基于縱聯(lián)保護(hù)原理的直流輸電系統(tǒng)接地極不平衡保護(hù)

王金玉 孔德健 董 實(shí) 姜春雷

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318；2.中國石油大慶第二采油廠信息中心,黑龍江 大慶 163300)

接地極在直流輸電系統(tǒng)中起提供直流通路與中性點(diǎn)鉗制的作用，因此接地極的運(yùn)行狀態(tài)將直接影響直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。一般情況下，與換流站相連的接地極引線常采用雙匯并行線路的連接方式，接地極的末端建在距離換流站幾十千米的地點(diǎn)，這樣可使接地極電流對(duì)換流站和其他設(shè)施的影響降到最低。

運(yùn)行于雙極對(duì)稱方式下的直流輸電系統(tǒng)流入接地極的不平衡電流一般小于額定電流的1%；而直流輸電系統(tǒng)工作于單極大地運(yùn)行方式時(shí)，其向接地極流入的電流卻能高達(dá)上千安培，這在很大程度上加大了對(duì)接地極進(jìn)行可靠保護(hù)的難度[1]。目前，安裝接地極線路過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)與不平衡電流保護(hù)是直流輸電系統(tǒng)接地極引線的主要保護(hù)措施。

南方電網(wǎng)所管轄的天廣、云廣及興安等直流輸電系統(tǒng)均由西門子公司設(shè)計(jì)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，接地極引線保護(hù)無法判斷故障類型，統(tǒng)一采取直接關(guān)閉運(yùn)行極會(huì)在一定程度上影響直流輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行[2]。鑒于此，筆者基于應(yīng)用廣泛的縱聯(lián)保護(hù)原理，將接地極引線縱聯(lián)保護(hù)與不平衡保護(hù)相結(jié)合，從而提高直流輸電系統(tǒng)在單極大地運(yùn)行方式下的故障類型的識(shí)別率，并根據(jù)故障類型實(shí)施相應(yīng)的保護(hù)策略，以達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的目的。

1 運(yùn)行實(shí)例及其故障分析①

天廣直流輸電系統(tǒng)在單極單閥組大地回線的方式下運(yùn)行期間，整流側(cè)換流站接地極的不平衡電流保護(hù)發(fā)生動(dòng)作[3]，停運(yùn)極1，故障波形如圖1所示?？梢郧逦乜闯?，經(jīng)過短暫波動(dòng)后，兩條接地極引線的電流出現(xiàn)明顯差值，其中引線1中流經(jīng)的電流約400A，引線2中流經(jīng)的電流約300A，相差約100A，已經(jīng)超過保護(hù)整定值(90A)，經(jīng)過40ms預(yù)告警后，接地極不平衡電流保護(hù)發(fā)生動(dòng)作，500ms延時(shí)后停運(yùn)極1。

圖1 接地極故障時(shí)接地極引線電流的暫態(tài)錄波

根據(jù)記錄的資料，故障時(shí)換流站接地極線路通道處于正常狀態(tài)，因此由線路通道原因?qū)е鹿收系目赡苄曰究梢耘懦齕4]。在之后的巡檢過程中發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)有多處放電痕跡，而且故障時(shí)正值雷雨天氣，從這一實(shí)際情況分析可判斷是雷擊導(dǎo)致接地極電流不平衡保護(hù)發(fā)生動(dòng)作。而近幾年來天廣、云廣和興安線路都多次發(fā)生與此次故障過程類似的狀況。

2 接地極不平衡保護(hù)方案及其缺陷

2.1 西門子與ABB保護(hù)方案

西門子與ABB公司設(shè)計(jì)有相同的接地極不平衡電流保護(hù)動(dòng)作判斷依據(jù)[5]，即：

|IL1-IL2|>Iset

(1)

式中IL1、IL2——兩條接地極引線電流；

Iset——電流整定值。

但西門子與ABB保護(hù)方案的保護(hù)動(dòng)作策略略有差異。西門子動(dòng)作策略：在單極大地回線運(yùn)行方式下，接地極不平衡電流保護(hù)動(dòng)作為直接停運(yùn)直流(極停運(yùn))；在雙極運(yùn)行方式下，接地極不平衡電流保護(hù)動(dòng)作先發(fā)出告警信號(hào)，后調(diào)節(jié)雙極直流電流平衡(極平衡)。ABB動(dòng)作策略：在雙極和單極大地運(yùn)行方式下，接地極不平衡電流保護(hù)均發(fā)出告警信號(hào)，直流不停運(yùn)[6]。但是西門子和ABB保護(hù)方案都無法準(zhǔn)確判別故障類型，其動(dòng)作整定值均依照接地極引線正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的最大電流差值來確定。天廣、云廣和興安的直流接地極不平衡保護(hù)整定值見表1。

