高壓直流輸電線路保護配置的研究

李 政

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司蘇州運維站，蘇州 215000）

高壓直流輸電（High-Voltage Direct Current，HVDC） 系統(tǒng)主要有基于線路換相換流器（Line Commutated Converter， LCC）的高壓直流輸電和基于電壓源換流器（Voltage Source Converter，VCS）的高壓直流輸電[1]兩種形式。LCC存在不能被動逆變和無法改變潮流方向等缺點，而VSC以絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作為基礎，完全克服了LCC的缺點。大多數(shù)直流輸電系統(tǒng)都采用雙端傳輸結(jié)構(gòu)，即兩個交流系統(tǒng)由兩個換流站和一條直流輸電線連接實現(xiàn)點對點輸電[2]。如果直流系統(tǒng)發(fā)生故障，兩個交流系統(tǒng)之間的大功率傳輸將被切斷[3]，因此雙端直流輸電系統(tǒng)可靠性低。多端柔性直流輸電系統(tǒng)由3個或更多換流站和連接換流站的直流傳輸線路組成。直流電網(wǎng)由于冗余性比雙端直流輸電系統(tǒng)具有更高的靈活性和可靠性。與LCC相比，VSC可以改變潮流方向，因此更適用于多端直流輸電系統(tǒng)[4]。

1 直流輸電線路故障特征

1.1 基本特征

兩級VSC直流輸電線路故障的基本特征與金屬磁控直流輸電線路故障的基本特征略有不同。在直流輸電線路故障初期，直流電容器會迅速放電至故障點，使直流輸電線路的電壓迅速下降。在直流電壓低于交流電壓之前，換流站橋臂中的電流仍然是交流側(cè)電感續(xù)流的電流，因此換流站不會受到電容器放電電流的影響。當直流電壓低于交流電壓時，交流系統(tǒng)將向故障點提供電流[5]。由于該電路持續(xù)向故障點輸送故障電流，若在故障發(fā)生后沒有及時切斷，這種大的故障電流可能會對換流站造成嚴重損害。

圖1是直流輸電線路故障后直流輸電系統(tǒng)中的一相故障電流傳播路徑。當直流輸電線路發(fā)生故障時，系統(tǒng)子模塊的電容器將迅速放電到故障點，將對輸電線路帶來較大的電壓降。即使VSC被阻斷，交流系統(tǒng)和IGBT的反并聯(lián)二極管仍然會構(gòu)成三相不可控的整流電路，從而不斷向故障點輸送故障電流。LCC系統(tǒng)可以通過增加熱敏電阻的阻值和降低直流線路的電壓控制故障電流，而VSC系統(tǒng)中直流輸電線路故障后的大故障電流是無法被控制的。

圖1 直流輸電系統(tǒng)故障電流傳播路徑

1.2 處理要求

由于VSC高壓直流輸電系統(tǒng)中的直流輸電線路故障后故障電流沒有過零點，且會在很短的時間內(nèi)增加到峰值，因此直流斷路器必須具有切斷極大故障電流的能力。因為大多數(shù)在役VSC直流雙端系統(tǒng)沒有配備直流斷路器，無法切斷大的故障電流，所以在直流輸電線路發(fā)生故障后，通常是換流器交流側(cè)的交流斷路器負責切斷故障電流。但是，這種故障處理模式并不適合VSC高壓直流輸電系統(tǒng)。VSC高壓直流輸電系統(tǒng)故障處理的設計理念應類似于傳統(tǒng)交流電網(wǎng)，盡可能利用直流斷路器隔離或切斷故障部分，以最大限度地保持系統(tǒng)的完整性和連續(xù)運行。

與交流電網(wǎng)相比，直流電網(wǎng)阻尼小且慣性小。發(fā)生在直流側(cè)的故障會對換流閥和直流輸電線路造成嚴重的瞬時過電流，使直流電壓迅速下降。因此，故障在直流電網(wǎng)中的傳播速度更快，更容易出現(xiàn)部分故障導致整個電網(wǎng)停電。在使用架空輸電線路時，輸電線路發(fā)生故障的可能性更高，因此直流輸電線路保護對VSC高壓直流輸電系統(tǒng)的安全可靠運行至關(guān)重要。因為直流電流沒有過零點，所以切斷直流電流比切斷交流電流更困難。但是，直流斷路器的容量相對有限，如果保護和直流斷路器能足夠快地動作，故障電流就能在其峰值之前被切斷，從而降低直流斷路器的設計難度，也能夠使直流斷路器切斷的電流更低。國家電網(wǎng)公司（State Grid Corporation of China，SGCC）要求500 kV 直流輸電系統(tǒng)中的故障必須在6 ms內(nèi)清除，而直流斷路器的運行時間為3 ms，因此輸電線路保護的運行時間滿足SGCC要求。

