高壓直流輸電工程接地極監測技術分析

艾紅杰 李俊霞 賈軒濤 趙 靜 周玉勇

（1. 許繼電氣直流輸電系統公司，河南 許昌 461000；2. 許繼集團科技部，河南 許昌 461000;3. 許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000）

隨著電力科學技術的發展和經濟發展的需要，高壓直流工程建設越來越廣泛，高壓直流輸電工程中，接地極起著傳導電流及鉗制電位的作用，它一旦發生故障或接地極線工作狀況不明確，則系統無法安全可靠的進行金屬回線-大地回線或者平衡運行-不平衡運行模式的轉換；另外一方面，接地極引線異常運行可能會對臨近的通訊設施造成通訊干擾[1-2]，在故障處可能還會造成人身傷害或者金屬設備的腐蝕。因此當高壓直流輸電系統運行時對接地極運行及絕緣狀況進行監測是十分必要的。

目前接地極引線故障監測方法主要有 ABB公司的阻抗法及西門子公司應用的差分時域反射法。本文以溪浙西工程和糯扎渡工程為例，對兩種技術的原理和應用進行闡述，并分析了各自的優缺點。

1 阻抗法

1.1 阻抗法的原理

阻抗法的基本原理就是對電極線路注入一個高頻正弦脈沖，此高頻正弦脈沖的電壓電流會隨著接地極的阻抗變化而變化，通過監測設備實時采集此脈沖電壓電流，如果接地極運行方式變化或故障，接地極阻抗就會變化，此時監測的電流電壓就會變化。通過高頻脈沖電流電壓的計算，即可得到接地極線路的阻抗，與死區值的比較，就能判斷出接地極線路運行的狀態，實現監測功能[3]。

溪洛渡-浙西特高壓直流輸電工程為例，如圖所示軟件程序中產生高頻正弦波頻率為13.95kHz，在考慮工程造價的前提下，高頻正弦脈沖的頻率越高越好，設置為13.95kHz是為了避開直流電流中的特征諧波。經功率放大器放大后，通過信號電纜送至匹配變壓器，匹配變壓器實現信號電纜阻抗和電極線路阻抗的匹配，并對主電路和控制電路進行隔離。注入濾波器是一個LC串聯諧振回路，諧振頻率f設定在13.95kHz，高頻正弦脈沖能夠通過此諧振回路，注入電極線路中[4]。圖1中的兩個LC并聯帶阻濾波器是為了阻止高頻正弦信號進入直流場，靠近電極側帶阻濾波器并聯了一個電阻，此電阻是為了防止高頻信號在阻斷處形成全反射，并為其提供回路。直流電流通過帶阻濾波器的電感進入接地極形成回路，直流主回路和監測回路相對獨立，保證了監測回路的穩定性和可靠性。

圖1 溪浙工程接地極阻抗監視原理圖

圖 2中 XS860為高頻正弦脈沖產生板卡，XS862G為檢測放大器板卡，采樣取值功率放大器二次側的電壓和電流。檢測放大器板卡 PS862G實時采集監測脈沖信號的四個量U_I（電壓的實部）、U_Q（電壓的虛部）、I_I（電流的實部）和I_Q（電流的虛部），將此信號送入PS860進行計算，便可得到：

即為阻抗的實部

即為阻抗的虛部。

這樣監測系統就能夠實時地計算接地極的阻抗的實部和虛部，再通過偏置修正便得到實際的接地極線路阻抗即，其與ALARM_DEAD_BAND差的絕對值與30Ω比較，如果大于30Ω則判斷接地極阻抗出現了異常，小于表示正常。

圖2 溪浙工程接地極阻抗監視板卡配置

當直流系統運行方式在雙極、單極大地回線、單極金屬回線以及直流場隔離之間轉換時，接地極通過不同的線路和設備連接到直流中性母線。中性母線與接地極之間的阻波器有一定帶寬，不能提供完全的14kHz的退耦，這就導致了不同運行模式下有不同的阻抗。

監測軟件中設定了各運行方式下對應的阻抗和死區值（溪浙工程為30Ω），當測量到的阻抗值超出了死區范圍，并持續了一定的時間，便判斷此時接地極出現了異常，實現了對接地極阻抗的監測。

1.2 阻抗法的缺點分析

阻抗法有其不可避免的缺點，如無法確定故障類型及位置，檢測原理只是計算阻抗值的變化，是否出現了故障或異常，無法判斷故障的位置和類型。故障監測結果受接地過渡電阻以及整定值影響很大，易出現誤動或拒動等。

