云广±800kV特高压直流输电线路暂态保护特征频带选取

陈仕龙，谢佳伟，毕贵红，张 杰，束洪春

(昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明650050)

1 引言

目前高压直流输电工程规模日益扩大，输电线路电压等级也越来越高，这就对直流输电线路保护的灵敏性和快速性提出了更高的要求。暂态保护具有快速动作性能。此外，暂态保护还具有不受过渡电阻、电流互感器(TA)饱和、系统振荡和长线分布电容等影响的独特优点［1-3］。暂态保护的上述优点正是超高压长距离直流输电线路所需要的。根据暂态量利用方式的不同，暂态保护分为双端暂态量保护和单端暂态量保护。双端暂态量保护成本较高，且依赖于两端时间同步和传送通道，由于通信通道的不可靠而导致直流线路保护功能闭锁的事故常有发生;而利用单端暂态量构成全线速动保护不依赖通信设备和通道，保护装置的构成简单，易于维护和调试，可靠性更高［4-6］。基于单端暂态量的直流输电线路暂态保护开始引起国内外继电保护工作者的注意并开展了相关研究，同时取得了一定的研究成果［7-11］。文献［12］指出了现有的利用保护元件区分本侧区内外故障的直流线路暂态保护原理并不能实现全线保护，在考虑了特高压直流输电线路对故障暂态信号高频量的衰减作用的情况下，提出了一种能实现线路全长保护的利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理。

由于暂态信号在线路上为混合模式传播，不同的频率分量具有不同的传播速度和衰减程度，因此保护装置检测到的暂态量的幅值大小与信号频率密切相关［13］。在基于利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端暂态保护原理实现线路全长保护的研究中，为有效利用故障暂态量所包含的丰富故障信息，需要找出故障暂态量的特征频带，使得频率位于该频带内的暂态分量能准确反应出故障的位置。

本文介绍了利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理，根据云广±800kV特高压直流输电系统实际参数，建立云广±800kV特高压直流输电系统仿真模型。结合云广特高压直流输电系统边界实际参数，得出线路边界透射系数阻带。通过分析各种类型故障信号频率特性，得出故障信号主能量频带。用于区分线路区内外故障的故障信号主能量频带是边界透射系数阻带内故障信号能量集中部分对应的频带。在故障信号主能量频带内，选取满足衰减规律—线路及边界对故障信号的双重衰减效果要强于单个线路对信号的衰减的故障信号所对应的频带作为故障信号特征频带。

2 利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理

特高压直流输电线路边界对故障高频量有强烈的衰减作用，据此可提出利用故障高频信号区分线路区内、区外故障的边界保护原理。然而，特高压直流线路对高频量也有衰减作用，线路越长，衰减作用越强烈，当特高压直流输电线路达到一定长度时，其对故障暂态信号高频量的衰减作用将有可能超过特高压直流输电线路边界。如图1所示，当d1和d3点发生同类型的故障时，d3点故障时保护测得的故障暂态量幅值就有可能要大于d1点故障。所以，仅考虑线路边界对故障高频量有强烈衰减作用的边界保护无法保护线路全长。考虑特高压直流输电线路对故障暂态信号高频量的衰减作用，本文提出利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理。

图1 利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理图Fig．1 Principle of single-ended transient based voltage protection of UHVDC transmission line using protector to distinguish opposite inside and outside faults

利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理的基本思想是:利用保护元件来区分对侧的区内、区外故障，即利用整流侧保护元件来区分逆变侧的区内故障和区外故障，利用逆变侧的保护元件来区分整流侧的区内故障和区外故障。如图1所示，保护装置位于整流侧，当逆变侧区外d2点发生故障时，故障产生的暂态电压高频分量要通过特高压直流输电线路“边界”和特高压直流输电线路的双重衰减才能到达保护安装处，而区内线路末端d1点故障所产生的暂态电压高频分量则只通过特高压直流输电线路的衰减就能到达保护安装处，因此在保护安装点处，区内d1点故障产生的故障暂态电压高频量将大于区外d2点故障产生的故障暂态电压高频量，即本原理能区分区内故障d1和区外故障d2。所以本文提出的利用保护元件来区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理能实现特高压直流输电线路全线保护。

