柔性直流输电线路故障分析与保护综述

曾鑫辉，谭建成

（广西电力系统最优化与节能技术重点实验室（广西大学），南宁 530004）

0 引言

为应对不可再生能源不断减少的形势，世界各国制订了相应的政策，采用间歇性分布式可再生能源接入电网便是其中之一[1-2]。同时，随着大功率全控型电力电子器件制造及控制技术的发展，柔性直流输电系统应运而生，它具有传输容量大、线损低、可靠性高、无换相失败问题、有功和无功功率独立控制等特点[3-9]，受到了广泛的关注与研究[10-12]。

柔性直流输电技术采用全控型器件IGBT（绝缘栅双极晶体管）和VSC（电压源换流器），是构建未来智能化输电网络的关键技术[13-15]。多端柔性直流系统可划分为直流电网和与交流系统互联的VSC 换流站两部分，其中直流电网包含直流线路、直流负荷、直流电源和DC/DC 变换器等；VSC 换流站主要包括换流器、相电抗器、滤波器和变压器[16-17]。表1 为近5 年国内外柔性直流输电的发展情况[18-22]。

然而柔性直流系统因其固有缺陷，无法像传统直流输电那样单纯依靠换流器控制来完成直流侧故障的清除。直流断路器是柔性直流输电系统的关键设备之一[23-28]。柔性直流系统直流侧故障的脆弱性表现在2 个方面[29-31]：一是直流线路发生短路故障时，网络中换流阀电容和交流系统集中向短路点放电，电流迅速增大，几乎呈斜线上升，几个毫秒就超过换流阀的耐受能力；二是直流侧发生短路故障时，直流电流没有过零点，普通的交流断路器难以灭弧而无法断开直流故障，无法实现交直流系统的隔离，相当于电网发生三相短路故障，对交流系统的安全稳定性非常不利。直流输电线路故障占整个直流系统故障总量的50%以上，是直流系统最主要的故障类型[32-33]。

表1 国内外近5 年来的部分柔性直流输电示范工程

继电保护作为电力系统“三道防线”中的第一道防线，承担着保证电力系统安全和稳定运行的重要责任[34]。柔性直流电网控制保护系统是整个柔性直流输电系统的核心，相比于传统直流输电工程，直流线路故障识别和超高速线路保护是其特殊技术需求之一[35]。由于柔性直流输电系统对保护系统的响应时间要求很高，直流线路保护必须在故障发生后2～3 ms 内完成故障检测和区内外故障的判别，因此传统的交流系统保护（如过电流保护、距离保护和差动保护等）均不适宜直接应用于柔性直流输电线路[36]。同时，作为主保护的行波保护容易受雷击、噪声等干扰而发生保护误动，降低了继电保护的可靠性。

综上所述，目前柔性直流输电技术还不成熟且故障存在固有的特性，各种保护方式都存在缺陷。如何基于柔性直流输电系统配置断路器和具有故障自清除能力的换流器，利用保护快速处理故障、恢复系统，是柔性直流输电技术发展的关键问题。本文对柔性直流输电的故障类型、保护分区、故障隔离和保护技术进行总结和分析，并展望了该领域未来的研究方向。

1 柔性直流系统的故障类型和保护分区

1.1 柔性直流系统的故障类型

以目前正在建设的张北柔性直流电网为例，该工程采用架空输电线路，与直流电缆相比，其故障概率更高。按照故障区域划分，柔性直流电网故障大致可以分为交流系统故障、换流器内部故障和系统直流侧故障。

换流器内部故障又可细分为站内母线故障、阀短路故障、桥臂电抗器故障以及最常见的子模块故障等。柔性直流输电具有输送容量大、电压等级高的特点，故MMC（模块化多电平换流器）每个桥臂串联的子模块数量较多，从而增加了子模块故障的概率。在柔性直流系统的建设中，为确保系统具有足够的容错性和充足的安全裕度，通常都会在每一个桥臂上串联适量的冗余子模块。