2 時域差分法

2.1 時域差分法的原理

在靠近直流場側兩根接地極線上同時施加矩形電壓脈沖，脈沖在接地極引線上傳播，到達接地極時被反射，形成特征反射波。如果線路發生故障，故障處形成波阻抗奇異點，該點會反射施加的信號脈沖，在接地極分裂點外形成一個額外的反射脈沖，通過專用設備分析此反射脈沖，以此判斷是否接地極是否存在故障或異[5]。

脈沖信號在接地極傳播過程中的畸變和衰減越小，能夠監測的接地極線路就越長，并且信號越容易與噪聲區分開，對高阻抗接地故障及接地極引線末端出現的故障的反映就越可靠，從而對故障能夠準確定位。雙極矩形脈沖具有易于產生和辨認、含有顯著奇異點的優點，在時域反射法中多用此種類型脈沖。

實際應用中會施加極性相反的雙極矩形脈沖，這是因為雙極矩形脈沖的前沿以及過零點處的高頻分量可以保持脈沖的脈寬，且不因脈沖寬度、脈沖傳播距離改變而改變，在應用中易于識別。

雙極性矩形脈沖f2(t)的頻譜函數可以由矩形脈沖f1(t)的頻譜函數通過傅里葉變換的性質得出：

根據傅里葉變換的性質

于是

可以得出脈寬為τ的雙極矩形脈沖的幅頻特性為

其頻譜特性如下

圖3 雙極矩形脈沖頻譜圖

從圖3可以看出，雙極矩形脈沖不包含直流分量，脈沖中高頻分量比重較大，且主要集中在以ω=為中心的頻帶內，雙極矩形脈沖在導線中傳播時，雖然因線路衰減常數較大，脈沖幅值衰減較嚴重，但線路的衰減常數及相位常數趨于穩定，脈沖畸變較小[6-7]。

差分方式就是在接地極線上同時施加極性相反的雙極矩形脈沖，在接收的時候將兩條極線上的反射脈沖相減。此舉是為了增大接地極線上監測脈沖的線模分量。由于線模分量僅在兩條極線間傳播，不受地模阻抗變化不定的影響，并使得信號的色散與衰減極大降低，增強了抵御噪聲干擾的能力。相對共模信號，差分信號在引線上傳播時的電磁輻射減小很多。

圖4中AKE100用于生成雙極性方形脈沖，注入電極線路在入地點形成反射脈沖，PEMO 2000對返回的脈沖進行差分處理，根據反射波形判斷接地極運行狀態。

相對于阻抗法，時域差分法可以根據發射脈沖的不同來判斷接地極的故障類型。

圖4 糯扎渡工程接地極監測原理圖

脈沖信號在接地極線路中的傳播速度為Vt，發射信號與反射信號的時間間隔為Tc，則到故障點的距離L為

假定發射脈沖信號為vt(f)，反射脈沖信號為vr(f)，則反射系數：

根據線性傳輸理論，可知

式中，Zo為正常情況下接地極的阻抗，Zt為故障后接地極阻抗。由式（12）可知：λ=+1，發射脈沖與反射脈沖極性相同，表示線路開路；λ=-1，表示在站端發生短路，二者之間的極性相同表示線路短路或者接地。于是可以根據反射波的極性確定接地極線的故障類型。

2.2 時域差分法的缺點

但時域差分法也有其局限性，第一測量短時故障較困難，這是因為在PEMO 2000中設定的脈沖發射周期通常為2s，如果故障持續小于2s，監測脈沖通過時故障恢復，形不成額外反射，很有可能監測不到；其次，不能測量高阻接地。根據PEMO 2000的原理，故障點發射的脈沖是一個幅值只有發射脈沖 1/3反轉波形，正常情況下接地極阻抗只有幾歐姆，因此高阻接地時發射脈沖難以辨識。

3 結論

阻抗法和差分時域反射法雖然原理不同，但經過眾多工程充分驗證，二者都能夠準確地檢測接地極引線的運行狀況，有各自的優缺點。由于兩種技術在工程應用中造價較高且接地極線構造不同，所以很難在同一工程中同時使用。至于選用哪種技術，需要根據建設方的要求、工程造價以及現場地質、環境等實際情況綜合選擇，原則上僅需要監視接地極運行狀況，有專門設備用于故障測距選用阻抗法。如在溪浙工程中ELIS屏僅用于接地極線阻抗監視，故障測距選用山東科匯和中國電科院的專門測距設備。如果像糯扎渡工程一樣在監測接地極線的同時還需判斷故障類型，大致測算故障距離，與專門測距設備數據比較分析，則可選用時域差分法。

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