3 仿真模型

参照云广特高压直流输电系统换流站主接线，根据系统元件模型，可建立云广±800kV特高压直流输电系统仿真模型。云广特高压直流输电系统电压等级为±800kV，直流额定电流3.125kA。直流输电线路全长1418km，沿线大地电阻率平均值1000Ω·m，采用6×LGL-630/45导线，采用Frequency Dependent(Phase)Model Options模型。云广±800kV特高压直流输电控制系统基于CIGRE直流输电标准测试系统建立，为满足系统控制的需要，本文对CIGRE直流输电标准测试系统的控制系统做了部分改动。所建立的仿真模型如图2所示。

图2 云广特高压直流输电仿真模型Fig．2 Simulationmodel of Yunnan-Guangdong UHVDC

4 故障信号主能量频带

高压直流输电线路边界是引起保护安装处检测到的区内外故障信号出现差异的主要原因。差异的显著与否与线路边界对故障信号的衰减程度强弱，即线路边界透射系数的大小密切相关，透射系数越小，区内外故障特征差异就越明显。为了提高保护的灵敏性，可以选择区内外故障特征十分明显，即透射系数阻带内的暂态量作为故障信号。另外，高压直流输电线路发生故障时，相当于在故障点附加一个故障信号源，故障信号能量的大小与信号频率特性相关。如果所选频带内的故障信号能量较小，加上线路的衰减作用，保护安装处所检测到的故障信号能量就很小，这样用作区分线路区内外故障的保护整定值也就很小。当系统或线路上出现干扰时，就会引起保护的误动，严重影响了保护的可靠性。

通过上文分析可知，为了提高保护的可靠性和灵敏性，应该选择信号能量比较大，并且区内外故障特征差异明显的故障信号来判别故障位置，因此用于区分线路区内外故障的故障信号应该具有以下特点:①它是边界透射系数的阻带;②它是故障信号的主能量频带。下面通过对边界透射系数的频率特性和故障信号的频率特性加以分析，总结得出边界透射系数阻带内的故障信号的主能量频带。

4.1 线路边界频率特性分析

直流平波电抗器与直流滤波器一起构成高压直流换流站直流侧的直流谐波滤波回路，也构成了高压直流输电线路的边界。平波电抗器能平滑直流电流中的纹波，避免在低直流功率传输时电流的断续，还能通过限制由快速电压变化所引起的电流变化率来降低换相失败率;直流滤波器能滤除流入直流线路和接地极引线中的谐波分量，以降低谐波对系统造成的危害;平波电抗器和直流滤波器都是高压直流输电系统中重要的设备［14］。由串联电抗器和并联滤波器构成的线路边界阻抗是关于频率的函数，阻抗幅值的大小随频率不同而变化，不同频率的暂态分量在经过线路边界时会发生不同程度的折射，因此线路区外发生故障时，整流侧保护安装处检测到的来自故障点的暂态分量大小与边界的透射系数相关。线路边界模型如图3所示，图中Ur为入射电压波，Uf为电压反射波，Uz为电压透射波。

参照云广特高压直流输电系统实际参数，图3中:L0=0.3H，L1=11.773×10－3H，L2=10.266×10－3H，L3=4.77×10－3H，C1=2×10－6F，C2=3.4152×10－6F，C3=11.7732×10－6F，边界的阻抗为:

图3 云广特高压直流输电线路边界Fig．3 Transmissionlineboundaryof Yunnan-GuangdongUHVDC

代入实际参数，求得:

边界透射系数的求解公式为［15］:

式中，zc为线路的波阻抗。对于超高压输电线路，为了减小线路的电晕损耗及线路电抗，以增加输电线路的输送能力，常采用分裂导线。对于分裂导线，zc≈300Ω［16］，将其代入式(4)中，求得透射系数的频谱图如图4所示。

分析边界的透射系数频谱图可知，随着信号频率的增大，边界对信号的透射系数在减小，当信号频率f＞2kHz时，边界透射系数kz＜0.1。为了使线路发生区内、外故障时整流侧保护安装处检测到的故障信号差异明显，可以选择透射系数阻带内的暂态电压分量作为故障信号。由图4可知，云广特高压直流输电线路边界透射系数阻带为［2kHz，+∞］。