直流侧故障可细分为直流线路断线故障、直流线路短路故障和换流器闭锁故障。在单个MMC中，因为直流侧采用单级输电，故直流侧线路故障以单极接地故障为主。而在真双极系统中，单级接地故障则相当于伪双极系统中的级间短路故障，通常由树枝接触或雷电引发，多属于暂时性故障，但是因其故障传播速度快、影响范围广、解决难度大，成为阻碍柔性直流电网发展的技术难题。真双极系统的双极短路故障则更为严重，相当于交流系统的三相短路故障。

1.2 柔性直流系统的保护分区

柔性直流电网的核心是控制保护系统，由其负责控制全系统的运行方式、潮流状态、故障保护等。与常规高压直流输电工程相比，柔性直流输电具有以下特殊技术要求：接入新能源孤岛、弱交流系统的电压和频率控制；多换流站之间协调控制；直流线路故障识别以及超高速线路保护；直流线路故障快速恢复控制；保护分区。

保护分区如图1 所示[35，37]。

（1）Ⅰ区—连接变压器保护区：主要对交流变压器进行保护。

（2）Ⅱ区—换流站连接交流母线区：主要对交流变压器与换流器之间的交流母线进行保护。

（3）Ⅲ区—换流器区：主要对换流器、换流器与交流母线的部分连接线路以及桥臂电抗器进行保护；包括阀和子模块保护区，即Ⅳ区（包括阀、子模块保护和直流保护）。

（4）Ⅴ区—直流线路区：主要对直流输电线路以及直流输电线路上串联的直流电抗器等设备进行保护。对于汇流站包括直流母线区（Ⅵ区）。

图1 柔性直流输电系统的保护分区

其中，换流变压器保护在Ⅰ区实现，阀保护在Ⅳ区实现，直流保护在Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅴ区、Ⅵ区实现。

单个子模块出现故障，则启动子模块保护，而阀保护则为单个阀臂故障提供保护，阀、子模块通常由换流阀厂家配套。直流保护包括站内交流连接母线保护、换流阀保护、直流线路保护和直流母线保护，通常由直流控制保护厂家配套。直流保护清除故障的操作步骤包括报警、暂时性闭锁、永久性闭锁、交流断路器跳闸、极隔离等。

2 柔性直流系统的故障隔离技术

根据故障隔离的核心设备区分，直流断路器隔离和换流器故障自清除是目前较为适用于柔性直流电网的故障隔离方法[38]。应用较多的是直流断路器隔离，南澳多端柔性直流输电工程和舟山五端柔性直流工程均采用直流断路器，张北柔性直流工程亦将采用直流断路器。而换流器故障自清除还受限于现阶段的技术水平。借用传统交流断路器切断直流网络与交流系统之间的连接，亦能处理直流侧短路故障，但系统恢复正常所需的时间较长。

2.1 直流断路器隔离

采用直流断路器进行故障隔离可以提高柔性直流电网的供电可靠性，从而实现最小范围且具有选择性的故障切除，是目前最为合适的直流故障隔离措施。从技术层面区分，直流断路器主要分为机械式断路器、固态断路器和混合式断路器。机械式断路器未采用电力电子器件，以交流断路器灭火技术为基础，将交流断路器的机械开断单元应用于直流拓扑结构开断中。文献[39]中提到±160 kV 南澳多端柔性直流工程装设有2 台机械式断路器，其基于耦合式高频人工过零技术实现双向直流电流的快速开断，具备0～9 kA 电流的双向开断能力，开断时间约为3.5 ms。固态式直流断路器的开关器件则全部由半导体器件组成，虽然其开断速度快，但是单个固态式开关承受的电压电流等级较低，若在高电压等级中使用则造价昂贵且通态损耗高，故目前较多应用于中低压领域[40]。混合式直流断路器是由机械开关和电力电子开关元件组合而成的。世界首台500 kV混合式高压直流断路器在3 ms 内开断电流高达25 kA，其技术指标可满足未来张北柔性直流输电工程的需要[41]。随着电力电子技术的发展，直流断路器将越加成熟与先进，有助于提升柔性直流电网设备控制的安全性和友好性。

