特高壓直流雙極輸電線路間互感的仿真研究

周興遠(yuǎn)

摘 要：溪洛渡至浙江金華特高壓直流輸電線路在一極故障重啟動(dòng)過程中引起健全極保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作。文章針對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究，指出故障極在重啟動(dòng)時(shí)由于線路耦合在健全極上產(chǎn)生感應(yīng)電磁電流，引起健全極電壓突變量保護(hù)功能動(dòng)作，導(dǎo)致健全極功率短時(shí)間大幅下降。建立了特高壓直流輸電線路模型，推導(dǎo)線路間電磁耦合解析方程式，分析故障時(shí)的直流電壓電流波形特征。并且分析了不同工況下一極故障在另一極上產(chǎn)生感應(yīng)電磁電流的波形特征。最后介紹已有的電壓突變量保護(hù)功能的優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：特高壓直流；直流控制保護(hù)系統(tǒng)；電磁耦合；直流線路故障；試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TM726 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）22-0195-02

1 概述

2014年7月溪浙特高壓直流運(yùn)行中，直流極I直流線路故障，兩次全壓再啟動(dòng)成功。受極I直流線路故障影響，極II直流線路產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，滿足直流線路電壓突變量保護(hù)動(dòng)作條件，極II因直流線路保護(hù)動(dòng)作而閉鎖。在后續(xù)的仿真試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，直流線路一極發(fā)生故障，即使健全極直流線路保護(hù)不動(dòng)作，也會(huì)因?yàn)橹绷骶€路間的電磁感應(yīng)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，產(chǎn)生較大的功率缺額，對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，高壓直流線路故障占直流系統(tǒng)故障的50%，但是直流線路保護(hù)的正確動(dòng)作率只有50%，有近一半的直流輸電線路故障是由控制系統(tǒng)響應(yīng)動(dòng)作，造成直流系統(tǒng)閉鎖，引起不必要的停運(yùn)。因此，提高高壓直流輸電系統(tǒng)控制保護(hù)性能，對(duì)優(yōu)質(zhì)，穩(wěn)定的供電起到至關(guān)重要的作用。

針對(duì)上述問題，本文主要介紹了雙極直流線路互感的機(jī)理分析和其他雙極運(yùn)行方式下的情況。

2 互感的機(jī)理分析

根據(jù)多導(dǎo)體傳輸理論，雙極直流線路電氣參數(shù)主要有自阻抗，互阻抗，自導(dǎo)納和互導(dǎo)納。自阻抗包括自電阻和自電感，互阻抗包括互電感（互電阻忽略），自導(dǎo)納包括對(duì)地電容（對(duì)地電導(dǎo)忽略），互導(dǎo)納包括互電容。雙極直流線路之間通過自阻抗，互阻抗，自導(dǎo)納和互導(dǎo)納相互耦合。列寫長(zhǎng)度為Δz導(dǎo)體的KVL和KCL的方程。

為獲得雙極直流線路之間相互耦合的關(guān)系，可以將KCL方程帶入KVL方程，得到電壓方程，將KVL方程帶入KCL方程，可得電流方程。帶入后的方程式即為雙極直流線路之間相互耦合的方程式。

在故障極發(fā)生故障的瞬間，健全極上感應(yīng)電壓主要通過極導(dǎo)線的自電阻、互電阻和互電感及故障極電壓和電流變化產(chǎn)生，而健全極上感應(yīng)電流主要通過極導(dǎo)線的自電阻、互電容及故障極電壓和電流。

3 故障極恢復(fù)過程中健全極的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流

雖然不同廠家的換流器在故障后的恢復(fù)特性有差異，但根據(jù)部分換流器在直流線路恢復(fù)過程中的實(shí)際控制特性，且為了簡(jiǎn)化分析過程，把故障極電壓和電流的恢復(fù)過程分為三個(gè)階段，各個(gè)階段電壓和電流變化具有大致如下特性：

第一階段：電壓首先開始快速恢復(fù)，電流尚未開始恢復(fù)。故障極的電壓上升速度很快，約為30～60kV/ms，持續(xù)時(shí)間約為10～20ms。

