特高壓直流輸電系統(tǒng)接地極線路保護配置方案優(yōu)化建議

劉俊杰，李 琨，陳滄楊，李煜鵬，劉 鑫

(1.國家電網(wǎng)公司運行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072；3.國網(wǎng)山東省電力公司莒縣供電公司，山東 日照 276500)

特高壓直流輸電系統(tǒng)接地極線路保護配置方案優(yōu)化建議

劉俊杰1，李 琨1，陳滄楊2，李煜鵬1，劉 鑫3

(1.國家電網(wǎng)公司運行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072；3.國網(wǎng)山東省電力公司莒縣供電公司，山東 日照 276500)

接地極是特高壓直流輸電系統(tǒng)中重要的組成部分，結(jié)合賓金直流接地極調(diào)試及投運以來發(fā)生的兩起接地極引線斷線事件，尤其是2015年7月13日接地極引線1斷線接地事件，利用單位電流法計算故障支路的電流分布系數(shù)，理論分析接地極線路接地和斷線故障時電流變化特征，深入分析目前賓金直流接地極保護策略配置存在的缺陷，將縱聯(lián)差動保護與不平衡保護相結(jié)合，形成一種能準確判斷故障類型的新型保護配置方法，優(yōu)化目前的保護動作策略，能有效提高接地極系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

接地極；縱聯(lián)差動保護；單位電流法；電流分布系數(shù)；不平衡保護

0 引 言

接地極系統(tǒng)在特高壓直流輸電系統(tǒng)中起著重要作用，它的主要作用是鉗制中性點電位以及在單極大地回線方式運行時為直流輸電系統(tǒng)提供回路[1]，如果接地極線路發(fā)生故障時會對直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響，將直接威脅輸電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定[2]。一般而言，接地極距離換流站幾十至一百千米之間，主要是為了在單極大地回線方式下運行時接地極電流盡可能少地影響換流站等其他設(shè)施。比如賓金直流整流站的接地極距離宜賓站101.062 km。當賓金直流雙極平衡運行時，流入接地極的不平衡電流很小，一般不超過十幾安培；當直流以單極大地回線方式運行時，尤其在額定負荷運行時，流入接地極的電流達上千安培[3]。根據(jù)賓金直流接地極1年的運行情況來看，在目前的保護配置下，要準確判斷出故障類型，實現(xiàn)對接地極故障的可靠保護是十分困難的。通過賓金直流接地線路調(diào)試和投運以來的兩起引線斷線事件，發(fā)現(xiàn)目前的接地極引線保護并不完善。

結(jié)合賓金直流接地引線保護的配置策略及事故實例，從理論上分析在單極大地回線方式下接地故障和斷線故障時接地極引線上電流的變化量，引入交流線路中應(yīng)用較為成熟的縱聯(lián)電流差動保護，進一步優(yōu)化原有的接地極引線保護方案。

1 單極大地回線下接地極線路故障類型特點

根據(jù)賓金直流大地回線的運行方式，將其等效為如圖1所示模型。結(jié)合圖1對接地極線路短路和斷線故障現(xiàn)象進行對比分析。

圖1 單極大地回線運行方式等效模型

圖1中宜賓站接地極線路模型進一步簡化如圖2所示。Ⅰ號接地極線路阻抗為Z1，Ⅱ號接地極線路阻抗為Z2，此時接地線路阻抗Z=Z1‖Z2。

圖2 宜賓站接地極線路等效電路圖

1.1 接地極線路發(fā)生接地故障后接地極線路阻抗變化

當宜賓站至共樂接地極接地線路Ⅰ發(fā)生接地故障時，如圖3所示。Z3為接地點到宜賓站接地極出線等值阻抗，Z4為接地點到接地極址的線路等值阻抗，有Z3+Z4=Z1，Zg0為接地點的等值阻抗。

圖3 宜賓站接地極線路接地故障等效電路圖

發(fā)生接地故障后，無論是高阻接地、低阻接地還是接地短路，總有Z3+Z4//Zg0

1.2 接地極線路發(fā)生斷線故障后接地極線路阻抗變化

當接地極線路發(fā)生斷線故障后，等效短路圖如圖4所示。接地極線路總阻抗Z2>Z，Z為未發(fā)生斷線之前接地極總阻抗。

圖4 宜賓站接地極線路斷線故障等效電路圖

因此，當宜賓站接地極線路發(fā)生斷線故障之后，由于線路阻抗及金華站回路電抗沒有變化，宜賓站接地極回路阻抗變大，直流輸電系統(tǒng)回路中總的阻抗變大，直流輸電系統(tǒng)中電流減小。未斷線線路出現(xiàn)較大的電流，斷線線路電流為0。