图4 云广特高压直流输电线路边界透射系数频率特性Fig．4 Magnitude frequency characteristic of refraction coefficient of transmission line boundary of Yunnan-Guangdong UHVDC

4.2 故障信号频谱分析

高压直流输电线路上较常见的意外情况有金属性接地故障、非金属性接地故障、雷击干扰以及雷击致线路故障。下面分别对这四种工况进行仿真分析，得出不同类型故障信号的频率特性图，然后总结得出故障信号的主能量频带。在分析各种类型故障信号频率特性时，只对边界透射系数阻带内的故障信号加以分析，本文采样率fs=200kHz，因此本文只对［2kHz，100kHz］频带内故障信号进行频率特性分析，即以下故障信号频谱图中横轴范围为［2kHz，100kHz］，文中仿真分析是以电压信号为例。

4.2.1 金属性接地

线路发生接地故障时，在接地点立刻形成故障电流入地通路。本文采用PSCAD/EMTDC电磁暂态分析软件自带的接地故障模块来仿真接地故障。接地故障仿真模型示意图如图5所示，其中，Time Fault Logic模块控制的是接地故障开始的时间及故障持续时间，本文接地故障开始时间设置为0.3s，故障持续时间为0.1s;故障模块控制的是发生接地故障时过渡电阻的大小。

图5 接地故障仿真模型示意图Fig．5 Simulation model of earth fault

线路金属性接地故障时，过渡电阻设置为0.01Ω。通过仿真分析，得到金属性接地时故障暂态电压信号频谱图，如图6所示。

图6 金属性接地故障下暂态电压信号频谱图Fig．6 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signal under earth fault condition

分析故障暂态电压信号频谱图可知:在发生金属性接地时，暂态电压主能量频带为［2kHz，20kHz］。

4.2.2 非金属性接地

为了获得线路发生非金属性接地时，暂态电压的主能量频带，本文分别对过渡电阻为10Ω、50Ω和200Ω的情况进行仿真。仿真结果如图7所示。

图7 不同过渡电阻下，非金属性接地故障时暂态电压信号频谱图Fig．7 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signal under non-earth fault condition with different transition resistances

分析以上暂态电压信号频谱图可知，随着过渡电阻的增大，暂态电压幅值在减小，但是故障信号的主能量频带维持在［2kHz，20kHz］不变。

4.2.3 雷击干扰

雷击干扰指的是在雷击点处叠加了一个注入电流源，但在雷击点处未形成故障电流入地通道［17］。为了求得雷击干扰情况下的暂态电压频谱，本文选用2.6/50μs双指数波形的雷电流模型，雷电流幅值取40kA［18］。雷击时，故障信号暂态电压频谱如图8所示。

分析图8可知，干扰性雷击信号主能量频带为［2kHz，30kHz］。

4.2.4 雷击致故障

雷击线路并致线路故障情况下，起始过程为雷电流注入阶段，雷电流注入线路并向线路两端传播，与线路波阻抗共同作用产生过电压，当绝缘子串两端电压超过绝缘子串50%放电电压时，绝缘子发生闪络，接地故障电流沿杆塔进入线路，线路呈现接地故障特征［19］。本文采用绝缘子压控开关模型来模拟故障性雷击，将绝缘子串两端电压的绝对值作为压控开关的输入电压，绝缘子串50%的放电电压作为压控开关的控制电压，并且开关处于常开状态。如果输入电压大于开关的控制电压，则开关闭合，这时接地故障电流沿杆塔进入线路。±800kV直流输电线路绝缘子50%放电电压可由式(5)得到［20］:

图8 雷击下暂态电压信号频谱图Fig．8 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signal under lightning condition

式中，Lx为绝缘子串长度(单位:m)，云广±800kV直流输电线路绝缘串长度为8.8～11.8m，其中绝缘子串长度8.8m与10.8m分别占40%与50%［21］，本文绝缘子串长度定为10.8m。由式(5)计算得到U50%=5888.4kV。