在故障極電壓和電流恢復(fù)的第一個(gè)階段，將在健全極上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，感應(yīng)電壓主要由線路電阻、互電容參數(shù)、線路長(zhǎng)度及故障極電壓恢復(fù)速率決定，而感應(yīng)電流主要由線路互電容參數(shù)、線路長(zhǎng)度及故障極電壓恢復(fù)速率決定。由多導(dǎo)體參數(shù)的一般關(guān)系及高壓直流輸電系統(tǒng)的一般控制特性可知，在故障極電壓和電流恢復(fù)的第一個(gè)階段，在健全極上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓較低和感應(yīng)電流都很低，感應(yīng)電流方向與健全極上原電流方向一致。

第二階段：電壓恢復(fù)速度降低，已經(jīng)基本恢復(fù)完畢，而電流開始快速開始恢復(fù)。故障極的電壓上升速度降低，約為2～4kV/ms；而故障極電流恢復(fù)速率很快， 約為40～80A/ms，持續(xù)時(shí)間約為50ms～100ms。

在故障極電壓和電流恢復(fù)的第二階段，電壓恢復(fù)速度降低，電流快速開始恢復(fù)。也就是說，故障極電壓和電流同時(shí)在恢復(fù)。這個(gè)階段，是分析雙極直流系統(tǒng)故障極恢復(fù)過程中在健全極上感應(yīng)電壓和電流的主要階段。由多導(dǎo)體參數(shù)的一般關(guān)系及高壓直流輸電系統(tǒng)的一般控制特性可知，在故障極電壓和電流恢復(fù)的第二個(gè)階段，在健全極上產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，其方向與健全極原電壓方向相反，使得健全極上的電壓絕對(duì)值降低；而在健全極上產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向與健全極上原電流方向一致，使得健全極上原電流增加。如前述，故障極的電壓和電流在同時(shí)恢復(fù)過程當(dāng)中，在健全極上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，此電壓會(huì)使得健全極上電壓的絕對(duì)值降低。從健全極上感應(yīng)電壓表達(dá)式可以看出，其主要通過極導(dǎo)線之間的互電感耦合產(chǎn)生。同時(shí)，通過雙極直流線路的互電感還會(huì)在健全極上產(chǎn)生感應(yīng)電流，此感應(yīng)電流幅值很大，方向與健全極中的電流方向一致。

在故障極電壓和電流恢復(fù)的第三階段，電壓恢復(fù)完畢，電流恢復(fù)速度降低，但電流在繼續(xù)恢復(fù)中。其實(shí)，也可以將第三階段看成是第二個(gè)階段的特例，認(rèn)為在第二階段，電壓已經(jīng)恢復(fù)完畢。

如果故障極電壓恢復(fù)速度非?？欤诖蠹s10ms～20ms完全恢復(fù)完畢，則可以用此第三階段來分析健全極上的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。如果故障極電壓和電流同時(shí)恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，則應(yīng)該用第二階段來分析健全極上的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。

進(jìn)一步總結(jié)，在故障極電壓和電流同時(shí)恢復(fù)過程中，引起健全極電流絕對(duì)值大于其指令值的主要原因?yàn)椋汗收蠘O電壓和電流以較快速度恢復(fù)；引起健全極電流絕對(duì)值開始減小的主要原因?yàn)椋航∪珮O整流側(cè)增加觸發(fā)角，健全極整流側(cè)電壓絕對(duì)值低于健全極逆變側(cè)電壓絕對(duì)值，健全極自身電壓以較快速度開始下降， VDCOL有可能啟動(dòng)；引起健全極整流側(cè)電壓絕對(duì)值低于健全極逆變側(cè)電壓絕對(duì)值的主要原因?yàn)椋航∪珮O整流側(cè)增加觸發(fā)角。

4 兩極線路間互感的仿真分析

為了分析驗(yàn)證高壓雙極直流輸電線路一極發(fā)生接地故障對(duì)另一健全極的影響，本章用PSCAD仿真軟件對(duì)高壓直流輸電線路模型進(jìn)行了仿真，通過仿真分析不同運(yùn)行工況和不同故障狀態(tài)下對(duì)健全極的擾動(dòng)，并根據(jù)改進(jìn)措施驗(yàn)證了控制策略的可行性與有效性。

