浅析高压直流输电线路继电保护技术

2016-03-12中煤科工集团南京设计研究院有限公司闫其尧

电子世界 2016年6期

中煤科工集团南京设计研究院有限公司闫其尧

浅析高压直流输电线路继电保护技术

中煤科工集团南京设计研究院有限公司闫其尧

【摘要】随着电力系统的快速发展，高压直流输电工程逐渐超越交流输电工程，应用更为普遍。为了保证高压直流输电的可靠性和安全性，对于高压直流输电线路继电保护技术的研究具有重要的意义。本文简要分析了高压直流输电继电保护的现状及现存问题，多方面详细探究了高压直流输电继电保护线路的设计要点和常用技术，以期为今后高压直流输电线路继电保护技术的相关研究提供少许借鉴和参考。

【关键词】高压直流输电；继电保护；安全性

高压直流输电由于载容量大、传送距离远、方便电网互联及易于功率调节等优点，逐渐得到了更多关注和更为普遍的应用。中国虽然是直流输电大国，但在相关技术上并没有实现完全独立，部分领域对外来技术仍存在依赖，加之直流输电工程的远距离跨区域输电特性，需跨越不同气候等条件的地区，对技术要求较高，同时线路故障率也高，因此，对于直流输电线路的继电保护研究具有重要意义。

1 高压直流输电线路继电保护现状及现存问题

1.1 现状

自1945年始，基于换流技术的继电保护技术在高压直流输电线路方面持续发展，并取得了显著效果[1]。目前，用于远距离大能量电能传输的主要是基于半控型器件晶闸管的电流源换流器高压直流输电（CSCHVDC）；而基于全控型器件的电压源换流器高压直流输电（VSC-HVDC）主要用于受端弱系统。同时，高压直流输电线路的网架结构由原本两端系统发展为多段系统；输电线路也从仅有海底电缆发展为架空线路与电缆并存；并且高压直流输电在传送距离、功率、电压等各方面均有提高。

现行的直流输电线路继电保护方案主要来自ABB和SIEMENS公司。主保护配置行波保护、微分欠压保护，后备保护包括低电压保护和纵联电流差动保护。

1.2 现存问题

从保护原理上来说，现有直流输电继电保护方案可靠性低、理论不完善。在主保护方面体现在灵敏度差、故障投入时间过短、缺乏整体依据、采样率要求过高以及在抗干扰能力上表现不佳；在后备保护方面，主要体现在保护速度较慢，低电压保护时由于依据缺乏，往往不能保证选择性。

从保护配置上说，直流输电保护种类过于单一，可靠性差，且缺乏故障后的快速有效反应。对于直流电输电和交流电输电，差异主要体现在能量集中的频带，其他并无本质区别，而交流输电由于长时间的实践应用，相对可靠性高、理论完善。因此，可借鉴交流输电继电保护的成功经验，并切实结合直流输电线路的结构特点和控制特性，以求得更为完善、高效的直流输电继电保护系统。

2 继电保护线路设计原则及要点分析

2.1 线路主保护

影响线路主保护的因素纷繁复杂，因此设计者在进行主保护线路设计时一定要结合实际，当进行线路规划时，需要两台原理不同的装置用于不同通道，其中一套可采用分相电流差动纵联保护装置，另一套采用相电压补偿纵向保护装置[2]。

2.2 线路后备保护

线路的后备保护充当主保护补充者的角色，但其重要性仍不可忽视。在进行后备保护设计时，一是要注意控制线路两端切除故障差，二是要做好接地距离与相间距离保护设备的整体配置，同时，距离保护特征不需局限于传统的四边形、圆形等，可以植入微机保护的思想，真正全方位地提高系统运行的稳定性。

2.2.1 并联电抗器保护

并联电抗器发挥的作用是：当直流输电线路出现故障时，会触发相应的自动保护装置动作，但若经过判断，故障超过了线路所能承受标准，便会触发并联电抗器保护动作，迅速将两侧断路器断开，从而避免较大故障引发更严重的后果。