2.2 换流器故障自清除

在柔性直流输电系统中，单钳位型、双钳位型、全桥型这3 种换流器拓扑结构均具有直流故障自清除能力，即具有快速清除故障和迅速恢复系统的能力，因此在柔性直流输电工程中不需要再配置直流断路器[6，42]。在全桥子模块中，当直流侧发生故障时，换流器中的所有IGBT 均会迅速关断，而通常在IGBT 关断之前，子模块中的电容存在放电过程。图2 给出了故障电流在3 种桥臂子模块中的流通路径。

由图2 可知，通过反极性操作将子模块的电容电压接入到故障电流流通路径中，使得故障电流向电容快速充电且迅速消耗至零。当故障电流衰减至零时，由于二极管具有单向导通特性，故电流不会继续向负增长，而是一直保持在零处，从而实现了故障电流自清除，也就是隔离了直流故障。

2.3 交流断路器隔离

图2 3 种模块的拓扑结构对比

若柔性直流输电系统中没有带自清除能力的换流器，需通过跳开传统交流断路器以使直流隔离开关可靠迅速动作。传统交流断路器为机械开关，可用其切断直流侧与交流侧之间的连接，需要通过预充电等复杂的时间序列配合，才能恢复系统。而对于多端柔性直流输电系统而言，则需要全系统的换流站与交流系统断开，故所需时间更长[43]。

交流断路器隔离柔性直流输电线路故障可采用基于“握手原则”的保护方案[44-48]，具体过程如下：当控制保护系统检测到直流侧发生故障后，全部换流器立刻闭锁，确保开关器件不过流，从发生故障起至全部换流器闭锁，检测延时及保护装置动作所需时间为5～10 ms；换流器闭锁后，直流侧故障电流开始逐渐衰减，保护系统将向所有交流断路器发送跳闸信号，以切断交流侧向故障点提供的短路电流；当直流侧故障电流衰减到零时，再利用直流隔离开关切除直流故障线路，从而实现交流断路器对直流故障的隔离。随后再根据“握手原则”识别故障线路，通过解锁换流站和重合交流断路器，使未故障部分继续运行。

3 柔性直流输电线路保护现状

柔性直流线路的故障处理需要依靠继电保护迅速可靠的判别，目前传统高压直流线路的保护策略是柔性直流线路保护的主要借鉴方式之一[26]。现阶段柔性直流线路的保护策略主要以行波保护和微分欠压保护为主保护，以电流差动保护为后备保护。为了提高继电保护的可靠性，还配备了直流电压不平衡保护和过电压保护。

3.1 行波保护

当直流线路发生故障时，故障点会向两端传播故障行波，根据故障行波理论提出的超高速动作的保护则为行波保护。行波保护可根据故障行波的特性检测故障，故障初期的行波包含了行波电流、行波电压或者两者组合的故障信息，故行波保护可在短时间内检测出故障[49]，且大致可将行波保护可分为单端量保护和双端量保护。

