LCC-HVDC 逆变侧换流站近区交流线路高阻接地故障保护

任 萱，王 宾，俞 斌，谢 民，谢 华，黄 涛

（1. 电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室,清华大学,北京市 100084；2. 国网安徽省电力有限公司,安徽省合肥市 230061；3. 南京南瑞继保电气有限公司,江苏省南京市 211106）

0 引言

中国超特高压交直流混联电网中,直流系统以基于电网换相换流器的高压直流（LCC-HVDC）为主,换流器件承受故障冲击能力较差、自身不具备关断能力,逆变侧换流站近区交流系统的简单故障如果清除不及时,易诱发多换流站同时及后续换相失败、直流系统单/双极闭锁等连锁事故,严重威胁电网安全［1-3］。

交流高压线路保护采用纵联保护,具有良好的正确动作率［4-5］。实际运行中,主要挑战来自绝缘子闪络、雷击、山火等诱发的弧光高阻接地故障［6］,此时接地电阻值较大,一般为几百至几千欧姆,且存在明 显的非线性［7］。DL/T559—2007《220 kV～750 kV电网继电保护装置运行整定规程》标准规定：750 kV线路的接地故障保护最后一段以适应短路点接地电阻值为400 Ω 的接地故障为整定条件。当LCCHVDC 换流站近区经400 Ω 接地时,母线电压下降可达10%,大于国际大电网会议（CIGRE）高压直流输电标准测试模型的临界换相电压（约0.94 p.u.）［8］,存在换相失败风险；此时,由于故障电流较小,影响了保护启动元件的灵敏性,在故障发展速度较慢的情况下,保护出口时间可达120 ms 以上,导致换相面积长时间缩短,容易引发连续或后续换相失败,增加直流站闭锁的风险。此外,电弧电流的非线性特征会导致换相电压产生波形畸变,换相面积减小,谐波总畸变率高于4%时即可能引起直流系统换相失败［9-10］。因此,亟须开展LCC-HVDC 换流站近区交流线路弧光高阻接地故障快速隔离相关研究。

零序差动保护主要用来应对接地故障,高阻接地故障时面临的主要困难是如何合理整定解决灵敏性与可靠性的权衡问题。由于高阻接地故障时相/零序电流变化量小、相电压下降不明显、零序电压幅值小等原因,保护装置中各类型启动元件（相电流、零序电流、低电压、零序电压等）均存在灵敏度不足的问题；零序差流的动作门槛值受不平衡电流的影响,削弱了差动保护元件对高阻接地故障的动作灵敏性。目前,超特高压输电线路零序差动保护应对弧光高阻接地故障时动作出口时间较慢［11-13］。

针对上述问题,国内外相关研究人员针对弧光高阻接地故障的识别、保护展开了系列研究。针对弧光高阻接地故障的识别,从电弧的畸变特性出发,相继提出了谐波分析法［14-16］和伏安特性法［17］等方法；从暂态、稳态电路分析出发,提出了暂态能量法［18］、投影系数法［19］等方法；从行波角度有行波分析法［20］；此外还有专家系统、神经网络等智能算法［21-22］。谐波分析法在电弧稳定燃烧或波形畸变不明显时的故障检测成功率较低［23］；基于稳、暂态电路分析的识别方法未考虑电弧特性；行波分析法受启动门槛限制,精度较低；基于人工智能的识别方法物理意义不够明确,且计算量大。文献［17］提出了基于伏安特性畸变的弧光高阻接地故障识别方法,可有效识别配电网中的弧光高阻接地故障,但该方法在高压输电网中未有相关应用。针对弧光高阻接地故障保护方向,文献［24-26］通过自适应调整动作门槛值和制动系数,提高零序差动保护在高阻接地故障时的动作性能,但未考虑保护装置中各元件灵敏度不足的问题；文献［27］提出了一种基于参数识别的高阻接地距离保护算法,但该方法未考虑分布电容的影响,只适用于中短距离的高压输电线路；文献［28-29］提出了适用于特高压交流线路的零序电抗继电器保护算法,利用电抗分量构造动作元件,具有较强的抗过渡电阻能力和稳定的保护范围,但由于LCC-HVDC 换流站近区双回交流线路拓扑和故障特性较为特殊,发生故障时线路两端电压为跟随关系,各相量的相位差均较小,零序电流近似引入的相位误差会导致操作电压和零序电流的相位关系改变,使得零序电抗继电器在LCC-HVDC 换流站近区交流线路上应用失效。基于站域或广域信息,可丰富保护功能,提高保护性能［30］。目前,已有应对高阻接地故障的广域后备保护方案,但仅适用于传统交流系统中的局部环网、分支线路等［31-32］,且保护灵敏度仍受到阈值整定的影响,抗过渡电阻能力有限。此外,目前相关研究均未考虑线路某端弱馈的情况,因此无法直接应用于换流站近区高阻接地故障保护中［33-35］。

