高壓直流輸電工程接地極監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

艾紅杰 李俊霞 賈軒濤 趙 靜 周玉勇

（1. 許繼電氣直流輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌 461000；2. 許繼集團(tuán)科技部，河南 許昌 461000;3. 許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000）

隨著電力科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，高壓直流工程建設(shè)越來(lái)越廣泛，高壓直流輸電工程中，接地極起著傳導(dǎo)電流及鉗制電位的作用，它一旦發(fā)生故障或接地極線工作狀況不明確，則系統(tǒng)無(wú)法安全可靠的進(jìn)行金屬回線-大地回線或者平衡運(yùn)行-不平衡運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換；另外一方面，接地極引線異常運(yùn)行可能會(huì)對(duì)臨近的通訊設(shè)施造成通訊干擾[1-2]，在故障處可能還會(huì)造成人身傷害或者金屬設(shè)備的腐蝕。因此當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)接地極運(yùn)行及絕緣狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)是十分必要的。

目前接地極引線故障監(jiān)測(cè)方法主要有 ABB公司的阻抗法及西門子公司應(yīng)用的差分時(shí)域反射法。本文以溪浙西工程和糯扎渡工程為例，對(duì)兩種技術(shù)的原理和應(yīng)用進(jìn)行闡述，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 阻抗法

1.1 阻抗法的原理

阻抗法的基本原理就是對(duì)電極線路注入一個(gè)高頻正弦脈沖，此高頻正弦脈沖的電壓電流會(huì)隨著接地極的阻抗變化而變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)采集此脈沖電壓電流，如果接地極運(yùn)行方式變化或故障，接地極阻抗就會(huì)變化，此時(shí)監(jiān)測(cè)的電流電壓就會(huì)變化。通過(guò)高頻脈沖電流電壓的計(jì)算，即可得到接地極線路的阻抗，與死區(qū)值的比較，就能判斷出接地極線路運(yùn)行的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能[3]。

溪洛渡-浙西特高壓直流輸電工程為例，如圖所示軟件程序中產(chǎn)生高頻正弦波頻率為13.95kHz，在考慮工程造價(jià)的前提下，高頻正弦脈沖的頻率越高越好，設(shè)置為13.95kHz是為了避開直流電流中的特征諧波。經(jīng)功率放大器放大后，通過(guò)信號(hào)電纜送至匹配變壓器，匹配變壓器實(shí)現(xiàn)信號(hào)電纜阻抗和電極線路阻抗的匹配，并對(duì)主電路和控制電路進(jìn)行隔離。注入濾波器是一個(gè)LC串聯(lián)諧振回路，諧振頻率f設(shè)定在13.95kHz，高頻正弦脈沖能夠通過(guò)此諧振回路，注入電極線路中[4]。圖1中的兩個(gè)LC并聯(lián)帶阻濾波器是為了阻止高頻正弦信號(hào)進(jìn)入直流場(chǎng)，靠近電極側(cè)帶阻濾波器并聯(lián)了一個(gè)電阻，此電阻是為了防止高頻信號(hào)在阻斷處形成全反射，并為其提供回路。直流電流通過(guò)帶阻濾波器的電感進(jìn)入接地極形成回路，直流主回路和監(jiān)測(cè)回路相對(duì)獨(dú)立，保證了監(jiān)測(cè)回路的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1 溪浙工程接地極阻抗監(jiān)視原理圖

圖 2中 XS860為高頻正弦脈沖產(chǎn)生板卡，XS862G為檢測(cè)放大器板卡，采樣取值功率放大器二次側(cè)的電壓和電流。檢測(cè)放大器板卡 PS862G實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)脈沖信號(hào)的四個(gè)量U_I（電壓的實(shí)部）、U_Q（電壓的虛部）、I_I（電流的實(shí)部）和I_Q（電流的虛部），將此信號(hào)送入PS860進(jìn)行計(jì)算，便可得到：