单端行波保护仅利用单端电气量，不需要线路两端信息同步，能够实现保护的速动性。文献[50]提出利用单端电流量对直流线路一端正负极电流之和进行积分得到零模电流，由此则可以对区内单极故障进行判断。在行波电压方面，文献[51]则利用单端限流电抗器上的电压变化率和正负来定位故障区段，根据电压变化达到一定值所需时间来确定区内和区外故障。在基于零模和线模的传输时间差上，文献[52]利用小波变换和BP神经网络技术导出了单端量保护新算法。而文献[53]则利用低压作为保护的启动判据，根据限流电抗器上的电压变化率大小和极性确定故障区间，并利用零模故障分量确定故障极。文献[54]利用电压变化率和电流变化率实现故障定位，当电流变化率与电压变化率乘积小于一个负的整定值时为区内故障。文献[55]研究表明，单端量行波保护适用于中压柔性直流配电线路的保护，且动作性能良好。文献[56]基于感性端口线路的行波反射特性提出VSC-HVDC 输电网的保护方法。文献[57]提出了基于模量网络的故障后线路附加电感电压初始值计算方法。文献[58]利用电压变化率识别直流故障。虽然单端量行波保护不依赖于通信，速动性较强，但是可靠性弱化，且无法快速区分柔性直流输电中的母线故障与线路故障[59]。

双端行波保护则需要通信并同步线路两端的信息，虽需要更多的手段和措施来保障其可靠性，但借助通信实现了清晰的保护边界，能有效识别故障区域[60]。文献[61]根据故障电流的正、反行波的初始波头时差，提出一种新的纵联方向保护方法。文献[62-63]提取行波积分的特征，提出母线保护方法。而文献[64-67]基于行波差动原理提出了一系列实用性强、可靠性高的保护新算法，如文献[64]研究了半波长直流线路的频变参数对行波保护的影响；文献[65]在行波差动保护原理的基础上，利用同侧电流的计算值和实测值构成差动判据，且在计算电流幅值时，无需插值，也无需对侧电量信息，极大提高了计算速度，降低了对采样频率和通信技术的要求；为了消除噪声对行波信号的干扰，文献[66]提出了利用形态学交替混合滤波器的行波电流差动保护算法，其动作依据采用直流线路两端同向电流行波积分差值；文献[67]研究表明，行波差动保护与电压等级、分布电容电流和线路长度无关。但是文献[68]指出正态分布模型更适合时延分布规律，总时延可以为保护装置的选型优化和两侧数据同步提供依据。总体而言，双端量行波保护对采样频率和通信的要求都较高。

3.2 微分欠压保护

微分欠压保护是直流线路的主保护，兼做行波保护的后备保护，微分欠压保护的可靠性要高于行波保护，但是其速动性较差、采样频率高[69]。ABB 和SIMENS 的微分欠压保护都是利用监测电压微分和电压水平来实现的[70]。文献[71]分析了微分欠压保护作为后备保护，在动作延时上与其他相关保护间的配合关系，并在此基础上提出了微分欠压保护的整定计算方法。文献[72]分析了保护判据涉及的电气量在故障条件下的动态特性，研究故障位置、过渡电阻和运行工况对保护判据中电气量的影响，提出微分欠压保护的定值整定方法。文献[73]指出微分欠压保护在行波保护退出运行或者由于电压变化率上升沿宽度不足时可以起到后备保护作用。

3.3 其他新型保护

行波保护易受雷击干扰和各种高频信号的影响，微分欠压保护只能检测故障的发生，却不能识别具体的故障线路，降低了保护的可靠性[13，74]。文献[75]提出一种滤除高频暂态量后的突变量高速方向保护原理。为了解决单端量保护需要构造保护边界及考虑成本问题和双端量保护需要通信通道及要求数据同步问题，文献[76]提出了一种基于单端电气量、无需构造保护边界的多端柔性直流配电系统暂态保护方案。文献[77]提出了就地检测故障、就地保护的柔性直流输电网故障保护策略。文献[78]基于线路边界元件直流电抗器的特征，提出了一种新型的多端柔性直流电网线路边界保护方案。文献[79]提取直流侧并联电容电压与线路电流在保护正、反方向发生故障时的相关性特征，提出并设计了一种直流线路快速方向保护新原理。文献[80]结合模型识别的基本思想，提出了一种VSC-HVDC 直流输电线路方向元件方向判别原理，在高频范围内，采用时域算法，通过2 种模型的误差、识别的电感值和电容值与实际值的差异构成方向判据。文献[81]改进了基于“握手原则”的保护方案，可实现快速切除故障。文献[82]提出了一种采用电流突变量夹角余弦值的纵联保护方法，它利用线路两端电流突变量计算夹角余弦值，从而进行区内、外故障判断。

