特高压直流线路保护原理及动作策略分析

赵韦 张妙静

摘要：目前，伴随着电力企业的快速发展，行波保护作为现有特高压直流线路的主保护优势明显，但存在耐过渡电阻能力有限、对采样频率要求高等问题。微分欠压保护作为行波保护的冗余保护，缺点类似行波保护，同时缺乏整定依据等。低电压保护在耐过渡电阻能力方面较强，但其选择性较差，动作速度不够快。电流纵差保护选择性好，但由于受到线路分布电容的影响且动作时间长。

关键词：特高压直流线路;保护原理;动作策略

引言

由于特高压直流采用双12脉动换流器串联的接线方式，与常规±500kV高压直流系统相比，其拓扑结构更复杂、运行方式更灵活，对直流控制保护系统的要求也更高。在特高压直流工程的各组成部分中，接地极线路长度在50～100km范围内，长度远小于直流输电线路;而其他组成部分都位于换流站内或埋于地下，发生非操作故障的概率也远小于输电线路。

1直流输电技术

1.1直流输电技术的类型

我们可以根据工程的结构区别将直流输电分为下面几类：首先，我们通过线路长度的不同，可以区分为长距离输电和背靠背输电;其次，通过电压等级的不同，可将其分为高压直流输电与特高压直流输电;再次，通过换流站数量的不同，将其分为多端输电与两端输电这两种。最后我们依据工程性质的不同，还可将直流输电区分为背靠背联网技术、远距离大容量滞留架空技术、海底电缆技术以及城市地下电缆技术这四大类。

1.2直流输电技术的优点

直流输电技术的建设成本很低，架空线路施工过程不需要花费很高的工程造价;直流输电在电能的传输过程中，可以实现将电能的损耗量控制到最低;直流输电技术的电能输送容量非常大;若电路发生故障如短路现象时，直流输电技术有效的控制电流形成，使其在故障发生时实现自我保护功能;直流输电技术还可以优化电线线路的走廊，减少线路铺设施工的浪费;直流输电技术在进行电能调节的时候，可以完成系统的快速响应，为整个电路的运行过程带来安全与稳定的保证;不同步电网在运行中的互联也可以通过直流输电技术得以实现，而且不会威胁系统的稳定性。

1.3直流输电技术的缺点

直流输电技术的缺点表现在其设备的成本费用很高，其过量承载能力也不是很强;在电能输送过程中，会消耗一定量的无功功率;直流输电技术无法实现借助变压器调节低电压等级且在电能的传输中，一旦受到谐波的影响，就很难有效地控制电能传输质量。

2特高压直流线路关键保护

2.1行波保护

由于电流调节器对电流的快速调节，直流线路故障瞬间的过冲电流和故障稳态电流相比较交流线路故障时都要小很多（一般短路电流的峰值仅为正常额定电流值的2倍），这樣就很难根据正常与故障时的稳态电流值来判别故障，于是借助电压变化量或电流的暂态分量来甄别故障，即行波暂态量保护。目前，国内外研究人员提出了许多原理和实施方式的行波保护。现有特高压直流工程行波保护应用最多的是SIEMENS和ABB公司的方案。SIEMENS方案故障检测采用的是反行波突变量的积分，启动判据采用的是电压微分。其在常规高压直流线路的配置采用3取2原则，而在特高压直流线路中采用冗余配置，可消除因保护装置故障引起的停运，但同时也存在保护原理不互补的缺点。ABB公司的行波保护方案采用极模波（polemodewave）来检测故障、用地模波（groundmodewave）来选择故障极的。

2.2低电压保护

特高压直流线路的高阻接地故障是常见的故障，快速准确地检测故障对保障电力系统的安全稳定运行有着重要的意义。低电压保护以电压降低为判据，常用来监测高阻接地故障。为了解决行波保护高阻接地时耐过渡电阻能力差的问题，很多直流工程采用低电压保护监测直流线路高阻接地的情况。然而，其判据一般采用的是固定值，这就会引起保护在高、低负荷时分别出现拒动和误动的情况。针对该情况提出依据不同的系统和负荷状况对判据定值调整的方法。虽然以上文献改进了低电压保护的整定依据，但存在着通用性差，无法克服低电压保护选择性差、动作速度慢的缺点。