本文在紧密结合高压直流分层接入超/特高压交流电网拓扑的基础上,分析了影响零序差动保护动作特性的关键因素,基于双回线广域信息,提出了适用于LCC-HVDC 换流站近区交流线路的高阻接地故障启动元件、方向元件及保护方案,并仿真验证了其有效性。

1 LCC-HVDC 换流站近区交流线路零序差动保护动作特性分析

为了提高输送容量,LCC-HVDC 逆变侧换流站一般经换流变压器通过双回交流线路送出,且换流变压器交流母线侧中性点通常为星形接地,如图1所示。

图1 LCC-HVDC 换流站接入交流电网拓扑Fig.1 Topology of LCC-HVDC converter station connected to AC power grid

1.1 换流站近区交流线路高阻接地故障零序网络分析

换流站近区交流线路发生弧光高阻接地故障时,由于换流变压器在交流母线侧中性点采用星形接地,系统零序网络如附录A 图A1（a）所示。图A1中：Z0为线路单位长度的零序阻抗值；L为线路总长；lk为故障点与M侧母线之间的距离；XT为变压器等 效 电 抗；ZN0为 交 流 电 源 的 零 序 阻 抗；İM0、İN0分 别为线路两侧保护处量测到的零序电流。

对图A1（a）进行星角变换,可得如图A1（b）所示的简化网络,图中各等效阻抗Z1、Z2、Z3为：

由图A1（b）可见,故障线路两侧保护处零序电流的分配不仅受故障距离的影响,还受到变压器等效电抗和交流电源零序阻抗的影响。两侧零序电流İM0与İN0的 比 可 表 示 为：

可见在故障支路电流大小不变的情况下,M侧的零序电流分流随着故障距离的增大而逐渐减小。

故障发生在M侧时,lk=0,线路两端零序电流之比为：

故障发生在N侧时,lk=L,线路两端零序电流比为：

由于变压器等效电抗一般远大于线路阻抗和系统阻抗,因此当故障靠近M侧时,M侧零序电流幅值稍大于N侧；而故障靠近N侧时,M侧零序电流则远小于N侧,几乎为零。这样的分流情况导致高阻接地故障发生在线路靠近N侧的位置时,M侧保护装置由于灵敏度有限,难以可靠测量到零序电流,导致M侧保护出现拒动情况。

1.2 零序差动保护现场案例分析及统计结果

附录A 图A2 为某500 kV 线路发生弧光高阻接地故障时线路两侧二次侧电流录波波形,电流互感器变比为4 000/1,可见由于分流导致线路两侧的零序电流幅值相差较大,且随着故障的发展零序电流幅值逐渐增大。

零序差动保护具有灵敏度高、动作简单、快速可靠等优点,通过低比率制动系数的稳态差动元件选相和零序差动元件构成零序差动保护,经40 ms 延时动作［33］。结合附录A 图A3、图A4 分析零序差动保护的动作特性。对于二次额定值为1 A 的电流互感器,该条线路保护零序电流变化量、过流启动元件的整定值为0.1 A,故障后零序过流启动元件在80 ms 左右满足动作条件,电流变化量启动元件在110 ms 左右满足动作条件,因此保护启动时间为80 ms,存在明显的启动延时。图A4 给出了零序差动保护的动作特性,差动动作电流整定值为0.15 A,由图可见,在故障后20 ms 时零序差动电流已同时满足大于0.75 倍零序制动电流和差动动作电流定值的动作条件,而由于受到启动元件动作慢的制约,再考虑到40 ms 的延时动作,可知保护的出口时间在120 ms 左右。