表1 直流接地極不平衡保護(hù)整定值

2.2 保護(hù)缺陷分析

接地短路故障是接地極引線最常發(fā)生的故障之一，該故障通常由不良天氣狀況等原因造成[7]，此類暫時(shí)性故障一經(jīng)消除后系統(tǒng)便可恢復(fù)運(yùn)行，因此常采取系統(tǒng)重啟策略來消除此故障。目前，由線路主保護(hù)觸發(fā)的重啟動(dòng)作裝置應(yīng)用于天廣及云廣等直流輸電的極控系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生暫時(shí)性的接地短路故障時(shí)線路主保護(hù)將被重啟。但此策略也存在著一些缺陷，例如當(dāng)直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行于單極大地回線方式時(shí)，發(fā)生短路故障后并不會(huì)觸發(fā)線路主保護(hù)動(dòng)作，其保護(hù)動(dòng)作策略均為直接停運(yùn)運(yùn)行極[8]。因此，如果能在接地極引線出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)故障類型進(jìn)行準(zhǔn)確的區(qū)分，并在接地短路暫時(shí)性故障發(fā)生時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重啟動(dòng)，便可以改善直流停運(yùn)狀況。但是就西門子的保護(hù)配置而言，若一條接地極引線出現(xiàn)故障，此時(shí)又對(duì)故障類型難以進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別時(shí)，保護(hù)裝置將在告警后直接執(zhí)行重啟策略。如此，當(dāng)斷線故障發(fā)生時(shí)，不僅無法消除接地極引線故障，還可能造成電流保護(hù)失效，使輸電線路承受一定時(shí)間的過電流，這無疑將對(duì)設(shè)備的使用壽命產(chǎn)生較大影響。

接地極引線通常為雙回并行線路，在雙極大地回線中，當(dāng)其中一條接地極引線發(fā)生斷線故障時(shí)，不會(huì)有電流流過；當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)(絕大部分情況為發(fā)生金屬性接地或雷擊導(dǎo)致的瞬時(shí)故障)，會(huì)使另一條接地極引線流過的電流也接近零[9]。所以，單根接地極引線發(fā)生斷線故障與接地故障時(shí)表現(xiàn)出來的特征相近，只根據(jù)式(1)不能判斷出線路發(fā)生哪種故障。

3 基于縱聯(lián)保護(hù)原理的接地極不平衡電流保護(hù)

3.1 接地極引線縱聯(lián)保護(hù)原理

縱聯(lián)保護(hù)原理主要應(yīng)用在交流輸電線、變壓器及發(fā)電機(jī)的定子繞組等電力設(shè)施的保護(hù)中?？v聯(lián)保護(hù)原理是將輸電引線各端的保護(hù)裝置用通信通道縱向連接起來，把輸電線各端采集到的電氣量傳到相對(duì)端進(jìn)行對(duì)比，利用電力量的變化情況來判斷故障發(fā)生的位置，從而決定是否切除保護(hù)引線。按保護(hù)原理可將縱聯(lián)保護(hù)分為方向比較式縱聯(lián)保護(hù)和縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)[10]。

直流輸電系統(tǒng)接地極引線多為雙回并行線路，而且接地極不平衡電流保護(hù)通常采用的是簡單的電流橫差保護(hù)，它的工作原理是在接地極引線的首端安裝兩個(gè)電流互感器，通過對(duì)所測得的電流值的比較來識(shí)別故障。此方法雖然可以識(shí)別故障但仍存在缺陷，只能發(fā)現(xiàn)故障并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)故障類型的區(qū)分，這樣會(huì)對(duì)保護(hù)動(dòng)作策略的高效性和電氣設(shè)備使用壽命產(chǎn)生影響。筆者利用縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)原理，電氣量傳輸通道選擇微波通道，在原保護(hù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)，即在接地極引線的首端和末端分別安裝電流互感器，通過比較4個(gè)互感器的電流差值來實(shí)現(xiàn)對(duì)故障類型的區(qū)分。

3.2 接地極引線故障時(shí)各特征量變化特點(diǎn)

結(jié)合直流輸電系統(tǒng)的控制原理，根據(jù)單極大地回線運(yùn)行方式的經(jīng)典模型，將接地極引線發(fā)生斷線故障和短路故障時(shí)所表現(xiàn)出的特征進(jìn)行分析對(duì)比。直流輸電系統(tǒng)在單極大地回線運(yùn)行方式下的接線簡圖如圖2所示。

圖2 直流輸電系統(tǒng)在單極大地回線運(yùn)行方式下的接線簡圖

假設(shè)直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行正常，則其等效模型如圖3所示。將整流側(cè)看作一個(gè)定電流控制方式下的電流源；而逆變側(cè)可視為在定電壓控制方式下的可調(diào)節(jié)阻抗的等值電阻RN。