2.3电流纵差保护

特高压直流线路的电流纵差保护是通过对两端换流站线路电流的比较来甄别故障的，理论上具有绝对的选择性，但由于受到线路分布电容的影响，需要等暂态过程结束后保护判据才成立，因此动作时间稍长，常用于切除高阻故障。同时，电流纵差保护需要专门的通信通道，而其通信通道具有可靠性差的先天不足。针对电流纵差保护存在的问题和不足提出了改进。提出了基于分布参数模型的保护原理，消除了分布电容电流的影响。基于分布参数模型，提出了不受数据不同步影响的直流差动保护，避免差动保护因区外故障数据不同步而误动。考虑到现有工程的实际采样率低的现状，提出了基于电流频率特性的纵差保护。 提出利用线路两端电流的突变量识别区内、外故障。该方法不需要两端数据严格同步，对采样频率和通道的通信速度要求都不高，具有很强的工程实用性。为了提高对线路末端故障判断的准确性，利用特定频率电流方向一致时波形匹配程度高，反之匹配程度低的性质来判别区内、外故障，避免了谐波电流相位的精确计算，可以可靠识别线路末端故障。

3特高压直流线路保护动作策略

直流电流没有天然的过零点，导致电弧无法自行消除，而现有的直流断路器切断故障电流能力又未能满足特高压工程的需求，因此特高压直流线路故障后需依靠直流控制系统来清除故障。直流控制系统常见的保护动作策略总结如下，直流系统故障后通常会启用其中的1种或几种。（1）告警：提示运行人员及时采取动作，使设备和系统恢复正常。（2）移相：临时增大晶闸管触发角，整流器短时逆变运行，直流线路上的能量迅速向交流系统释放;同时逆变器的触发角迅速增大到最大值，从而熄灭直流电流。（3）投入旁通对：于逆变侧执行。保持最后导通的阀处于导通状态，同时触发与其同相的晶闸管导通，闭锁其他晶闸管。使直流电压迅速下降到0，隔离交流直流系统。（4）跳交流断路器。（5）禁止投入旁通对：有时投入旁通对会使得故障扩大，此时禁投旁通对。（6）故障重启：用于清除直流线路和接地极线路上的瞬时性故障。含移相、降电流等策略。（7）控制系统切换：强制切换控制系统到备用系统，避免控制系统故障误动。（8）换流器闭锁/极闭锁：停发触发脉冲，晶闸管随后截止，直流线路上的能量失去来源。常伴随移相、投入旁通对等操作，换流阀在直流电流过零以后自然关断。（9）极隔离：双极输电系统的某个极被迫退出运行时，断开此极的电气连接。（10）紧急停运：当交流或直流系统发生永久性故障，且超过控制系统的调节能力时，两侧分别用移相、闭锁脉冲、投入旁通对等措施并断开交流侧断路器。

结束语

在国民经济可持续发展的今天，通过对继电保护技术的使用进行研究，可以提高电力系统的稳定性，促进了我国电网工程建设和高压变电站的建设。通过对电力系统继电保护设备的改造和升级，对电力系统和继电保护设备中容易出现的问题进行研究、处理和汇总，从而制定出科学合理的应对措施。

参考文献

[1]郭伟红，张磊，王萌，马晓东.特高压直流输电线路继电保护技术研究[J].科技创新导报，2017，25：26.

[2]王芳.浅析特高压变电站继电保护中的问题及对策[J].科技创新与应用，2018（29）.

[3]宋国兵，高淑萍，蔡新雷，等.特高压直流输电线路继电保护技术综述[J].电力系统自动化，2018（22）：123-129.