2.2.2 自动重合闸

实际应用的自动重合闸主要包括单相重合闸、三相重合闸以及快速重合闸几种模式。对不同模式的自动重合闸的选择，主要取决于过电压水平：在非全相条件下，假若过电压倍数在可允许的范围内，一般采用单相重合闸；但若过电压水平超过允许范围，则采用三相重合闸更为安全。

3 在高压直流输电线路下常用的继电保护技术

3.1 行波保护

在直流输电条件下，行波保护是主保护措施，它的原理是：通过识别线路故障时故障点向线路两端传播的反行波，从而对故障作出判断[3]。当前，实际直流输电线路采用的行波保护方案分ABB和SIEMENS两种。在ABB方案下，采用极波检测故障，并用地模波确定故障级；而在SIEMENS方案下，利用电压微分作为启动判据，并通过反行波在10MS内的突变量微分来确定故障。两种方案检测方式不同，效果也略有差异：SIEMENS方案因微分环节，所以相对ABB方案检测速度较慢，但正因微分环节，使得SIEMENS方案在抗干扰方面表现更好。

然而，两种行波保护方案均存在耐过渡电阻能力有限、采样要求高、抗干扰能力不强、依赖的故障特征能量小且持续时间短、理论不严密等问题。

考虑到行波保护在运行中的诸多问题，学者们做了更多的尝试进行优化：如基于可靠性的优化，给出在小波变换基础上的行波方向保护新原理；基于保护选择性优化，对测距式行波距离保护进行尝试；基于灵敏度优化，探索极性比较式原理等等。

3.2 微分欠压保护

微分欠压保护是直流输电线路的主保护，同时也作为行波保护的后备保护存在，主要通过检测电压微分数值和电压幅值水平来实现保护。

对于微分欠压保护，ABB和SIEMENS两种方案的原理相同，均为测定电压微分及幅值，且电压微分定值与行波保护一致，只是将上升沿从6ms延时至20ms，从而在行波保护退出或上升沿宽度不足时，微分欠压保护可以发挥充分的后备作用。

相比于行波保护，微分欠压保护运行速度稍慢，但同时也提高了准确度，只是在耐过渡电阻能力上依然十分有限。

3.3 低电压保护

低电压保护是行波保护和微分欠压保护的后备保护，它的原理仅仅通过检测电压幅值来进行故障判断和继电保护，按照设计，应主要用于切除在行波保护和微分欠压保护就未能动作的高阻故障，但实际应用中，很大部分的直流工程并未配备低电压保护措施。

低电压保护分为线路低电压保护和极控低电压保护两种，前者比后者保护定值高，且前者动作后启动线路重启程序，而后者动作后封锁故障极。

虽然低电压保护原理简单，但存在选择性差、动作速度低、难以准确区分区内与区外高阻故障等问题。

3.4 纵联电流差动保护

纵联电流差动保护是直流输电的后备保护，它的原理是利用双端电气量来实现绝对的选择性，按照设计，仅用于切除高阻故障。

现行的纵联电流差动保护，由于并未完全考虑电容电流问题，仅利用电流两端的加和作为差动判据，需要较长时间等待，相对动作速度慢。以SIEMENS的纵联电流差动保护方案为例，在故障初期电流波动大，差动保护会延迟600ms作用，加上差动判据本身的500ms延时，也就是说差动动作最快也要在故障1100ms后才能作用，而在这个期间内，可多次发生由于极控低电压保护直接闭锁故障极的事故，设备失去重启机会，纵联电流差动保护未能真正发挥后备保护的作用。

为提升直流输电差动保护性能，可进行改进的方向有很多，如通过电容电流补偿提高差动保护的灵敏性；将原本的高频通道升级为光纤通道以实现保护动作速度提升；通过区内、区外电流突变差别来辨认故障方向；优化在直流输电下线路低电压、极控低电压、大触发角等措施的先后时间配合等等。