本文借助PSCAD/EMTDC电磁暂态分析软件建立的绝缘子串模型如图9所示。

图9 绝缘子串仿真模型Fig．9 Simulation model of insulator string

其绝缘子发生闪络控制模块如图10所示。图10中，绝缘子串两端的电压E12、E22取绝对值后，分别作为压控开关的输入电压，压控开关的控制电压为5888.4kV，当压控开关的输入电压大于控制电压时，对应的压控开关闭合。图10中用断路器的开闭来表示压控开关的状态。

图10 绝缘子串闪络控制模块图Fig．10 Controlmodule of insulator string flashover

为了获得雷击致线路故障情况下的暂态电压主能量频带，本文分别对接地电阻为1Ω、20Ω和80Ω的情况进行仿真分析。仿真结果如图11所示。

图11 不同过渡电阻下，雷击致故障时暂态电压信号频谱图Fig．11 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signal under lightning inducing fault condition with different transition resistances

分析图11所示仿真结果可知，过渡电阻的增大使得暂态电压幅值减小，但是故障信号主能量频带保持在［2kHz，20kHz］范围内不变。

分析上述各种类型故障信号频谱图可知，边界透射系数阻带内的故障信号的主能量频带为［2kHz，20kHz］。

5 故障信号特征频带

由于故障暂态量的能量大小及其在边界和线路上的衰减强弱与自身频率相关，因此保护处测得的故障量幅值大小与故障信号频率有关。为了使利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护能保护线路全长，应该选取主能量频带内的特征频段的暂态信号作为故障信号，该故障信号满足上文提到的衰减规律，即线路及边界的双重衰减效果比单个的线路衰减效果强烈，所以在保护安装处，区内故障信号幅值要大于区外故障。为了确定故障信号主能量频带内的特征频带，本文分别在距离整流侧保护安装处100km、600km、1410km以及逆变侧边界之外对各类型故障分别作仿真分析。

5.1 金属性接地

分别对距离整流侧保护安装处100km、600km、1410km以及逆变侧边界之外发生的金属性接地故障情况进行仿真分析，保护安装处测得的不同故障距离的暂态电压信号频谱图如图12所示。图12中OB(Outside Boundary)表示的故障位置是逆变边界侧之外。

图12 金属性接地故障下，不同距离暂态电压信号频谱图Fig．12 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under earth fault

分析图12所示仿真结果可知，在保护安装处，频率位于［14kHz，20kHz］的暂态电压幅值大小随着故障距离的变化区别不大，所以金属性接地情况下，频率位于［14kHz，20kHz］的暂态电压信号无法区分线路区内、外故障。而频率位于［2kHz，14kHz］这一频带内暂态电压信号幅值在区内故障时要大于区外故障，而且幅值大小随着故障距离的增大而减小。因此金属性接地情况下，［2kHz，14kHz］频带内的暂态电压信号能准确反映故障位置。

5.2 非金属性接地

为了分析非金属性接地故障下，不同故障距离暂态电压频谱，本文分别对过渡电阻为20Ω、80Ω和150Ω的情况进行仿真分析，仿真结果如图13～图15所示。

图13～图15所示仿真结果表明:在线路发生非金属性接地情况下，随着过渡电阻的增大，主能量频带内的暂态电压幅值减小;而频率位于［2kHz，14kHz］这一频带内暂态电压信号幅值在区内故障时要大于区外故障，而且幅值大小随着故障距离的增大而减小。因此非金属性接地情况下，［2kHz，14kHz］频带内的暂态电压信号能准确反映故障位置。

图13 过渡电阻为20Ω时，不同故障距离非金属性接地故障暂态电压信号频谱图Fig．13 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under non-earth fault condition and transition resistance is 20Ω

图14 过渡电阻为80Ω时，不同故障距离非金属性接地故障暂态电压信号频谱图Fig．14 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under non-earth fault condition and transition resistance is 80Ω

图15 过渡电阻为150Ω时，不同故障距离非金属性接地故障暂态电压信号频谱图Fig．15 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under non-earth fault condition and transition resistance is 150Ω

5.3 雷击

分别对距离整流侧保护安装处100km、600km、1410km以及逆变侧边界之外发生的雷击情况进行仿真分析，保护安装处测得的不同故障距离的暂态电压信号频谱图如图16所示。

