高壓直流輸電線路暫態(tài)保護(hù)分析與展望

廖毅敏

摘 要：高壓直流輸電系統(tǒng)以其輸送距離長、功率大、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢在電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，其運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性要求很高?？焖偾谐到y(tǒng)中故障成為系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備、提供優(yōu)質(zhì)電能的有效措施之一。從現(xiàn)有直流輸電工程運(yùn)行可見，線路故障是系統(tǒng)停運(yùn)主要原因，且現(xiàn)有直流線路保護(hù)存有缺陷。因此迫切需要進(jìn)行直流輸電線路保護(hù)研究、提高直流輸電線路保護(hù)可靠性?；诖耍疚闹饕獙Ω邏褐绷鬏旊娋€路暫態(tài)保護(hù)與展望進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電線路;暫態(tài)保護(hù);展望

1、前言

目前國內(nèi)的所有直流輸電控制與保護(hù)系統(tǒng)均采用ABB和西門子的裝備和技術(shù)。高壓直流線路保護(hù)通常采用行波保護(hù)作為主保護(hù)，微分欠壓保護(hù)作為行波保護(hù)的后備保護(hù)，縱聯(lián)電流差動保護(hù)作為直流線路發(fā)生高阻短路時的后備保護(hù)及前二者的后備保護(hù)。大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與研究表明，上述高壓直流輸電保護(hù)的原理、方案以及配置有較大缺陷，多起直流輸電系統(tǒng)的閉鎖停運(yùn)事故是由于保護(hù)的誤動和拒動引起的。研究高速、可靠、高靈敏度的行波保護(hù)新原理和方案是高壓直流輸電系統(tǒng)亟待解決的問題。

2、現(xiàn)有高壓直流輸電線路單端暫態(tài)保護(hù)原理

目前國內(nèi)外學(xué)者研究高壓直流輸電線路暫態(tài)保護(hù)的基本思想是：平波電抗器、直流濾波器構(gòu)成高壓直流輸電線路邊界，該邊界對高頻量有很強(qiáng)的衰減，利用保護(hù)元件來區(qū)分本端的區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障?？梢苑Q之為利用保護(hù)元件區(qū)分本端區(qū)內(nèi)外故障的高壓直流輸電線路單端電壓暫態(tài)保護(hù)原理，該暫態(tài)保護(hù)原理如圖1所示。

現(xiàn)有利用保護(hù)元件區(qū)分本端區(qū)內(nèi)外故障的特高壓直流輸電線路單端電壓暫態(tài)保護(hù)原理的基本原理為：直流輸電線路的兩端均加裝有平波電抗器和直流濾波器，平波電抗器和直流濾波器構(gòu)成直流輸電線路固有的邊界。該直流輸電線路邊界的頻率特性為：高壓直流輸電線路邊界是一個低通濾波器，對高頻量有很強(qiáng)的衰減作用。該原理忽略直流輸電線路的影響，即不考慮直流輸電線路對高頻量的衰減作用。所以該原理認(rèn)為：當(dāng)直流輸電線路區(qū)外d3點(diǎn)故障時，故障暫態(tài)電壓高頻量由于直流輸電線路邊界的衰減作用，在保護(hù)安裝處檢測到暫態(tài)電壓的高頻分量很小;而直流輸電線路區(qū)內(nèi)d1點(diǎn)、d2點(diǎn)故障時，由于不考慮直流輸電線路對高頻量的衰減作用，故障暫態(tài)電壓的高頻分量將無衰減地傳至保護(hù)安裝點(diǎn)，于保護(hù)安裝處檢測到的故障暫態(tài)電壓的高頻分量較大。所以，該暫態(tài)保護(hù)原理認(rèn)為利用區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障時在保護(hù)安裝點(diǎn)檢測到的暫態(tài)電壓高頻分量大小的差異就能準(zhǔn)確地區(qū)分直流輸電線路的區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。

3、直流線路行波保護(hù)研究現(xiàn)狀

目前的高壓直流輸電線路的行波保護(hù)以及其后備保護(hù)的原理和配置還有許多漏洞，需要進(jìn)一步研究新的保護(hù)原理和算法。事實(shí)上，交流輸電線路的行波保護(hù)自20世紀(jì)70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，包括行波方向判別式、行波距離、行波極性判別式等保護(hù)原理。進(jìn)入90年代以來，隨著小波分析、多分辨分析與波形奇異性檢測等技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，研究者們又賦予了行波保護(hù)新的內(nèi)涵，即不再僅局限于行波波頭的信息，而是對在一個時間段內(nèi)的整個暫態(tài)行波波形的時頻信息進(jìn)行綜合分析，得到區(qū)內(nèi)外故障的特征差異，進(jìn)而構(gòu)造新的暫態(tài)保護(hù)或邊界保護(hù)。

