特高壓直流輸電系統(tǒng)接地極線路保護(hù)性能分析

張 純，滕予非

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

IDEL_DIFF=|IDEL1-IDEL2|>Iset

Znormal(s)≈Zc=Rp

Znormal=247.326+j7.399 Ω

Zset1=251.482+j17.285 Ω

Zm=249.234+j42.481 9 Ω

|Zm-Znormal|=35.14 Ω

|Zm-Zset1|=25.30 Ω

特高壓直流輸電系統(tǒng)接地極線路保護(hù)性能分析

張 純，滕予非

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

接地極線路保護(hù)是特高壓直流輸電系統(tǒng)中重要的保護(hù)之一，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明目前的接地極線路保護(hù)存在缺陷。介紹了接地極線路保護(hù)的配置情況，并從原理上對(duì)接地極線路保護(hù)的性能進(jìn)行了分析。最后，針對(duì)目前接地極線路保護(hù)存在的問(wèn)題，從保護(hù)策略和故障隔離兩方面提出了相關(guān)建議。

接地極線路；不平衡保護(hù)；阻抗監(jiān)視；性能分析；故障隔離

0 引 言

接地極是特高壓直流輸電工程重要的組成部分，起到為雙極不平衡電流提供通路以及鉗制中性點(diǎn)電壓的作用[1]。為防止大量直流電流入地造成的電磁效應(yīng)、熱力效應(yīng)以及電化效應(yīng)對(duì)換流站周邊的人畜以及電力設(shè)備造成顯著的影響，接地極距離直流換流站往往有幾十甚至上百公里，換流站與接地極之間的電氣連接則主要依靠接地極引線實(shí)現(xiàn)。如在四川境內(nèi)投運(yùn)的3條特高壓直流工程接地極址與換流站之間的距離均超過(guò)了50 km，賓金直流接地極址與換流站間的距離甚至超過(guò)了100 km。

過(guò)長(zhǎng)的距離不僅極大地增加了接地極引線的投資成本，也增加了接地極引線故障的概率，還造成換流站中性點(diǎn)電位抬高，增加了接地極引線保護(hù)和絕緣配置的難度。實(shí)際運(yùn)行中，已多次發(fā)現(xiàn)接地極線路保護(hù)不正確動(dòng)作的情況。也有不少學(xué)者針對(duì)接地極線路保護(hù)不正確動(dòng)作的案例做了分析研究[2-5]。若能對(duì)接地極線路保護(hù)存在缺陷進(jìn)行原理性的分析，則有助于改進(jìn)接地極線路保護(hù)策略，保證直流輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

在介紹接地極線路保護(hù)配置的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析，厘清了接地極不平衡保護(hù)和阻抗監(jiān)視存在的缺陷，并有針對(duì)性地提出了相關(guān)優(yōu)化和改進(jìn)建議。

1 現(xiàn)有接地極線路結(jié)構(gòu)及保護(hù)配置

1.1 現(xiàn)有接地極線路結(jié)構(gòu)

接地極線路的連接方式如圖 1所示。

圖1 直流系統(tǒng)接地極線路連接方式

由圖 1可知，考慮到接地極線路最大流過(guò)電流可達(dá)數(shù)千安培，現(xiàn)有特高壓直流工程接地極線路采用同桿雙回并架的方式布置，兩回接地極線路并列運(yùn)行。桿塔常采用“十”字形塔，1根地線掛在塔頂，2根導(dǎo)線分掛在桿塔兩側(cè)，呈水平排列。每回接地極線路采用雙分裂導(dǎo)線，兩根子導(dǎo)線水平排列。

1.2 現(xiàn)有接地極線路保護(hù)配置

現(xiàn)有特高壓直流工程中接地極線路主要配置有如下3種保護(hù)：接地極線路過(guò)負(fù)荷保護(hù)、接地極線路不平衡保護(hù)和接地極線路阻抗監(jiān)視。其中接地極線路不平衡保護(hù)以及接地極線路阻抗監(jiān)視主要應(yīng)對(duì)接地極線路異常接地的工況，因此這里主要介紹不平衡保護(hù)以及阻抗監(jiān)視的原理。

1.2.1 接地極線路不平衡保護(hù)

如果接地極線路流過(guò)較大電流，一旦1條接地極線路發(fā)生接地或開(kāi)路，兩條線路會(huì)出現(xiàn)比較大的差流。根據(jù)這一原理，接地極線路不平衡監(jiān)測(cè)通過(guò)檢測(cè)接地極線路電流(IDEL1和IDEL2)計(jì)算兩條線路之間的差值以判斷線路是否發(fā)生故障。一旦保護(hù)被觸發(fā)，監(jiān)控平臺(tái)上將出現(xiàn)報(bào)警信息。

