直流接地极线路高阻接地故障识别方法

蒋彪，杨波，冯文昕，李文涛，徐军

(中国南方电网超高压输电公司贵阳局，贵阳 550003)

直流接地极线路高阻接地故障识别方法

蒋彪，杨波，冯文昕，李文涛，徐军

(中国南方电网超高压输电公司贵阳局，贵阳 550003)

由于直流系统接地极线路电压较低，当发生高阻接地故障，尤其故障点在极址附近时，传统保护方式动作灵敏性较低，导致保护拒动率较大。因高阻接地时，差流变化率和能量突变率明显，故本文提出一种基于差流变化率和能量突变率的接地极线路高阻接地故障识别方法，并通过PSCAD进行验证。

接地极线路；高阻；突变率；PSCAD仿真

0 前言

接地极线路 (又叫接地极引出线)是高压直流输电系统中必不可缺的重要组成部分，其电压较低，一般不超过10 kV。接地极线路沿线多为山区，树木茂盛，雷雨频繁，发生高阻接地故障的概率较大。接地极线路发生高阻接地故障时，若不能及时识别并进行可靠隔离，将会导致直流系统故障进一步扩大[1-2]。接地极线路发生高阻接地故障时，尤其是在极址附近发生高阻故障时，量测端电气量中包含的故障信息不明显，常规的接地极线路保护 (电流不平衡保护、过电压保护、过流保护)将难以检测到线路故障[3-4]。

目前，在直流输电工程现场，接地极线路配置的保护主要有接地极线路不平衡保护 (60EL)、接地极线路过电压保护 (59EL)、接地极线路过流保护 (76EL)、接地极母线差动保护 (87EB)、站内接地网过流保护 (76SG)等。现有的接地极线路保护都是采用单一电气量判别故障，由于直流系统接地极线路电压等级低，发生高阻接地故障时，尤其是在极址附近发生高阻故障时，量测端电气量中包含的故障信息不明显，导致难以识别高阻接到故障。本文提出一种利用差流变化率和能量突变率识别接地极线路高阻接地故障的方法，高阻接地时，差流变化率和能量突变量明显，通过PSCAD仿真验证该方法可靠性高。

1 仿真模型的建立

利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建含接地极引线 (即直流接地极线路)的±500 kV高压直流输电系统仿真模型如图1、2所示，参照±500 kV高肇直流输电工程的系统参数，其送电容量为3 000 MW。

图1 ±500 kV含接地极线路的高压直流输电系统仿真模型

图2 高压直流输电系统中的接地极

接地极线路采用J.Marti频变参数模型，接地极线路采用双回架空二分裂导线，导线型号为：2 ×LGJ-630/45，极址电阻约为0.2 Ω。根据这些参数，接地极线路仿真模型如图3所示。

图3 接地极线路频变参数模型

2 高阻接地故障分析与仿真验证

接地极线路发生高阻接地故障时，量测端的电压电流突变量不大。两条出线上的差流也很小，比电流不平衡保护整定值小得多，不能启动不平衡保护。但是高阻故障后，量测端电气量中所含的高频成分会明显比正常时增多，同时两条出线上差流的突变量将增大。这些特性都可以作为识别高阻接地故障的重要依据。

若接地极线路20 km处经5 Ω过渡电阻接地故障，通过仿真得到其两条出线差流变化率如图4所示。

从图4看出，在线路正常运行时，两条出线差流变化率很小，在发生高阻接地故障后，差流变化率突然增大，并持续很大。

同时，对接地极出线电流进行小波分解，得到其能谱如图5所示

图4 高阻接地故障差流变化情况

图5 高阻接地故障电流小波分解的能谱图

在上图5中，高频频带1～3依次表示频率范围为：1 600 Hz～3 200 Hz、800 Hz～1 600 Hz、400 Hz～800 Hz，频带4～16为低频成分。

经计算：高阻接地故障时，高频段 (800 Hz～3 200 Hz)能量之和为4.53 A；而线路正常运行时，高频段能谱之和为3.03 A；显然，高阻接地故障时的高频能量比正常运行时大。

根据以上推导，得到基于两条出线差流突变量的启动判据为：

其中：

ide1为接地极线路1的电流值，ide2为接地极线路2的电流值，t1、t2为相邻两个时刻。Iset为保护定值。

根据仿真结果，可以设Iset=10 A/ms。

基于高频成分能量突变率的启动判据为：

其中：

若高频能量是每隔5 ms比较一次，根据仿真结果，则设Eset=0.25 A/ms。为躲过线路干扰，可以通过设计一定延时躲开线路干扰。

为实现可靠又灵敏地启动对高阻接地故障的保护，现综合差流突变量的启动判据和高频能量突变量的启动判据如下表1。

表1 接地极线路高阻识别判据及动作逻辑

以下讨论直流线路极I极II功率不平衡程度对识别高阻故障的影响，当距离换流站50 km处发生接地故障，过渡电阻5 Ω。直流线路极I极II不同输送功率对应识别高阻故障情况如表2：

表2 极I极II不同输送功率对高阻故障识别的影响

通过仿真发现，双极输送功率差额对高阻故障的识别影响很小。双极输送功率差额很小时，突变量会有时减少，但减少不多，能可靠识别为高阻接地故障。

3 结束语

本文对接地极线路高阻接地故障特征解析，理论分析发现，接地极线路发生高阻接地故障时，量测端的电压电流变化量不大。两条出线上的差流也很小，比电流不平衡保护整定值小得多，不能启动不平衡保护。基于差流变化率和能量突变率的接地极线路高阻接地故障识别判据，能可靠识别接地极线路高阻接地高阻。通过仿真验证该判据识别高阻接地故障可靠性高。

[1] 赵畹君.高压直流输电工程技术 [M].北京：中国电力出版社，2004.

[2] 朱韬析，何方，何烨勇，等.南方电网直流输电系统接地极线路不平衡保护动作后果探讨 [J].电力系统保护与控制，2009，37(15)：112-116.

[3] H.Greiss，B.L.Allen，P.J.Lagace，et al.HVDC Ground E-lectrode Heat Dissipation[J].Transmission on Power Delivery，1987，10.

[4] 朱韬析，欧开健，朱青山，等.直流输电系统接地极过电压保护缺陷分析及改进措施 [J].电力系统自动化，2008，32(7)：104-107.

Research on Recognition Method of High Resistance Ground Fault in Ground Electrode Line of HVDC

JIANG Biao，YANG Bao，FENG Wenxin，LI Wentao，XU Jun
(Guiyang Bureau，CSG EHV Power Transmission Company，Guiyang 550003，China)

Voltage on DC system ground electrode Line is low，when high resistance grounding fault，especially the fault point in very near the ground site，the traditional ways of protection action sensitivity is low，resulting in the rejection rate greater protection. Because of the high resistance grounding，differential flow rate of change and the energy mutation rate obviously，therefore this article proposed one kind based on the differential current change rate and energy mutation identification method of high resistance grounding fault line is connected with the rate of the ends of the earth，and is verified by PSCAD.

ground electrode line；high resistance；process variables；quantities；PSCAD simulation

TM75

B

1006-7345(2015)04-0019-03

2015-01-18

蒋彪 (1988)，男，硕士，工程师，中国南方电网超高压输电公司贵阳局，从事电力系统继电保护与控制、故障测距 (emai)651859288＠qq.com。

杨波 (1979)，男，硕士研究生，从事电力系统继电保护研究。

冯文昕 (1987)，男，硕士研究生，从事电力系统直流系统控制、保护研究。