图16 雷击下不同故障距离暂态电压信号频谱图Fig．16 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distancesunder lighting condition

分析仿真结果图16可知，在保护安装处，频率位于［10kHz，20kHz］的暂态电压幅值在线路末端雷击与边界之外发生雷击时相差不大，所以利用频率位于［10kHz，20kHz］的暂态电压分量作为故障信号是无法区分线路末端故障与区外故障，即无法实现线路全线保护。而频率位于［2kHz，10kHz］这一频带内暂态电压信号幅值在区内故障时要大于区外故障，而且幅值大小随着故障距离的增大而减小。因此雷击情况下，［2kHz，10kHz］频带内的暂态电压信号能准确反映故障位置。

5.4 雷击致故障

雷击致故障指雷击使得线路绝缘击穿而出现接地故障。文中雷击到故障发生持续时间为5ms，分别对故障过渡电阻为1Ω、10Ω和80Ω的情况进行仿真分析，仿真结果如图17～图19所示。

图17 过渡电阻为1Ω时，雷击致故障下不同故障距离暂态电压信号频谱图Fig．17 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under lightning inducing fault condition and transition resistance is 1Ω

图18 过渡电阻为10Ω时，雷击致故障下不同故障距离暂态电压信号频谱图Fig．18 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under lightning inducing fault condition and transition resistance is 10Ω

图19 过渡电阻为80Ω时，雷击致故障下不同故障距离暂态电压信号频谱图Fig．19 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under lightning inducing fault condition and transition resistance is 80Ω

分析图17～图19可知，雷击致线路故障时，在保护安装处，频率位于［14kHz，20kHz］的暂态电压幅值大小随故障距离的变化区别不大，所以雷击致线路故障情况下，频率位于［14kHz，20kHz］的暂态电压信号无法区分线路区内、外故障。而频率位于［2kHz，14kHz］这一频带内暂态电压信号幅值在区内故障时要大于区外故障，而且幅值大小随着故障距离的增大而减小。因此雷击致线路故障情况下，［2kHz，14kHz］频带内的暂态电压信号能准确反映故障位置。

通过对各类型的线路故障进行仿真分析可知，在故障信号主能量频带内，雷击情况下，频率位于［10kHz，20kHz］的暂态电压分量作为故障信号无法区分线路末端故障与区外故障，而频率位于［2kHz，10kHz］的暂态电压分量作为故障信号可以准确反映故障位置。在线路发生接地故障时，包括金属性接地故障、非金属性接地故障以及雷击致线路故障，频率位于［14kHz，20kHz］的暂态电压分量作为故障信号无法反映故障位置，而频率位于［2kHz，14kHz］的暂态电压分量作为故障信号可以准确反映故障位置。为了在各种故障类型下可以从原理上实现线路全长保护，可以选用频率位于［2kHz，10kHz］的暂态电压分量作为故障信号，即用以区分线路区内、外故障的故障信号特征频带可以定为［2kHz，10kHz］

6 结论

本文结合云广特高压直流输电系统实际参数，得出了线路边界透射系数阻带。通过分析直流线路上常见类型的故障信号的频率特性，得出了边界透射系数阻带内的故障信号的主能量频带。通过对直流线路上各种类型故障在不同故障距离处的仿真结果进行分析，得出了主能量频带内的特征频带。在保护安装处，特征频带所对应的暂态电压幅值满足:区内故障大于区外故障，而且幅值大小随着故障距离的增大而减小。因此，特征频带内的暂态电压可以准确反映故障位置，可以提取特征频带内的暂态量作为故障信息。并且得出以下结论:

(1)过渡电阻的增大对主能量频带的分布几乎没有影响，雷击致故障情况下的故障信号主能量频带分布与接地故障类似。

(2)由平波电抗器和直流滤波器组成的线路边界对高频量的衰减是引起保护安装处检测到的区内、外故障暂态量出现差异的主要原因。边界透射系数阻带内的故障信号，其区内、外故障暂态特征差异最为显著。

(3)边界阻带内的故障信号主能量频带为［2kHz，20kHz］，用以区分线路区内、外故障的故障信号特征频带为［2kHz，10kHz］。

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