保護(hù)的判據(jù)及定值設(shè)置原則如下：

IDL_NOM=5 000 A；

保護(hù)判據(jù)：接地極線路差動(dòng)電流IDEL_DIFF=

|IDEL1-IDEL2|>Δ

典型定值：Δ1=0.02×IDL_NOM；

Δ>Δ1，延時(shí)1 s，告警。

1.2.2 接地極阻抗監(jiān)視策略

高壓直流輸電工程接地極線路采用雙回并架的方式將雙極不平衡電流輸送至接地極，雙回線路共用一套接地極線路阻抗監(jiān)視系統(tǒng)(electrode line impedance supervision，ELIS)對(duì)線路故障狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

ELIS系統(tǒng)在換流站內(nèi)向接地極線路注入13.95 kHz的高頻電流，同時(shí)對(duì)注入點(diǎn)的同頻電壓進(jìn)行檢測(cè)，并計(jì)算出接地極線路的阻抗。ELIS系統(tǒng)的動(dòng)作條件為

(1)

由此可見(jiàn)，ELIS系統(tǒng)的動(dòng)作特性為一個(gè)圓特性，如圖 2所示。圓外為保護(hù)動(dòng)作區(qū)，而圓內(nèi)為保護(hù)非動(dòng)作區(qū)。

圖2 ELIS動(dòng)作特性

(2)

當(dāng)ELIS裝置檢測(cè)到接地極線路的阻抗值滿足式(1)所示的條件，并持續(xù)一定時(shí)延，則向直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)發(fā)送接地極線路異常信號(hào)，并向值班人員報(bào)警或進(jìn)行相關(guān)操作。

為提高保護(hù)的可靠性并防止高頻電流注入換流站，在接地極線路兩端還分別串聯(lián)了一個(gè)截止頻率為13.95 kHz的帶阻濾波器。其中，為減少線路上的駐波效應(yīng)，接地極址側(cè)的濾波器還會(huì)配置并聯(lián)電阻，并聯(lián)電阻的阻值與接地極線路的波阻抗匹配。

2 接地極線路保護(hù)性能分析

在1.2節(jié)中介紹了接地極線路所配置的3種保護(hù)配置的原理，其中接地極線路不平衡保護(hù)以及接地極線路阻抗監(jiān)視主要應(yīng)對(duì)接地極線路異常接地的工況。以下將對(duì)這兩種保護(hù)的性能進(jìn)行分析。

2.1 接地極線路不平衡保護(hù)性能分析

接地極線路不平衡保護(hù)依賴于兩根線路間的差動(dòng)電流，對(duì)于±800 kV/5 000 A的特高壓直流輸電工程，其典型判據(jù)為

IDEL_DIFF=|IDEL1-IDEL2|>Iset

(3)

式中，Iset為不平衡保護(hù)門檻值，取為100 A。

為了校核該保護(hù)的靈敏度，忽略接地極線路中的暫態(tài)分量，僅考慮單回線路金屬接地的方式，可將雙回接地極線路等值為如圖 3所示的模型。

圖3 雙回接地極線路等值模型

利用圖 3可以得到

(4)

將式(4)代入式(3)，可得

(5)

因此，為保證保護(hù)可靠動(dòng)作，需滿足：

(6)

其中，

(7)

由此可見(jiàn)，線路不平衡監(jiān)測(cè)并不能保護(hù)線路全長(zhǎng)，可以得到以下結(jié)論：

1)雙極不平衡電流越小，保護(hù)靈敏度越低。雙極平衡運(yùn)行時(shí)，接地極線路單回接地并不能有效動(dòng)作，即使不平衡電流達(dá)到5 000 A，在線路末端依然有4%的死區(qū)。

2)當(dāng)單回線路出現(xiàn)非金屬性短路時(shí)，過(guò)渡電阻會(huì)使得保護(hù)靈敏度進(jìn)一步縮小。

3) 特別地，當(dāng)接地極線路雙回線路同點(diǎn)接地時(shí)，由于故障后兩根線路的電流依然相等，不平衡監(jiān)視無(wú)法可靠動(dòng)作。如2014年6月5日特高壓賓金直流調(diào)試期間線路雙回同點(diǎn)接地，在該故障下接地極線路不平衡監(jiān)視未能可靠動(dòng)作。

2.2 接地極線路阻抗監(jiān)視性能分析

接地極阻抗監(jiān)視通過(guò)對(duì)線路阻抗的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)故障狀態(tài)的判斷，由于雙極平衡運(yùn)行工況下接地極線路上無(wú)直流電流流過(guò)，為保證監(jiān)視功能的可靠性，阻抗監(jiān)視裝置將持續(xù)向線路注入13.95 kHz的高頻電流，用以進(jìn)行阻抗計(jì)算。