綜上所述，當接地極系統(tǒng)發(fā)生接地或斷線故障后，系統(tǒng)中電氣量的變化如表1所示。

表1 單極大地回線下接地極引線接地和斷線故障后直流系統(tǒng)電氣量變化

2 賓金直流接地極保護配置及缺陷分析

2.1 賓金直流接地極引線過負荷保護及動作策略

賓金直流輸電系統(tǒng)接地極過負荷保護是采用許繼公司設(shè)計的保護策略[4]，其工作原理是檢測接地極引線電流(IDEL1和IDEL2)是否超過定值，其保護具有定時限特性。保護判據(jù)及定值設(shè)置為

|IDEL1|>Δ1或|IDEL2|>Δ1；ID_NOM=5 000 A

典型定值為Δ1=0.75×ID_NOM。

表2 賓金直流接地極引線過負荷保護配置及動作策略

2.2 賓金直流接地極不平衡保護及動作策略

賓金直流輸電系統(tǒng)接地極不平衡保護的工作原理是采用橫聯(lián)差動保護原理[4]，即測量兩條接地極線路上的電流差值，如果當一根接地極線路發(fā)生接地或開路時會有比較大的差流，其動作策略為不平衡值達到動作值之后，發(fā)告警信號。動作判據(jù)為

IDEL_DIFF=|IDEL1-IDEL2|>Δ1；ID_NOM=5 000 A

典型定值為Δ1=0.02×ID_NOM

延時1 s，告警。其中IDEL1、IDEL2分別為兩條接地極引線的電流。

表3 賓金直流接地極引線不平衡保護配置及動作策略

2.3 目前賓金直流接地極保護配置存在的缺陷

通過這些年接地極引線系統(tǒng)運行情況來看，接地極引線最常見的故障是接地故障和斷線故障。賓金直流不平衡保護，無論單極或雙極運行時發(fā)生斷線還是接地故障，動作后果都是告警。顯然這種配置策略是不合理的，因為當發(fā)生引線斷線故障后，這類故障屬于永久性故障，應(yīng)采用極閉鎖的保護策略，而不僅僅只是告警。

由第1節(jié)分析可知，當某一條接地極引線發(fā)生斷線故障時，其主要特征是該斷線引線無電流流過。當某一條接地引線發(fā)生近站點接地故障時，將造成大部分電流流入故障點，會導(dǎo)致另一條線路測量電流值很小或是接近于0。在這兩類故障情況下，電流大小會表現(xiàn)出相似的特征，兩條引線都會出現(xiàn)較大的電流差值，因此目前賓金直流的接地極保護判據(jù)是無法準確判斷是斷線故障還是接地短路故障。同時，當接地極線路中的一條引線斷線，將造成另一條線路長時間過流，對設(shè)備壽命造成巨大影響，甚至會進一步造成兩條引線同時斷線的嚴重后果。

表4 賓金直流接地極過負荷及不平衡保護動作策略缺陷

2.4 賓金直流接地極導(dǎo)線接地斷線實例

賓金直流接地極線路自2014年6月以來，發(fā)生過2次接地極線路斷線事件。第1次是賓金直流系統(tǒng)調(diào)試期間直流偏磁測試試驗時，運行方式為大地回路4 000 A運行，接地極址線路斷線故障，發(fā)生故障后，在現(xiàn)有的接地極保護下，不平衡保護和過負荷均無任何報警。第2次是2015年7月13日，賓金直流滿負荷運行時極2直流閉鎖，賓金、復(fù)奉直流共樂接地極線路電流瞬時增大，導(dǎo)致接地極線路引線1過負荷斷裂。

圖5 中性極線操作過電壓及直流系統(tǒng)電壓、電流變化

圖6 接地極引線斷線故障后等效電路圖

7月13日事件過程中，由于宜賓站至共樂接地極線路上產(chǎn)生操作過電壓，其峰值高達40 kV，持續(xù)時間12 ms，導(dǎo)致11號桿塔絕緣子串擊穿后，接地極電流向避雷線和桿塔分流入地，隨后過熱導(dǎo)線在沖擊力、張力及電流發(fā)熱的共同作用下斷裂。