在调研统计分析了多组现场数据的基础上,总结弧光高阻接地故障下,影响零序差动保护动作特性的主要因素有：首先,保护启动元件在高阻故障时灵敏度不足,导致启动时间长；其次,差动动作电流定值高于故障时的零序差动电流,不满足保护动作方程,保护无法出口；此外,是否投入电容电流补偿以及保护装置的测量灵敏度等因素同样会影响零序差动保护的动作特性。

2 LCC-HVDC 换流站近区交流线路高阻接地故障特征分析

对于LCC-HVDC 系统,正常运行时其直流侧可等效为一电流源,不具备电压支撑能力,其逆变侧所需电压由逆变侧换流站接入的交流系统提供。当换流站接入的交流线路发生高阻接地故障时,故障相电压跌落不明显,逆变侧控制几乎不受影响,故此时逆变侧换流站的交流侧电压仍由其所接入的交流系统所决定,即LCC-HVDC 系统接入的交流线路两端的电压为跟随关系,两端电压的幅值、相位差仅取决于线路压降。由于换流站接入的交流线路长度较短,一般为100 km 左右,线路阻抗极小,因此两端电压的相位、幅值均非常相近。该情况下依赖于交流线路两侧电源激励特性的任何保护判据均会受到系统两侧电压跟随特性的影响而失效。

因此,拟解决该问题,需要摆脱两侧电源的影响,探寻仅仅描述被保护元件（交流输电线路）故障前后拓扑变化的保护判据,此外,受故障高阻的影响,为了保证高灵敏性与可靠性的统一,难以从合理调整整定值的角度来解决该问题,因此需要从传统的定量分析+阈值整定的模式,调整为对被保护元件（交流输电线路）故障前后故障支路阻抗特性变化的定性描述和甄别。弧光高阻接地故障状态与正常系统运行状态相比,唯一的不同在于增加包含非线性电弧的高阻接地支路。因此,如何有效地表征该接地支路成为了后续故障检测与保护的关键。

基于归一化电压、电流瞬时值的伏安特性可有效地表征该非线性接地支路［34］。附录A 图A5 展示了3 组华东电网220 kV 输电线路弧光高阻接地故障现场录波数据中故障相电压与零序电流之间的伏安特性曲线。可见,伏安特性曲线斜率的变化直接反映了故障点阻抗的动态变化规律,即在电压、电流过零点附近,电弧熄弧-重燃,过渡电阻变化较大,曲线斜率也很大；随着电压升高,电弧稳定燃烧,过渡电阻逐渐衰减并趋于稳定,曲线斜率也较小。因此,可以根据伏安特性曲线斜率的变化识别高阻接地故障,构造灵敏的高阻接地故障启动元件,不需要整定且能够加快保护的启动速度。

线路发生高阻接地故障时,故障相电压跌落不明显,并不容易区分,因此为了保证故障识别的可靠性,需要进行选相。图2 为不同故障方向下故障相与非故障相的伏安特性曲线,仿真模型采用文献［34］中的高阻接地故障模型,电弧长度为10 cm,塔基电阻为1 000 Ω。

图2 高阻接地故障故障相和非故障相伏安特性曲线Fig.2 U-I characteristic curves of fault phase and nonfault phase with high resistance grounding fault

对比图2（a）、2（b）可见,正方向高阻接地故障时故障相相电压与零序电流基波之间相位差较小,非故障相电压与零序电流基波之间则存在120°左右的相位差,因此可利用相电压与零序电流之间的相位差选出故障相。此外,如图2（a）、2（c）所示,正方向高阻接地故障时,故障相伏安特性曲线围成的面积主要分布在第1、3 象限；反方向高阻接地故障时,故障相伏安特性曲线围成的面积则主要分布在第2、4 象限。因此,伏安特性曲线包围面积的分布可作为判断高阻接地故障方向的重要依据。

