高压直流输电线路保护配置的研究

李 政

（国网江苏省电力有限公司检修分公司苏州运维站，苏州 215000）

高压直流输电（High-Voltage Direct Current，HVDC） 系统主要有基于线路换相换流器（Line Commutated Converter， LCC）的高压直流输电和基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VCS）的高压直流输电[1]两种形式。LCC存在不能被动逆变和无法改变潮流方向等缺点，而VSC以绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作为基础，完全克服了LCC的缺点。大多数直流输电系统都采用双端传输结构，即两个交流系统由两个换流站和一条直流输电线连接实现点对点输电[2]。如果直流系统发生故障，两个交流系统之间的大功率传输将被切断[3]，因此双端直流输电系统可靠性低。多端柔性直流输电系统由3个或更多换流站和连接换流站的直流传输线路组成。直流电网由于冗余性比双端直流输电系统具有更高的灵活性和可靠性。与LCC相比，VSC可以改变潮流方向，因此更适用于多端直流输电系统[4]。

1 直流输电线路故障特征

1.1 基本特征

两级VSC直流输电线路故障的基本特征与金属磁控直流输电线路故障的基本特征略有不同。在直流输电线路故障初期，直流电容器会迅速放电至故障点，使直流输电线路的电压迅速下降。在直流电压低于交流电压之前，换流站桥臂中的电流仍然是交流侧电感续流的电流，因此换流站不会受到电容器放电电流的影响。当直流电压低于交流电压时，交流系统将向故障点提供电流[5]。由于该电路持续向故障点输送故障电流，若在故障发生后没有及时切断，这种大的故障电流可能会对换流站造成严重损害。

图1是直流输电线路故障后直流输电系统中的一相故障电流传播路径。当直流输电线路发生故障时，系统子模块的电容器将迅速放电到故障点，将对输电线路带来较大的电压降。即使VSC被阻断，交流系统和IGBT的反并联二极管仍然会构成三相不可控的整流电路，从而不断向故障点输送故障电流。LCC系统可以通过增加热敏电阻的阻值和降低直流线路的电压控制故障电流，而VSC系统中直流输电线路故障后的大故障电流是无法被控制的。

图1 直流输电系统故障电流传播路径

1.2 处理要求

由于VSC高压直流输电系统中的直流输电线路故障后故障电流没有过零点，且会在很短的时间内增加到峰值，因此直流断路器必须具有切断极大故障电流的能力。因为大多数在役VSC直流双端系统没有配备直流断路器，无法切断大的故障电流，所以在直流输电线路发生故障后，通常是换流器交流侧的交流断路器负责切断故障电流。但是，这种故障处理模式并不适合VSC高压直流输电系统。VSC高压直流输电系统故障处理的设计理念应类似于传统交流电网，尽可能利用直流断路器隔离或切断故障部分，以最大限度地保持系统的完整性和连续运行。

与交流电网相比，直流电网阻尼小且惯性小。发生在直流侧的故障会对换流阀和直流输电线路造成严重的瞬时过电流，使直流电压迅速下降。因此，故障在直流电网中的传播速度更快，更容易出现部分故障导致整个电网停电。在使用架空输电线路时，输电线路发生故障的可能性更高，因此直流输电线路保护对VSC高压直流输电系统的安全可靠运行至关重要。因为直流电流没有过零点，所以切断直流电流比切断交流电流更困难。但是，直流断路器的容量相对有限，如果保护和直流断路器能足够快地动作，故障电流就能在其峰值之前被切断，从而降低直流断路器的设计难度，也能够使直流断路器切断的电流更低。国家电网公司（State Grid Corporation of China，SGCC）要求500 kV 直流输电系统中的故障必须在6 ms内清除，而直流断路器的运行时间为3 ms，因此输电线路保护的运行时间满足SGCC要求。

2 线路保护配置方案

2.1 主保护方案

当直流输电线路发生故障时，故障信息先以行波的形式在整个直流电网中传播。行波理论是分析故障发生后初始阶段的有效方法，因此行波保护是VSC高压直流输电线路主保护的理想选择之一。为了满足运行速度的要求，主保护必须基于单端量，同时必须具有保护全线路的能力。故障感应行波是一种宽带信号，由于要求保护的运行时间必须在3 ms以内，数据采集的时间窗口非常短，因此应采用高采样频率，以便在有限的时间窗口内获得更多的采样数据和信息来构建保护判据。

每条直流输电线路的终端都将安装一个平波电抗器，以抑制直流输电线路故障后故障电流的增长速度。平波电抗器的引入有利于单端行波保护。图2是一个典型的四端直流电网。R1没有平波电抗器，当故障发生在F1时，对于R1属于内部故障，对于R2和R3属于外部故障，故障引起的行波将在直流电网中传播。同时，安装在R1、R2和R3的保护装置很难仅使用本地量来确定故障是属于内部故障还是外部故障。

图2 四端直流电网

在R4和R3之间有一个平波电抗器，当F2发生故障时，行波的高频分量会被平波电抗器遮挡，并在R4和R3之间受到抑制，因此内部故障和外部故障时的行波会有显著差异。图3是平波电抗器对高频分量的遮挡效应波形图，即F2发生故障后R4和R3的电压、电流、反向电压行波和正向电压行波的波形。其中，反向和正向电压行波可以由电压、电流和浪涌阻抗计算得出。

图3 平波电抗器对高频分量的遮挡效应

平波电抗器电感典型值200 mH，电压基值为500 kV的额定电压，电流基值为电压基值与浪涌阻抗之比。F2的故障是R4保护的内部故障和R3保护的外部故障。从图3可以看出，内部故障时，电压、反向电压行波和正向电压行波具有陡峭的波前；在外部故障时，由于平滑电抗器对高频分量的阻碍作用，它们的波前要平滑得多。因此，波前陡度可以用来区分内部故障和外部故障，其中小波变换是定量提取和描述信号陡度的有效方法。

2.2 后备保护

为保证保护的选择性和灵敏性，直流输电线路的后备保护应采用纵联保护原理。当发生故障电阻较大的内部故障，导致输电线路主保护因灵敏度不足而无法运行时，后备保护应对主保护进行补充和协调。纵联差动保护具有良好的性能，可以作为直流输电后备保护的一种选择。高压直流输电的后备保护应具有相对较高的反应速度，以便与超高速主保护和交流侧保护在时间序列上进行配合。它的运行时间在20～30 ms，无法避免故障后严重的瞬态分布电容电流问题，因此需要行波差动保护。行波差动保护基于分布参数线路模型，并考虑了分布电容，所以理论上不受分布电容电流和变流器控制系统的影响。行波差动电流能够比传统差动电流更准确地描述内部故障电流，因此具有良好的选择性和灵敏度。同时，行波差动保护需要具有高采样频率，才能准确计算差动电流。

3 结语

直流输电线路保护是实现VSC高压直流输电的关键技术之一。因此，分析VSC直流输电系统对输电线路保护运行速度的特殊要求，指出VSC直流输电系统的故障处理方式应类似于传统交流电网利用直流断路器隔离或切断故障部分，以最大限度地保持系统的完整性和连续运行。直流输电线路主保护应采用基于单端量的算法来保证保护的速度，后备保护应采用纵联保护原理作为主保护的补充。此外，后备保护应具有相对较高的反应速度，以便与超高速主保护和交流侧保护在时间序列上配合。