由于流入接地極電流為直流，線路電抗XL很小，計算時電抗可忽略不計，直接考慮電阻。宜賓站接地極線路導(dǎo)線電阻為0.065 5 Ω/km，避雷線電阻為1.79 Ω/km，11號塔接地電阻約為9 Ω。下面根據(jù)單位電流法[5]計算流經(jīng)避雷線及接地引線的電流，各支路分布系數(shù)計算等效圖如圖6所示(由于經(jīng)過兩級分流后，流經(jīng)R8之后的電流相對于較小，可忽略不計)。

根據(jù)圖6，各支路分布系數(shù)計算式如下：

通過具體線路參數(shù)及上式可得出各支路電流分布系數(shù)為

k1=0.883；k2=0.117；

k1a=0.117；k1b=0.776；

k1b1=0.314；k1b2=0.314；k1b3=0.138。

在IDNE為6 000 A電流下，計算結(jié)果為

流過避雷線的電流為k1b2×6 000=1 884 A；

流過 Ⅰ 引線的電流為IDEL1=k1×6 000=5 298 A；

流過 Ⅱ 引線的電流為IDEL2=k2×6 000=702 A；

根據(jù)以上計算出的分流結(jié)果，與故障錄波中故障后的電流實際值基本吻合，故障錄波IDEL1、IDEL2電流值如圖7所示。

根據(jù)宜賓站接地極目前保護配置策略，在單極大地回線運行方式下，線路電流大于額定電流的75%即3 750 A時，滿足過負荷保護動作判據(jù)，系統(tǒng)延時120 s啟動功率回降。而現(xiàn)場接地極保護實際動作結(jié)果為過負荷保護不平衡保護報警。過負荷保護并沒有啟動功率回降，說明過負荷保護定值不合理，延時太長。

圖7 接地極引線斷線故障前后故障錄波圖

綜上所述，目前接地極系統(tǒng)保護策略缺陷如下：

1)接地極不平衡保護判據(jù)無法判斷故障是接地故障還是斷線故障；

2)接地極不平衡保護的保護動作策略不完善，無論是斷線永久故障還是接地瞬時故障，只有告警；

3)單極大地運行方式下，接地極過負荷保護的定值設(shè)定不合理，延時太長。

3 基于縱聯(lián)電流差動原理的接地極引線保護改進方案及優(yōu)化建議

通過上述分析，可以看出，目前宜賓站接地極線路保護配置的缺陷是真實存在且無法滿足目前運行要求。分析原因是：現(xiàn)有的不平衡保護是基于橫聯(lián)差動保護原理設(shè)計，設(shè)計中只在2條接地極引線的首端安裝2個電流互感器，根據(jù)引線中的橫差電流進行故障判斷。設(shè)計如圖8所示，雖然這種方法簡單方便，但是從運行1年接地極出現(xiàn)的故障來看，亟待改進。

圖8 宜賓站接地極線路電流互感器配置圖

針對單極大地回線方式下故障類型的特點，提出基于縱聯(lián)差動保護[6]與橫聯(lián)差動保護原理相結(jié)合的接地極故障判別方法，即在接地極引線的近站端和極址端均安裝電流互感器。如圖9所示，采集接地極首末兩端的電流，利用縱差電流保護與現(xiàn)有的橫差電流保護(不平衡保護)進行配合。

圖9 宜賓站接地極線路電流互感器配置改進方案圖

圖9中P1、P2、P3、P4測量電流值為I1、I2、I3、I4，縱聯(lián)差動保護的動作值為Iset1、Iset2，其值依照躲過電流互感器不平衡電流值設(shè)定。原不平衡保護的動作值為Iset2=0.02×IDL_NOM。

1)接地極線路發(fā)生斷線故障時

當|I1-I3|>0.02×IDL_NOM且I1=I2≈0時，可以判斷接地極引線Ⅰ發(fā)生斷線故障；

當|I1-I3|>0.02×IDL_NOM且I3=I4≈0時，可以判斷接地極引線Ⅱ發(fā)生斷線故障；

當|I1-I2|>Iset1，|I3-I4|>Iset1，且I2=I4≈0時，可以判斷接地極引線發(fā)生雙斷線故障。

2)接地極線路發(fā)生接地故障時

當|I1-I2|>Iset1，可以判斷接地極引線Ⅰ發(fā)生接地故障；

當|I3-I4|>Iset1，可以判斷接地極引線Ⅱ發(fā)生接地短路故障；

當|I1-I2|>Iset1且|I3-I4|>Iset1，可以判斷接地極發(fā)生雙引線接地故障。

3)接地極線路發(fā)生復(fù)雜故障時

當|I1-I2|>Iset1，|I1-I3|>0.02×IDL_NOM且I2≈0時，可以判斷接地極引線Ⅰ發(fā)生斷線接地短路故障；

當|I3-I4|>Iset1，|I1-I3|>0.02×IDL_NOM且I4≈0時，可以判斷接地極引線Ⅱ發(fā)生斷線接地短路故障；

當|I1-I2|>Iset1，|I3-I4|>Iset1，|I1-I3|>0.02×IDL_NOM且I2=I4≈0時，可以判斷接地極發(fā)生雙引線斷線接地短路故障。