近年來，在交流輸電線路的行波保護(hù)、暫態(tài)保護(hù)以及邊界保護(hù)的啟發(fā)下，眾多保護(hù)研究者將交流輸電線路的行波保護(hù)原理“移植”到高壓直流輸電線路的保護(hù)中，取得了一系列的成果。

文獻(xiàn)根據(jù)線路內(nèi)部故障時故障暫態(tài)高頻分量較為豐富而外部故障時高頻分量較少的特征，利用小波多分辨分析，提出了高壓直流線路暫態(tài)邊界保護(hù)判據(jù)，并對雷電沖擊進(jìn)行了識別。文獻(xiàn)則利用區(qū)內(nèi)故障行波極性相同，而區(qū)外故障行波極性相反的特征，利用小波變換工具，提出了直流線路的行波極性比較式的保護(hù)判據(jù)。

4、問題總結(jié)

要想提出可靠的高品質(zhì)直流輸電線路的保護(hù)，必須解決下面幾個方面的基礎(chǔ)理論問題。

（1）邊界保護(hù)類型實(shí)際上是利用直流輸電線路邊界對高頻暫態(tài)分量的影響特征：區(qū)外故障時，初始暫態(tài)行波透過線路邊界，而區(qū)內(nèi)故障時不需透過線路邊界，從而使得區(qū)內(nèi)外故障在高頻分量特征上具有較大差異。那么具有非線性電力電子開關(guān)器件的線路邊界的透射系數(shù)的模型，當(dāng)故障發(fā)生在整流或逆變的交流側(cè)行波透過非線性的線路邊界后的特征就成為必須解決的問題。

（2）行波距離保護(hù)類型是利用檢測初始行波和在本端線路邊界發(fā)射后再從故障點(diǎn)反射的行波之間的時間差構(gòu)成保護(hù)原理，那么對于具有非線性邊界的直流線路邊界的反射系數(shù)的模型和行波在邊界反射后的特征的研究就對行波距離保護(hù)的可靠性和安全性至關(guān)重要。

（3）目前所有的行波保護(hù)的新原理都是基于故障后的疊加原理，即認(rèn)為故障后的故障附加網(wǎng)絡(luò)是在故障點(diǎn)疊加一個與故障前電壓大小相等方向相反的電壓源，在這個附加電源的作用下，行波向線路兩端傳播，例如行波極性判別式原理。但疊加原理僅適用于線性網(wǎng)絡(luò)，對于非線性的直流輸電系統(tǒng)，這一原理是否有效就值得深入研究，探索新的適合直流系統(tǒng)故障暫態(tài)過程分析的方法是解決高壓直流輸電線路暫態(tài)保護(hù)的基礎(chǔ)問題之一。

（4）對于暫態(tài)行波保護(hù)來說，高過渡電阻短路是一道很難逾越的鴻溝，因?yàn)楫?dāng)過渡電阻較大時，行波波頭中含有的高頻分量大量減少，從而導(dǎo)致波頭不明顯，給暫態(tài)行波檢測帶來困難。因此必須有一套能夠反映包括暫態(tài)量和穩(wěn)態(tài)量在內(nèi)的克服較大過渡電阻的保護(hù)作為高過渡電阻故障的主保護(hù)，由于故障后低電壓限流等控制系統(tǒng)的作用，電流縱差動保護(hù)不能滿足速動性要求。研究反映全部電氣量信息具有靈敏度高，抗過渡電阻能力強(qiáng)，故障特征持續(xù)，不受控制系統(tǒng)作用的影響，不受線路邊界特征的影響等，這些新型直流輸電線路的暫態(tài)保護(hù)原理、判據(jù)、算法和方案是繼電保護(hù)研究者的重要內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1]束洪春，劉可真，朱盛強(qiáng)，等.±800kV特高壓直流輸電線路單端電氣量暫態(tài)保護(hù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30（31）：108-117.

[2]張保會，張嵩，尤敏，等.高壓直流線路單端暫態(tài)量保護(hù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（15）：18-23.