為了防止高頻電流侵入換流站，接地極線路兩側(cè)裝設(shè)了帶阻濾波器實(shí)現(xiàn)了對(duì)注入信號(hào)的阻斷，但由于接地極址側(cè)的濾波器裝置有并聯(lián)匹配電阻，因此在計(jì)算線路正常運(yùn)行時(shí)的阻抗，應(yīng)該計(jì)及并聯(lián)電阻的影響。

設(shè)定接地極址側(cè)濾波器并聯(lián)電阻阻值為Rp，則線路正常運(yùn)行的阻抗時(shí)Znormal可通過(guò)式(8)進(jìn)行計(jì)算。

(8)

式中，

(9)

特別地，接地極線路近似實(shí)現(xiàn)了末端并聯(lián)電阻對(duì)線路的完全匹配，使得

Znormal(s)≈Zc=Rp

(10)

當(dāng)采用注入法進(jìn)行接地極線路故障識(shí)別時(shí),由于注入信號(hào)的頻率往往數(shù)倍于工頻，電磁波的波長(zhǎng)也成比例地降低，因此在分析近百公里的輸電線路阻抗-距離特性時(shí)，必須考慮線路的分布參數(shù)模型。為便于理論分析與討論，將線路模型簡(jiǎn)化為無(wú)損均勻傳輸線路與集中參數(shù)電阻串聯(lián)的形式。

以下將推導(dǎo)線路故障后，測(cè)量阻抗與故障距離間的關(guān)系。由輸電線路波過(guò)程的微分方程推導(dǎo)，可以得到單回輸電線路上任意兩點(diǎn)間電壓、電流關(guān)系滿足：

(11)

(12)

(13)

式中：UK、UM分別是線路上K、M兩點(diǎn)的電壓；IK、IM分別是線路上K、M兩點(diǎn)的電流；Zc為輸電線路的波阻抗；γ為輸電線路的傳播系數(shù)；r1、L1、C1分別為線路單位長(zhǎng)度的電阻、電感和電容；l為線路上M點(diǎn)與K點(diǎn)間距離。設(shè)定M點(diǎn)為阻抗監(jiān)視裝置安裝處，而當(dāng)線路上K點(diǎn)發(fā)生金屬性短路故障時(shí)，有UK(s)=0。

將Uk(s)代入式(11)～式(13)，消去IK(s)，可以得到

(14)

式中，λin為注入信號(hào)的電磁波波長(zhǎng)。

由此可見(jiàn)，當(dāng)輸電線路首端注入角頻率為ωin的電流時(shí)，金屬性故障后阻抗監(jiān)視裝置檢測(cè)到的阻抗Zfault為

(15)

由式(15)可知，當(dāng)線路的故障距離小于λin/4時(shí)，線路的阻抗與故障距離間的關(guān)系具有單調(diào)性；當(dāng)輸電線路長(zhǎng)度超過(guò)λin/2時(shí)，一旦出現(xiàn)金屬性接地故障，阻抗監(jiān)視裝置測(cè)量到的阻抗虛部會(huì)隨故障距離在(-∞, +∞)范圍內(nèi)呈周期性變化，變化周期fZ滿足：

(16)

正是由于測(cè)量阻抗與故障距離間的周期性變化，導(dǎo)致阻抗監(jiān)測(cè)裝置無(wú)法采用傳統(tǒng)距離保護(hù)的整定原則，而是通過(guò)測(cè)量阻抗與正常阻抗的偏差進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但由于輸入阻抗頻率較高，阻抗的測(cè)量值受單位長(zhǎng)度的電感、電容值影響極大，單位長(zhǎng)度參數(shù)些許的變化，將會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值出現(xiàn)明顯變化。

由阻抗監(jiān)視原理整定方法可知，整定值Zset1是關(guān)于輸電線路單位長(zhǎng)度電阻、電感和電容的函數(shù)。然而，由于以下三點(diǎn)原因，通過(guò)實(shí)測(cè)方法獲得的線路參數(shù)往往存在著誤差：

1)輸電線路的電容、電感、電阻等物理量屬于頻變參數(shù)，利用低頻信號(hào)測(cè)得的線路參數(shù)直接使用勢(shì)必帶來(lái)誤差；

2)線路參數(shù)測(cè)試設(shè)備本身存在0.5%～2%的測(cè)量誤差；

3)隨著環(huán)境溫度、濕度等變化，線路參數(shù)也會(huì)略有變化。

設(shè)定線路參數(shù)的真實(shí)數(shù)值與實(shí)測(cè)結(jié)果如表 1所示。為突出特點(diǎn)，設(shè)定線路測(cè)量參數(shù)中僅有電容存在1%的誤差，電感、電阻測(cè)量結(jié)果則為準(zhǔn)確值。