即為阻抗的實(shí)部

即為阻抗的虛部。

這樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就能夠?qū)崟r(shí)地計(jì)算接地極的阻抗的實(shí)部和虛部，再通過(guò)偏置修正便得到實(shí)際的接地極線路阻抗即，其與ALARM_DEAD_BAND差的絕對(duì)值與30Ω比較，如果大于30Ω則判斷接地極阻抗出現(xiàn)了異常，小于表示正常。

圖2 溪浙工程接地極阻抗監(jiān)視板卡配置

當(dāng)直流系統(tǒng)運(yùn)行方式在雙極、單極大地回線、單極金屬回線以及直流場(chǎng)隔離之間轉(zhuǎn)換時(shí)，接地極通過(guò)不同的線路和設(shè)備連接到直流中性母線。中性母線與接地極之間的阻波器有一定帶寬，不能提供完全的14kHz的退耦，這就導(dǎo)致了不同運(yùn)行模式下有不同的阻抗。

監(jiān)測(cè)軟件中設(shè)定了各運(yùn)行方式下對(duì)應(yīng)的阻抗和死區(qū)值（溪浙工程為30Ω），當(dāng)測(cè)量到的阻抗值超出了死區(qū)范圍，并持續(xù)了一定的時(shí)間，便判斷此時(shí)接地極出現(xiàn)了異常，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接地極阻抗的監(jiān)測(cè)。

1.2 阻抗法的缺點(diǎn)分析

阻抗法有其不可避免的缺點(diǎn)，如無(wú)法確定故障類型及位置，檢測(cè)原理只是計(jì)算阻抗值的變化，是否出現(xiàn)了故障或異常，無(wú)法判斷故障的位置和類型。故障監(jiān)測(cè)結(jié)果受接地過(guò)渡電阻以及整定值影響很大，易出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)等。

2 時(shí)域差分法

2.1 時(shí)域差分法的原理

在靠近直流場(chǎng)側(cè)兩根接地極線上同時(shí)施加矩形電壓脈沖，脈沖在接地極引線上傳播，到達(dá)接地極時(shí)被反射，形成特征反射波。如果線路發(fā)生故障，故障處形成波阻抗奇異點(diǎn)，該點(diǎn)會(huì)反射施加的信號(hào)脈沖，在接地極分裂點(diǎn)外形成一個(gè)額外的反射脈沖，通過(guò)專用設(shè)備分析此反射脈沖，以此判斷是否接地極是否存在故障或異[5]。

脈沖信號(hào)在接地極傳播過(guò)程中的畸變和衰減越小，能夠監(jiān)測(cè)的接地極線路就越長(zhǎng)，并且信號(hào)越容易與噪聲區(qū)分開，對(duì)高阻抗接地故障及接地極引線末端出現(xiàn)的故障的反映就越可靠，從而對(duì)故障能夠準(zhǔn)確定位。雙極矩形脈沖具有易于產(chǎn)生和辨認(rèn)、含有顯著奇異點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，在時(shí)域反射法中多用此種類型脈沖。

實(shí)際應(yīng)用中會(huì)施加極性相反的雙極矩形脈沖，這是因?yàn)殡p極矩形脈沖的前沿以及過(guò)零點(diǎn)處的高頻分量可以保持脈沖的脈寬，且不因脈沖寬度、脈沖傳播距離改變而改變，在應(yīng)用中易于識(shí)別。

雙極性矩形脈沖f2(t)的頻譜函數(shù)可以由矩形脈沖f1(t)的頻譜函數(shù)通過(guò)傅里葉變換的性質(zhì)得出：

根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)

于是

可以得出脈寬為τ的雙極矩形脈沖的幅頻特性為

其頻譜特性如下

圖3 雙極矩形脈沖頻譜圖

從圖3可以看出，雙極矩形脈沖不包含直流分量，脈沖中高頻分量比重較大，且主要集中在以ω=為中心的頻帶內(nèi)，雙極矩形脈沖在導(dǎo)線中傳播時(shí)，雖然因線路衰減常數(shù)較大，脈沖幅值衰減較嚴(yán)重，但線路的衰減常數(shù)及相位常數(shù)趨于穩(wěn)定，脈沖畸變較小[6-7]。