圖3 單極大地回線運(yùn)行方式下的等效模型

在接地極引線的首、末端同時(shí)安裝專用電流互感器，此互感器為基于電子式的電流互感器，相對(duì)于傳統(tǒng)電磁式電流互感器，它克服了磁芯飽和所帶來的電流誤差，電子式電流互感器的特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍廣、測量精確度高。內(nèi)嵌的是基于GPRS/CDMA無線通信模塊和利用太陽能供電的鋰電池，解決了通道問題和末端供電所帶來的困擾。具體等效模型如圖4所示。

圖4 接地極引線故障保護(hù)配置等效模型

對(duì)接地極引線不平衡保護(hù)的改進(jìn)方案如圖5所示，改進(jìn)后的方案可對(duì)單根接地極引線發(fā)生的故障類型進(jìn)行區(qū)分。

假設(shè)在逆變側(cè)接地極中接地極引線F點(diǎn)發(fā)生金屬性接地短路故障，不妨設(shè)F點(diǎn)接地電阻為Rf，F(xiàn)點(diǎn)距離接地極首端的等值電阻為R3，距離極址端的等值電阻為R4。正常運(yùn)行情況下接地極引線等值電阻R2為：

R3+R4=R2

(2)

故障情況下故障線路等值電阻R2為：

R4∥Rf+R3

(3)

由于發(fā)生瞬時(shí)性接地故障，F(xiàn)點(diǎn)接地電阻等值阻抗Rf接近于零，則R4∥Rf也近似等于零，由式(3)可知，故障線路的等值電阻將遠(yuǎn)小于正常線路的等值電阻，電流只會(huì)流經(jīng)故障線路，因此圖5中在正常線路上安裝的電流互感器P1和P3測得的電流值接近于零。由于在F點(diǎn)發(fā)生接地，所以電流互感器P4測得的電流值將瞬時(shí)驟減，電流互感器P2測得的電流值瞬時(shí)增大，遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行時(shí)所測得的電流值。這滿足了觸發(fā)不平衡電流橫差保護(hù)的條件和縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的條件，所以經(jīng)過接地極不平衡保護(hù)的改進(jìn)措施后，在接地極引線發(fā)生接地短路故障時(shí)，接地極引線會(huì)觸發(fā)橫差保護(hù)和故障線路的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

圖5 接地極引線不平衡保護(hù)改進(jìn)方案

假設(shè)在逆變側(cè)接地極中接地極引線F點(diǎn)發(fā)生斷線故障，其等效模型如圖6所示。

圖6 單極大地回線運(yùn)行方式下接地極斷線故障等效模型

在F點(diǎn)發(fā)生斷線故障后，逆變側(cè)的接地極線路等值電阻為R2,而正常運(yùn)行時(shí)，逆變側(cè)接地極線路等值電阻為0.5R2，回路等效模型總電阻變大，則流入接地極電流變小。故障線路將不會(huì)有電流流過，因此在圖5中電流互感器P2和P4所測得的電流值為零，而P1和P3測得的電流值將略低于正常運(yùn)行時(shí)所測得的電流值。這滿足了觸發(fā)不平衡電流橫差保護(hù)的條件，但故障線路和非故障線路不會(huì)觸發(fā)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

由上述分析可知，在單極大地回線運(yùn)行方式下，接地極引線發(fā)生故障瞬間可以電流互感器所測電流值為故障判據(jù)，以電流變化情況的不同來識(shí)別故障類型，其測量量主要變化規(guī)律見表2。

表2 單極大地回線運(yùn)行方式下接地極故障瞬間電流變化情況

4 結(jié)束語

接地極引線故障在直流輸電系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生，在南方電網(wǎng)所管轄的直流輸電系統(tǒng)中，在單極大地回線運(yùn)行方式下接地極不平衡保護(hù)動(dòng)作策略有一定的缺陷。因此，將縱聯(lián)保護(hù)的原理運(yùn)用到直流輸電系統(tǒng)中，根據(jù)接地極引線發(fā)生不同故障時(shí)電流變化不同的情況，提出了改進(jìn)方法。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：改進(jìn)方法可以對(duì)發(fā)生故障的類型進(jìn)行準(zhǔn)確、快速判斷：接地極引線發(fā)生接地短路故障時(shí)實(shí)行故障重啟策略，當(dāng)發(fā)生斷線故障時(shí)直接實(shí)行極停運(yùn)策略。經(jīng)過改進(jìn)的線路能夠減少系統(tǒng)停運(yùn)的概率，提高了直流輸電系統(tǒng)的可靠性。

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