3 基于伏安特性的弧光高阻接地故障保护

3.1 高阻接地故障启动元件

利用伏安特性曲线的畸变特征构造高阻接地故障启动元件,可有效加快启动速度,具体算法步骤如下［14］。

步骤1：对保护安装处三相电压ua（t）、ub（t）、uc（t）和零序电流i0（t）的1 个周期数据分别以最大值为基准进行标幺化处理。

步骤2：利用相电压与零序电流工频相角差选相,若存在某个相角差绝对值Δφ在0°～15°之间,则该相为故障相,进行步骤3,否则重复步骤1。

步骤3：对零序电流进行相移,使得其与故障相电压相位差最小；用最小二乘法分段线性拟合故障相电压和零序电流的伏安特性关系,故障相电压过零点附近的直线斜率计作k1,最大值点附近的直线斜率计作k2,并计算故障相电压和零序电流的相关系数RC,如式（7）所示。

式中：N为1 个周期的采样点数；i0(k)和uφ(k)分别为标幺化的零序电流序列和故障相电压序列。

步骤4：若0＜k2＜1,k1＞kset,RC＞0.966,则判断发生了疑似高阻接地故障；其中kset为整定值,取大于1 的实数,本文中取kset=1.05；考虑到测量点处故障相电压与零序电流的相位误差一般不超过10°,再考虑一定的裕度,故取RC的阈值为0.966。

步骤5：重复步骤1 至4,若疑似高阻接地故障持续时间超过1 个周期,则判断为高阻接地故障,保护启动。

3.2 高阻接地故障方向元件

在启动元件识别出高阻接地故障的基础上,可利用伏安特性曲线在第1、4 象限包围的总面积S判断故障方向。S本质上表征的是电弧的耗散能量,计算方法如下：

式中：sign(⋅)为符号函数；S1为零序电流从零增大到最大值过程中伏安特性曲线包围的面积；S2为零序电流从最大值反方向变化时伏安特性曲线包围的面积。计算总面积S时,伏安特性曲线位于第1 象限的部分面积为正值,位于第4 象限的部分面积为负值。

根据图2（a）、（c）可知,正方向高阻接地故障的伏安特性曲线主要分布在1、3 象限,且位于第1 象限的面积远大于第4 象限的面积,总面积S＞0；反方向高阻接地故障的伏安特性曲线则主要分布在2、4 象限,位于第4 象限的面积远大于第1 象限的面积,总面积S＜0。故设置方向元件整定值Sset,若S＞Sset,则判定为正方向高阻接地故障；反之,判定为反方向高阻接地故障。Sset＞0,其值越小,方向元件越灵敏；在电压、电流数据均标幺化处理的情况下,考虑到第1 象限的总面积为1,而正方向高阻故障时相电压与零序电流几乎同相,伏安特性曲线为细长条状,包围面积很小,故整定值应为一远小于1 的值,可设Sset=0.01。

3.3 基于伏安特性的高阻接地故障保护方案

零序电流差动保护的差动动作电流定值一般以躲过最大不平衡电流为基准进行整定,当高阻接地故障电流幅值小于整定值时,保护会出现拒动。因此为了进一步提高LCC-HVDC 换流站近区交流线路应对轻微故障的能力,可利用高阻接地故障启动元件和方向元件构成新的保护方案,实现高可靠性的高阻接地故障保护。

由1.1 节的分析可知,由于LCC-HVDC 换流站近区双回交流线路结构的特殊性,当高阻接地故障发生在图1 中N侧附近时,M侧零序电流幅值接近零,在保护装置灵敏度有限的情况下,方向元件R1可能拒动。但通过分析可知,若R2判断为正方向故障,故障只可能发生在被保护线路、M侧母线背后的换流变压器附近以及双回线的另一条线路上。故障发生在换流变压器附近或另一条线路上时,R1、R2流过的零序电流大小几乎相等,不会出现一个动作另一个拒动的情况；只有当故障发生在被保护线路区内时,才可能出现R2判断为正向故障,R1由于零序电流太小拒动的情况。因此R1拒动时,理论上仅根据R2的判断结果即可确定故障发生在区内还是区外。但若在R1本应判断为反向故障,实际却拒动或判断错误的情况下,当R2判断为正向故障时就可能出现该条线路保护误动的情况,因此仅根据R2进行区内区外判断的可靠性较低。