4.1 運(yùn)行電壓對(duì)雙極相互感應(yīng)的影響（故障位置在線路中點(diǎn)）

根據(jù)雙極直流線路參數(shù)及故障極電壓和電流的變化特性，一極發(fā)生故障后，當(dāng)故障極電流絕對(duì)值在上升期間，將會(huì)在健全極上產(chǎn)生與原來電壓方向相反的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，使得健全極上電壓絕對(duì)值首先下降，而健全極上的電流絕對(duì)值也會(huì)出現(xiàn)明顯下降。

當(dāng)故障極電流絕對(duì)值開始下降后，會(huì)在健全極上產(chǎn)生與原來電壓方向相同的感應(yīng)電壓，使得健全極上電壓絕對(duì)值開始上升，而健全極上的電流絕對(duì)值繼續(xù)會(huì)出現(xiàn)明顯下降。

根據(jù)仿真分析，一極全壓運(yùn)行另一極半壓運(yùn)行時(shí)，一極線路發(fā)生故障，健全極功率缺額現(xiàn)象最為嚴(yán)重。

4.2 故障位置對(duì)雙極相互感應(yīng)的影響

雙極站間通訊正常，雙極功率控制，一級(jí)全壓一級(jí)半壓，雙極運(yùn)行，功率正送指令8000MW。

根據(jù)仿真分析雙極直流輸電線路一級(jí)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)使得健全極電壓大幅下降，距離故障點(diǎn)遠(yuǎn)端的健全極的電壓下降最為明顯，極有可能導(dǎo)致健全極VDCOL保護(hù)動(dòng)作引起極閉鎖。

5 關(guān)于VDCOL的改進(jìn)措施驗(yàn)證

根據(jù)前文分析當(dāng)一極線路的電流在一定時(shí)間內(nèi)快速變化時(shí)，將在另一極線路產(chǎn)生感應(yīng)電流。此感應(yīng)電流會(huì)使得健全極的保護(hù)誤動(dòng)作從而導(dǎo)致功率的短時(shí)間內(nèi)大幅度下降。當(dāng)前采取的改進(jìn)措施是在一極線路故障時(shí)，將另一極VDCOL功能暫時(shí)閉鎖一段時(shí)間。

5.1 VDCOL改進(jìn)邏輯控制原理

當(dāng)另一極處在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，并且在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了故障。在故障重啟動(dòng)命令出現(xiàn)時(shí)，300ms內(nèi)VDCOL內(nèi)部計(jì)算直流電壓不再取值實(shí)際直流電壓，而是強(qiáng)制取值1.0pu（單閥組運(yùn)行取400kV，雙閥組運(yùn)行取800kV）。

5.2 VDCOL改進(jìn)成果

改進(jìn)后雖然仍然會(huì)產(chǎn)生在健全極上產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，使得系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整直流電壓下降，但是避免了VDCOL保護(hù)動(dòng)作，雙極功率下降量明顯減少，并很快恢復(fù)至額定功率。

6 結(jié)束語

本文針對(duì)一次實(shí)際工程中的直流閉鎖事件，為進(jìn)一步排查隱患并分析特高壓直流輸電線路故障對(duì)控制保護(hù)功能的影響，本文對(duì)事件線路溪浙特高壓直流輸電線路展開了仿真分析：分析了在雙極直流輸電下單極發(fā)生故障，對(duì)另一極的影響。并指出導(dǎo)致非故障極電壓突變量保護(hù)動(dòng)作閉鎖的原因是故障極直流電流在快速恢復(fù)過程中由于線路之間的電磁耦合現(xiàn)象在健全極上產(chǎn)生感應(yīng)電流，使得短時(shí)間內(nèi)電流不受控制。最終導(dǎo)致嚴(yán)重的功率缺額現(xiàn)象。根據(jù)建立的仿真模型，對(duì)影響雙極線路互感的因素進(jìn)行研究，并分析其他運(yùn)行模式下線路互感的情況。

本文研究的特高壓雙極線路之間互感影響因素，有利于我國進(jìn)一步深入掌握直流輸電關(guān)鍵技術(shù)和可有效提高我國特高壓交直流輸電骨干網(wǎng)架的可靠性和穩(wěn)定性，不僅對(duì)完善特高壓雙極輸電線路的相關(guān)理論體系將發(fā)揮一定的推動(dòng)作用，還對(duì)于我國以后建設(shè)特高壓直流工程發(fā)揮重要的作用，實(shí)現(xiàn)電力工業(yè)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

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