2 線路保護配置方案

2.1 主保護方案

當直流輸電線路發(fā)生故障時，故障信息先以行波的形式在整個直流電網(wǎng)中傳播。行波理論是分析故障發(fā)生后初始階段的有效方法，因此行波保護是VSC高壓直流輸電線路主保護的理想選擇之一。為了滿足運行速度的要求，主保護必須基于單端量，同時必須具有保護全線路的能力。故障感應行波是一種寬帶信號，由于要求保護的運行時間必須在3 ms以內(nèi)，數(shù)據(jù)采集的時間窗口非常短，因此應采用高采樣頻率，以便在有限的時間窗口內(nèi)獲得更多的采樣數(shù)據(jù)和信息來構(gòu)建保護判據(jù)。

每條直流輸電線路的終端都將安裝一個平波電抗器，以抑制直流輸電線路故障后故障電流的增長速度。平波電抗器的引入有利于單端行波保護。圖2是一個典型的四端直流電網(wǎng)。R1沒有平波電抗器，當故障發(fā)生在F1時，對于R1屬于內(nèi)部故障，對于R2和R3屬于外部故障，故障引起的行波將在直流電網(wǎng)中傳播。同時，安裝在R1、R2和R3的保護裝置很難僅使用本地量來確定故障是屬于內(nèi)部故障還是外部故障。

圖2 四端直流電網(wǎng)

在R4和R3之間有一個平波電抗器，當F2發(fā)生故障時，行波的高頻分量會被平波電抗器遮擋，并在R4和R3之間受到抑制，因此內(nèi)部故障和外部故障時的行波會有顯著差異。圖3是平波電抗器對高頻分量的遮擋效應波形圖，即F2發(fā)生故障后R4和R3的電壓、電流、反向電壓行波和正向電壓行波的波形。其中，反向和正向電壓行波可以由電壓、電流和浪涌阻抗計算得出。

圖3 平波電抗器對高頻分量的遮擋效應

平波電抗器電感典型值200 mH，電壓基值為500 kV的額定電壓，電流基值為電壓基值與浪涌阻抗之比。F2的故障是R4保護的內(nèi)部故障和R3保護的外部故障。從圖3可以看出，內(nèi)部故障時，電壓、反向電壓行波和正向電壓行波具有陡峭的波前；在外部故障時，由于平滑電抗器對高頻分量的阻礙作用，它們的波前要平滑得多。因此，波前陡度可以用來區(qū)分內(nèi)部故障和外部故障，其中小波變換是定量提取和描述信號陡度的有效方法。

2.2 后備保護

為保證保護的選擇性和靈敏性，直流輸電線路的后備保護應采用縱聯(lián)保護原理。當發(fā)生故障電阻較大的內(nèi)部故障，導致輸電線路主保護因靈敏度不足而無法運行時，后備保護應對主保護進行補充和協(xié)調(diào)?？v聯(lián)差動保護具有良好的性能，可以作為直流輸電后備保護的一種選擇。高壓直流輸電的后備保護應具有相對較高的反應速度，以便與超高速主保護和交流側(cè)保護在時間序列上進行配合。它的運行時間在20～30 ms，無法避免故障后嚴重的瞬態(tài)分布電容電流問題，因此需要行波差動保護。行波差動保護基于分布參數(shù)線路模型，并考慮了分布電容，所以理論上不受分布電容電流和變流器控制系統(tǒng)的影響。行波差動電流能夠比傳統(tǒng)差動電流更準確地描述內(nèi)部故障電流，因此具有良好的選擇性和靈敏度。同時，行波差動保護需要具有高采樣頻率，才能準確計算差動電流。

3 結(jié)語

直流輸電線路保護是實現(xiàn)VSC高壓直流輸電的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，分析VSC直流輸電系統(tǒng)對輸電線路保護運行速度的特殊要求，指出VSC直流輸電系統(tǒng)的故障處理方式應類似于傳統(tǒng)交流電網(wǎng)利用直流斷路器隔離或切斷故障部分，以最大限度地保持系統(tǒng)的完整性和連續(xù)運行。直流輸電線路主保護應采用基于單端量的算法來保證保護的速度，后備保護應采用縱聯(lián)保護原理作為主保護的補充。此外，后備保護應具有相對較高的反應速度，以便與超高速主保護和交流側(cè)保護在時間序列上配合。