換流站接地極故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析研究

盧 松 李凱協(xié) 郭衛(wèi)明

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州510405）

0 引言

目前南方電網(wǎng)下屬的直流輸電系統(tǒng)主要使用兩大類接地極線路監(jiān)測(cè)裝置，溪洛渡同塔雙回直流工程使用南瑞繼保研發(fā)制造的ELIS系統(tǒng)，貴廣直流工程使用西門子公司的PEMO2000系統(tǒng)。本文依托這兩大直流工程，比較這兩種裝置的優(yōu)點(diǎn)及不足，提出改進(jìn)方法，以供后續(xù)直流工程參考和借鑒。

1 從西換流站接地極故障監(jiān)測(cè)裝置概述

從西站接地極線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ELIS）是非冗余系統(tǒng)，站內(nèi)僅用一套裝置，主要由主機(jī)、DSP板卡RS860、功率放大器、測(cè)量放大器、注入濾波器和阻波濾波器組成。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 ELIS系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1.1 部件功能

1.1.1 信號(hào)發(fā)生原理

DSP板卡RS860利用軟件產(chǎn)生一個(gè)高頻數(shù)字正弦波信號(hào)，信號(hào)的幅度由閉環(huán)電流控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.1.2 功率放大器、測(cè)量放大器

RS860產(chǎn)生的模擬輸出信號(hào)首先被送入功率放大器中進(jìn)行放大。功率放大器的輸出阻抗選擇與信號(hào)電纜阻抗一致，減少回路影響。測(cè)量放大器用于測(cè)量功率放大器二次側(cè)的電流和電壓值。測(cè)量信號(hào)正比于極引線的電流和電壓，由此計(jì)算極引線的阻抗。

1.1.3 注入濾波器

高頻信號(hào)通過一個(gè)串聯(lián)的諧振濾波器注入換流站末端極引線，該濾波器的諧振頻率與注入信號(hào)相同。

1.1.4 阻波濾波器

ELIS裝置通過兩個(gè)并行的諧振濾波器來阻斷極引線和中性線終端的注入信號(hào)。其中在電極側(cè)的阻波濾波器并聯(lián)一個(gè)電阻，其阻值和極引線的波阻抗相同，實(shí)現(xiàn)無反饋終端。由于線路終端的反饋非常少，因此任何由于故障引起的阻抗漂移都能被很好地捕捉，這使得裝置對(duì)于故障的監(jiān)視更加精確。

1.2 測(cè)量原理

ELIS裝置向接地極線路注入高頻交流電流，測(cè)量其電壓值，繼而計(jì)算出阻抗值，并將阻抗值的變化作為接地極線路故障的判據(jù)。

接地極線路無故障時(shí)阻抗的典型參考值為Z＝（280－j20）Ω。如果線路出現(xiàn)故障，其值將會(huì)改變。

在接地極線路不同位置發(fā)生1 000Ω接地故障時(shí)，檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 1000Ω接地原理圖

在該曲線圖中，每隔一定距離有一個(gè)標(biāo)記，中心點(diǎn)為參考阻抗值，即正常阻抗值。臨近點(diǎn)標(biāo)記為靠近極站處接地故障時(shí)的阻抗值，而螺旋曲線最外面的點(diǎn)為離換流站近處故障時(shí)的阻抗值。

2 肇慶換流站接地極故障監(jiān)測(cè)裝置概述

貴廣直流肇慶換流站使用的接地極線路故障監(jiān)測(cè)裝置為西門子生產(chǎn)的PEMO2000系統(tǒng)，站內(nèi)僅一套裝置，非冗余系統(tǒng)，主要由耦合電容器、高壓避雷器、耦合單元AKE100－A5、HFConnection Plate等組成，如圖3所示。

圖3 PEMO2000系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.1 部件功能

2.1.1 耦合電容器

用以傳遞高頻信號(hào)，降低直流電流對(duì)信號(hào)的影響。諧振頻率在2MHz以上。

2.1.2 高壓避雷器

保護(hù)電容器免受從接地極線路來的過電壓沖擊。

2.1.3 AKE100－A5

電力線路載波設(shè)備，用于高壓電纜相與相之間的耦合。

2.1.4 HF－Connection Plate

它包含一個(gè)電涌放電器，防止由同軸電纜串過來的暫態(tài)過電壓進(jìn)入PEMO2000裝置。

2.2 測(cè)量原理

PEMO2000向接地極線路注入脈沖信號(hào)。線路無故障時(shí)，脈沖信號(hào)在到達(dá)線路末端時(shí)反射回來。如果線路上有故障，脈沖信號(hào)在故障點(diǎn)產(chǎn)生反射波。根據(jù)故障反射波形和正常反射波形的對(duì)比，可以判斷故障的類型。

3 比較與總結(jié)

PEMO2000的測(cè)量與線路行波測(cè)距中的利用重合閘信號(hào)測(cè)距方法接近，PEMO2000以一定周期向接地極注入脈沖，然后監(jiān)測(cè)脈沖的反射情況，根據(jù)脈沖的反射波形及時(shí)間差判斷線路是否存在接地或開路。該套裝置可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)接地極線路上的永久性單線金屬接地、線間短路和接地極線開路故障。但是PEMO2000中有一非常重要的參數(shù)Pluse period，也就是脈沖注入的間隔時(shí)間，一般設(shè)置為2s。也就是說，PEMO2000無法監(jiān)測(cè)故障持續(xù)時(shí)間低于Pluse period設(shè)定值（2s）的故障。同時(shí)，如果線路接地的故障電阻與線路本身阻抗一致，反射波形只有發(fā)射波的1／3，因接地極線的阻抗Z0只有幾歐，故PEMO2000無法監(jiān)測(cè)到高阻抗接地故障。

ELIS通過檢測(cè)接地極線路阻抗變化來捕捉線路故障。由于接地極線路終端的反饋非常少，因此可以捕捉任何故障引起的阻抗漂移，這使得該套裝置對(duì)故障的反應(yīng)更加靈敏。同時(shí)，因其注入電流頻率為13.95kHz，可以有效解決PEMO2000裝置只能檢測(cè)到持續(xù)時(shí)間大于2s的故障的不足。

綜上所述，就故障反應(yīng)靈敏度及故障監(jiān)測(cè)效果而言，ELIS比PEMO2000裝置具有更高的靈敏度，能監(jiān)測(cè)接地極線路所發(fā)生的各種類型的故障，對(duì)瞬時(shí)故障也有很好的反應(yīng)。

但目前溪洛渡直流工程采用的ELIS在故障發(fā)生后僅給工作站發(fā)出一個(gè)故障時(shí)刻的線路阻抗值，未將故障點(diǎn)的距離信息傳送到后臺(tái)。這就意味著一旦接地極線路出現(xiàn)故障，就必須對(duì)整個(gè)接地線路進(jìn)行巡線來查找故障點(diǎn)，大大增加了故障恢復(fù)時(shí)間。如果ELIS增加測(cè)距算法，在故障出現(xiàn)時(shí)上傳測(cè)距值，將極大地縮短接地極線路故障的排查時(shí)間，使直流系統(tǒng)更快地恢復(fù)正常運(yùn)行。

［1］西門子ED3.001.AZ：西門子貴廣直流光盤資料，2001

［2］南瑞繼保ED3.145.ZC、ED3.146.ZC：溪洛渡直流工程設(shè)計(jì)規(guī)范書，2012

［3］中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局.從西站運(yùn)行規(guī)程，2014

［4］中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局.肇慶站運(yùn)行規(guī)程，2004