相当、方向相反的附加电压，如图3所示[6-7]。在这一电压作用下，将产生由故障点向两侧传播的电压和电流行波，在母线保护处可以检测到电压和电流初始行波。相对电压行波，电流行波比较容易获得。因此，本文就初始电流行波进行分析探讨。

图3 故障网络行波方向示意图

与交流系统不同的是，高压直流极母线上只接有一条直流输电线路，如图1所示。设电流行波极性由母线流向线路为正，并在极母线右侧处装设行波检测设备。当直流线路故障时，对极母线保护而言属于区外故障，初始电流行波极性为负，保护不应动作。当母线故障时，初始电流行波由母线传向线路，其极性为正，保护应当动作[8-9]。阀厅至母线之间的线路故障时，电流行波经极母线折射向线路，其极性仍然为正，保护仍应动作。可见，只要正确区分电流行波的正负极性就能准确的判断出极母线保护的区内和区外故障[10-12]。行波极母线保护的动作情况如表1所示。

表1 极母线保护动作情况

3 仿真验证

3.1 常规极母线差动保护故障仿真分析

此处，直流滤波器和直流线路上的OCT暂态特性有较大差别。D1是直流线路上距离极母线500 m处发生的金属性接地故障点；D2是极母线上的故障点；D3是阀厅至极母线之间线路某处的故障点。

图4 极母线仿真接线图

对常规极母线电流差动保护而言，D1点短路接地属于区外故障，保护不应动作；D2、D3点接地属于区内故障，保护应迅速动作。下面利用仿真软件PSCAD对上述情况仿真验证。

D2、D3点短路故障时，仿真结果分别如图5、图6所示。

图5 D2点故障电流初始行波

图6 D3点故障电流初始行波

由图5、图6可见，在D2、D3点故障时，极母差电流峰值远远大于制动电流，即：此时保护迅速动作。

D1点短路故障时，仿真结果如图7所示。

此时，极母差电流仍大于制动电流，即：Idiff跃IREF，保护动作。但此时D1点属于极母线保护区外故障，保护应可靠不动作，可见保护误动。误动的主要原因是直流滤波器中的高频分量在不同特性OCT中的传变特性不同。

图7 D1点故障电流初始行波

3.2 行波极性法极母差保护仿真分析

利用电流行波极性极母差保护方法对图4中D1、D2、D33种故障进行仿真分析，并提取故障时在极母线右侧处的电流初始行波，分别如图8～图10所示。

图8 D1点故障电流初始行波

图9 D2点故障电流初始行波

图10 D3点故障电流初始行波

在保护动作区外故障时（D1），电流行波如图8所示，极性为负；在保护动作区域内故障时（D2、D3），电流行波如图9和图10所示，极性为正。可见，在极母线保护区域外故障时，初始电流行波极性为负，保护不动作；而当极母线上或阀厅与极母线之间的连接线路故障时，初始电流行波极性为正，保护动作。

由以上分析可知，电流行波极性极母线保护方法，只要检测到电流初始行波的极性就可以正确区分极母线保护的区内和区外故障，不受暂态不平衡电流的影响。能从根本上解决常规极母线电流差动保护误动问题。

4 结语

阐述了基于电流行波极性的高压直流极母线保护原理。由于直流系统的输电线路相比交流系统简单，最多也只有2条线路同时运行（双极运行），因此该保护方案不用考虑多条线路之间的配合问题，保护更加简单。又由于直流系统不存在电压过零点问题，所以，保护灵敏度不会随故障点的改变而有所波动。而且，该保护方案可以与直流线路上的行波保护装置配合使用，提高设备利用率，减少投入。与传统的差动保护相比，该方案能消除因电流互感器暂态特性不同而产生的不平衡电流的影响，能从根本上消除保护误动问题。并且具有动作速度快，灵敏度高，简单可靠等特点。

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