差分方式就是在接地極線上同時(shí)施加極性相反的雙極矩形脈沖，在接收的時(shí)候?qū)蓷l極線上的反射脈沖相減。此舉是為了增大接地極線上監(jiān)測(cè)脈沖的線模分量。由于線模分量?jī)H在兩條極線間傳播，不受地模阻抗變化不定的影響，并使得信號(hào)的色散與衰減極大降低，增強(qiáng)了抵御噪聲干擾的能力。相對(duì)共模信號(hào)，差分信號(hào)在引線上傳播時(shí)的電磁輻射減小很多。

圖4中AKE100用于生成雙極性方形脈沖，注入電極線路在入地點(diǎn)形成反射脈沖，PEMO 2000對(duì)返回的脈沖進(jìn)行差分處理，根據(jù)反射波形判斷接地極運(yùn)行狀態(tài)。

相對(duì)于阻抗法，時(shí)域差分法可以根據(jù)發(fā)射脈沖的不同來(lái)判斷接地極的故障類型。

圖4 糯扎渡工程接地極監(jiān)測(cè)原理圖

脈沖信號(hào)在接地極線路中的傳播速度為Vt，發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)的時(shí)間間隔為Tc，則到故障點(diǎn)的距離L為

假定發(fā)射脈沖信號(hào)為vt(f)，反射脈沖信號(hào)為vr(f)，則反射系數(shù)：

根據(jù)線性傳輸理論，可知

式中，Zo為正常情況下接地極的阻抗，Zt為故障后接地極阻抗。由式（12）可知：λ=+1，發(fā)射脈沖與反射脈沖極性相同，表示線路開路；λ=-1，表示在站端發(fā)生短路，二者之間的極性相同表示線路短路或者接地。于是可以根據(jù)反射波的極性確定接地極線的故障類型。

2.2 時(shí)域差分法的缺點(diǎn)

但時(shí)域差分法也有其局限性，第一測(cè)量短時(shí)故障較困難，這是因?yàn)樵赑EMO 2000中設(shè)定的脈沖發(fā)射周期通常為2s，如果故障持續(xù)小于2s，監(jiān)測(cè)脈沖通過(guò)時(shí)故障恢復(fù)，形不成額外反射，很有可能監(jiān)測(cè)不到；其次，不能測(cè)量高阻接地。根據(jù)PEMO 2000的原理，故障點(diǎn)發(fā)射的脈沖是一個(gè)幅值只有發(fā)射脈沖 1/3反轉(zhuǎn)波形，正常情況下接地極阻抗只有幾歐姆，因此高阻接地時(shí)發(fā)射脈沖難以辨識(shí)。

3 結(jié)論

阻抗法和差分時(shí)域反射法雖然原理不同，但經(jīng)過(guò)眾多工程充分驗(yàn)證，二者都能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)接地極引線的運(yùn)行狀況，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。由于兩種技術(shù)在工程應(yīng)用中造價(jià)較高且接地極線構(gòu)造不同，所以很難在同一工程中同時(shí)使用。至于選用哪種技術(shù)，需要根據(jù)建設(shè)方的要求、工程造價(jià)以及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、環(huán)境等實(shí)際情況綜合選擇，原則上僅需要監(jiān)視接地極運(yùn)行狀況，有專門設(shè)備用于故障測(cè)距選用阻抗法。如在溪浙工程中ELIS屏僅用于接地極線阻抗監(jiān)視，故障測(cè)距選用山東科匯和中國(guó)電科院的專門測(cè)距設(shè)備。如果像糯扎渡工程一樣在監(jiān)測(cè)接地極線的同時(shí)還需判斷故障類型，大致測(cè)算故障距離，與專門測(cè)距設(shè)備數(shù)據(jù)比較分析，則可選用時(shí)域差分法。

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