表1 仿真系統(tǒng)中接地極線路實(shí)測(cè)參數(shù)

根據(jù)表 1所示參數(shù)，接地極線路正常運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)裝置安裝處監(jiān)測(cè)到的系統(tǒng)阻抗Znormal應(yīng)為

Znormal=247.326+j7.399 Ω

(17)

而根據(jù)實(shí)測(cè)參數(shù)得到的整定值為

Zset1=251.482+j17.285 Ω

(18)

兩者之間的歐氏距離達(dá)到10.72 Ω。

設(shè)定接地極線路在4 km處出現(xiàn)金屬性短路故障，根據(jù)仿真結(jié)果，該工況下監(jiān)測(cè)裝置安裝處檢測(cè)到的阻抗Zm為

Zm=249.234+j42.481 9 Ω

(19)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，有

|Zm-Znormal|=35.14 Ω

(20)

|Zm-Zset1|=25.30 Ω

(21)

由此可見(jiàn)，雖然故障時(shí)監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到的阻抗與正常運(yùn)行點(diǎn)阻抗間的偏差大于30 Ω，但由于檢測(cè)阻抗與整定值間偏差小于30 Ω，根據(jù)傳統(tǒng)ELIS的動(dòng)作特性，監(jiān)測(cè)裝置出現(xiàn)拒動(dòng)。

3 接地極線路保護(hù)改進(jìn)及故障隔離建議

由上述分析可知，目前的接地極線路保護(hù)動(dòng)作性能不佳，容易產(chǎn)生拒動(dòng)，且動(dòng)作結(jié)果缺乏有效的故障隔離手段。針對(duì)上述問(wèn)題，可從以下兩方面開(kāi)展對(duì)策研究。

3.1 改進(jìn)保護(hù)策略

針對(duì)接地極組成結(jié)構(gòu)，分別在兩條接地極線路的近站端和極址端安裝專用的電子式電流互感器，在原有接地極不平衡保護(hù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)，通過(guò)橫向和縱向比較兩條接地極線路的差動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)對(duì)故障類型的辨識(shí)，提高保護(hù)動(dòng)作的靈敏性和可靠性[6]。

3.2 提高保護(hù)隔離故障的能力

接地極線路保護(hù)均已告警作為出口，后續(xù)的故障隔離均需依賴人工進(jìn)行。因此，在接地極線路保護(hù)出口后增加合理的順序控制行為，是提高保護(hù)有效隔離故障能力的重要保障?？煽紤]以下3種隔離故障的順序控制行為：

1)自動(dòng)雙極平衡功能；

2)自動(dòng)大地回線方式轉(zhuǎn)金屬回線方式功能；

3)利用NBGS輔助熄弧功能。

4 結(jié)論及建議

在掌握接地極線路不平衡保護(hù)和阻抗監(jiān)視原理的基礎(chǔ)上，理論分析了兩種保護(hù)的保護(hù)性能，得到以下結(jié)論：

1)接地極線路不平衡保護(hù)無(wú)法保護(hù)接地極線路全長(zhǎng)，保護(hù)的靈敏性與雙極不平衡電流和過(guò)渡電阻有關(guān)，不平衡電流越小，保護(hù)靈敏性越低；過(guò)渡電阻越大，保護(hù)靈敏性越低。同時(shí)，不平衡保護(hù)不具備監(jiān)測(cè)接地極線路雙回線同點(diǎn)故障的能力。

2)由于注入信號(hào)的頻率過(guò)高，阻抗監(jiān)視裝置的測(cè)量阻抗與故障距離呈現(xiàn)周期變化，傳統(tǒng)距離保護(hù)的整定原則無(wú)法適用。利用測(cè)量阻抗與正常阻抗偏差實(shí)現(xiàn)的整定方法受線路參數(shù)變化的影響，導(dǎo)致阻抗監(jiān)視在實(shí)際運(yùn)行中有拒動(dòng)的可能。

3)進(jìn)一步改進(jìn)接地極線路的保護(hù)策略，提高保護(hù)的故障隔離能力，是保證直流系統(tǒng)安全運(yùn)行的有效措施。

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Grounding electrode line protection is one of the most important protections of UHVDC transmission system. The field operation indicates that the present grounding electrode line protection has some defects. The protection configuration of grounding electrode line is introduced and the performance of grounding electrode line protection is analyzed theoretically. Finally, the relative suggestions are proposed as viewed from protection strategy and fault isolation according to the exsiting problems of the present grounding electrode line protection.

grounding electrode line; unbalance protection; impedance supervision; performance analysis; fault isolation

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016M592659)

TM773

A

1003-6954(2017)01-0084-05

2016-10-03)

張 純(1985)，工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊姡?/p>

滕予非(1984)，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊姟?/p>