4 关键问题和技术发展展望

4.1 存在的关键问题

虽然国内外学者围绕柔性直流输电线路保护原理开展了大量研究，能够在一定程度上提高现有柔性直流输电工程的线路保护性能，但仍存在一些问题：

（1）柔性直流输电系统故障阻尼小，故障蔓延速度快，而柔性直流系统中的电力电子设备耐受故障冲击电流能力差，因此对保护系统的响应时间要求很高，即对速动性要求高。

（2）虽然行波保护是目前柔性直流输电系统较为适宜的主保护，但其易受雷击、噪声等因素干扰而发生误动，可靠性降低，并且对采样频率的要求高。

（3）正负极线路行波之间存在电磁耦合，并且暂态行波在传播过程中会发生畸变、色散、频散等现象，对保护会产生一定的干扰。

4.2 技术发展展望

为了更加友好地接纳新能源并网，更好地处理柔性直流线路故障，未来柔性直流输电技术应朝着以下几个方向发展：

（1）着力研究柔性直流输电的成套设备及优化方法。促进具有直流故障自清除能力的换流器技术成熟化，优化配置换流器内部结构，研究换流器提升容量后的可靠性和经济性。目前，在电力电子器件的研发中，SiC（碳化硅）器件成了热门研究对象，SiC 器件理论上可以承受数十千伏的电压和超过500 ℃的高温，远远超过硅基器件所能承受的数千伏电压和150 ℃的高温。可利用SiC 取代SiO2作为半导体器件的核心元件，相应地其封装材料的耐热性能和绝缘性能将大幅度提升，进而优化换流器的性能，强化故障自清除能力。因此，在新材料方面，SiC 是将来电力电子器件研究的重要方向。

（2）定量研究具有不同拓扑结构的柔性直流输电系统，分析系统参数与直流侧发生故障时短路电流上升与衰减的特性，为研制直流断路器提供短路电流隔离时间和开断容量的设计依据；在优化成本的基础上，进一步提高直流断路器中关键部件的稳定性和可靠性，研究其高速分断和人工过零过程中的电弧特性，为快速实现故障隔离提供依据。因此，对于直流断路器的研制，柔性直流输电系统的拓扑和参数、短路电流特性、电弧特性等是需要重点关注的对象。

（3）设计辅助保护电路和优化系统控制的动作时间、投入方式及协调策略研究，提升换流站之间的配合策略。在多端柔性直流输电系统中，不同的换流器运行方式可能不一样，所以当直流侧发生故障后，不同换流器的端口对故障点馈入电流的大小也不一样。可见，柔性直流输电系统的保护技术与控制方式密切相关，研究保护技术应结合控制方式的变化，利用保护系统与控制系统的一体化设计来处理故障，是传统继电保护向柔性直流继电保护转变的结合点。

（4）借鉴传统交流输电和常规高压直流输电的继电保护技术，结合柔性直流输电系统的结构特点，研究先进的保护原理。行波保护具有超高速动作且不受分布电容影响的优点，应进一步探究行波在雷击、噪声、电磁耦合等因素影响下的传播规律，从而研究更适合柔性直流输电的新型行波保护方法。因此以行波保护为代表的新型主保护是未来柔性直流输电继电保护研究的重点领域。

5 结语

阐述了柔性直流输电的故障类型和保护分区，结合现阶段的故障隔离技术，介绍了直流断路器和换流器的应用状况。为快速隔离故障，详细介绍了线路保护中的行波保护、微分欠压保护和其他新型保护。随着电力电子技术的成熟和对继电保护技术的深入研究，柔性直流输电存在的缺陷将逐一得到解决，未来柔性直流电网将更加安全可靠、清洁绿色。