因此,利用双回线两条线路上方向元件的信息进行判断,即采用图1 中的方向元件R1、R2、R3、R4的逻辑关系判断区内区外,保护会更加可靠。被保护线路为L1时,判断方法如表1 所示；被保护线路为L2时,分析方法与L1同理,因此判断方法中将R1与R3互换、R2与R4互换即可。由于需同时获取双回线路两侧方向元件的信息,该方案需应用于广域保护中。

表1 方向元件逻辑关系Table 1 Logical relationships of directional elements

给出基于伏安特性的LCC-HVDC 逆变侧换流站近区交流线路高阻接地故障保护流程图如图3 所示。线路发生高阻接地故障时,高阻接地故障启动元件启动,基于伏安特性原理实现保护；线路发生金属性故障时,高阻接地故障启动元件启动条件不满足,零序过流启动元件启动,基于传统零序差动原理实现保护。

图3 高阻接地故障保护流程图Fig.3 Flow chart of high resistance grounding fault protection

4 案例仿真验证

以华东某高压换流站接入交流电网为例,搭建如附录A 图A6 所示交直流混联电网仿真模型,线路及电源参数如附录A表A1、表A2 所示。1 000 kV交流双回线为被保护线路,线路长度为100 km。

4.1 高阻接地故障仿真波形

采用文献［34］中的高阻接地故障模型进行故障仿真,设置电弧长度为10 cm,塔基电阻为1 000 Ω。高阻接地故障分别发生在附录A 图A6 中的A点（距离M侧5 km）和B点（距离M侧95 km）时,线路两端零序电流波形以及伏安特性曲线如附录A图A7、图A8 所示。可见线路发生高阻接地故障时,虽然分流导致两侧零序电流均出现了一定程度的畸变,但至少有一侧的伏安特性曲线会呈现较明显的畸变特性,因此利用伏安特性的畸变特征识别高阻接地故障具备可行性。

4.2 启动元件性能仿真验证

当高阻接地故障发生在线路上不同位置时,启动元件动作特性如附录A 表A3 所示。可见双回线上以及换流变附近发生高阻接地故障时,基于伏安特性畸变的高阻接地故障启动元件均能可靠地启动。当故障发生在E点,即M侧母线背后时,由于各交流电源的等效零序阻抗远小于双回线和换流变的等效零序阻抗,双回线上几乎不流过零序电流,故保护不启动。

4.3 高阻接地故障保护性能仿真验证

本文所提基于伏安特性的高阻接地故障保护方案的动作结果统计如表2 所示。

表2 本文保护方案仿真结果Table 2 Simulation results of protection schemeproposed in this paper

一般情况下,保护装置二次侧的电流灵敏度下限为0.05 A,当电流互感器变比为4 000/1 时,对应一次侧的电流灵敏度下限为200 A。为了模拟保护装置的灵敏度问题,将零序电流的灵敏度下限设为200 A,即认为零序电流低于200 A 时,装置二次侧将无法可靠检测到零序电流,方向元件拒动。下面对双回线中L1为被保护线路时高阻接地故障保护的性能进行仿真分析。

区内故障时,对于靠近M侧的故障,方向元件R1、R2均 能 可 靠 动 作,此 时 不 考 虑R3、R4的 判 断 结果；对于靠近N侧的故障,M侧电流灵敏度不足,R1拒动,R2判断为正方向,此时结合R3、R4的判断结果也可判断出故障发生在区内。

区外故障时,方向元件R1、R2的判断结果为一正一反,不会出现误判。可见,本文提出的高阻接地故障保护方案兼具高灵敏度和可靠性,且具有较高的实用性。

5 结语

LCC-HVDC 换流站近区的交流线路由于其特殊的拓扑结构和故障特性,实现高阻接地故障时的快速动作难度较大。本文首先对LCC-HVDC 换流站近区双回交流线路高阻接地故障的伏安特性以及零序电流特征进行了分析,在此基础上提出了适用于高阻接地故障的启动元件算法以及方向元件算法。针对保护装置灵敏度不足的问题,提出了利用双回线中方向元件的逻辑关系判断区内外故障的方法,给出了适用于LCC-HVDC 换流站近区双回交流线路的保护方案,实现了兼具高可靠性、高灵敏性的高阻接地故障保护。后续将针对高阻接地故障保护的高灵敏度选相元件等方面展开进一步深入研究。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。