通過第2節(jié)分析可知，賓金直流目前的接地極保護動作策略不能完全滿足運行條件，因此建議在單極大地回線運行方式時發(fā)生接地極引線斷線故障的情況下閉鎖直流。當發(fā)生接地極線路接地短路故障時，雖然多為瞬時故障時，但直流往往無法自行滅弧，需要將直流停運后進行滅弧，因此建議移相重啟，重啟不成功則閉鎖直流。具體優(yōu)化方案如表5所示。

表5 優(yōu)化方案判據(jù)及建議動作策略表

4 結(jié)論及建議

通過對賓金直流7·13接地極引線1斷線故障分析，發(fā)現(xiàn)目前賓金直流接地極保護動作策略存在較大缺陷。對此，借鑒交流輸電線路的縱聯(lián)電流差動原理，根據(jù)接地極引線發(fā)生斷線和接地故障情況下電氣參數(shù)的變化特征，提出相應(yīng)的改進措施，實現(xiàn)了對故障類型準確快速的識別。為保證接地極線路運行的安全與穩(wěn)定，提出以下建議：

1)建議在原有的不平衡保護的基礎(chǔ)上增加縱聯(lián)差動電流保護，以便準確判斷故障類型，詳見表5。

2)單極大地回線運行方式下發(fā)生接地極引線斷線或斷線接地短路故障，因其是永久性故障，建議將動作策略由“告警”改為“極閉鎖”。在雙極大地回線運行方式下發(fā)生斷線或斷線接地短路故障，建議將動作策略由“告警”改為“平衡雙極電流”。

3)單極大地回線運行方式下發(fā)生接地極引線接地故障，建議將動作策略由“告警”改為“極重啟，重啟不成功極閉鎖”。雙極大地回線運行方式下發(fā)生接地故障，建議將動作策略由“告警”改為“平衡雙極電流”。

4)針對單極大地回線運行方式下，在接地極過負荷保護中，建議減小啟動功率回降的時間。

5)建議加大接地極線路設(shè)計裕度，在一側(cè)引線出現(xiàn)接地故障后，另一側(cè)引線應(yīng)能完全滿足系統(tǒng)大負荷運行要求。

[1] 趙畹君. 高壓直流輸電工程技術(shù)[M]. 北京:中國電力出版社, 2014.

[2] 郭琦, 韓偉強. 高壓直流接地極過壓保護反事故措施的仿真研究[C].南方電網(wǎng)技術(shù)論壇, 2009.

[3] 余江, 周紅陽, 黃佳胤，等.接地極線路不平衡保護的相關(guān)問題研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù), 2008, 2(3):26-29.

[4] G20121130, 溪洛渡左岸-浙江金華±800 kV特高壓直流輸電工程直流控制保護系統(tǒng)[B].

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[6] 王穎, 王玉東. 超高壓線路縱聯(lián)保護配置方案[J].電力系統(tǒng)自動化, 2002, 26(22):62-65.

Grounding electrode is the most important part of UHVDC transmission system. The comprehensive analysis for two broken faults in grounding electrode wire of Bin-Jin transmission system is given which ocurred in commissioning period and operation period, especially broken fault ocurred in line-1 on July 13, 2015. The change characteristics of current with ground fault and broken fault in grounding line are analyzed by using unit current method to calculate the current distribution factor of fault branch. Based on deeply analysing the defects of current protection configuration and action strategy, a new protection configuration is proposed combing with longitudinal differential protection and unbalance protection. The method can judge the fault type accurately. And also the optimized action strategies is given which will effectively improve the stability of the grounding electrode system.

grounding electrode; longitudinal differential protection; unit current method; current distribution factor; unbalance protection

TM721.1

B

1003-6954(2017)01-0089-06

2016-09-02)

劉俊杰(1989)，助理工程師，研究方向為特高壓直流輸電；

李 琨(1985)，助理工程師，研究方向為特高壓直流輸電；

陳滄楊(1988)，工程師，研究方向為特高壓直流輸電控制保護。