直流接地極線路高阻接地故障識別方法

蔣彪，楊波，馮文昕，李文濤，徐軍

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550003)

直流接地極線路高阻接地故障識別方法

蔣彪，楊波，馮文昕，李文濤，徐軍

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550003)

由于直流系統(tǒng)接地極線路電壓較低，當(dāng)發(fā)生高阻接地故障，尤其故障點在極址附近時，傳統(tǒng)保護方式動作靈敏性較低，導(dǎo)致保護拒動率較大。因高阻接地時，差流變化率和能量突變率明顯，故本文提出一種基于差流變化率和能量突變率的接地極線路高阻接地故障識別方法，并通過PSCAD進行驗證。

接地極線路；高阻；突變率；PSCAD仿真

0 前言

接地極線路 (又叫接地極引出線)是高壓直流輸電系統(tǒng)中必不可缺的重要組成部分，其電壓較低，一般不超過10 kV。接地極線路沿線多為山區(qū)，樹木茂盛，雷雨頻繁，發(fā)生高阻接地故障的概率較大。接地極線路發(fā)生高阻接地故障時，若不能及時識別并進行可靠隔離，將會導(dǎo)致直流系統(tǒng)故障進一步擴大[1-2]。接地極線路發(fā)生高阻接地故障時，尤其是在極址附近發(fā)生高阻故障時，量測端電氣量中包含的故障信息不明顯，常規(guī)的接地極線路保護 (電流不平衡保護、過電壓保護、過流保護)將難以檢測到線路故障[3-4]。

目前，在直流輸電工程現(xiàn)場，接地極線路配置的保護主要有接地極線路不平衡保護 (60EL)、接地極線路過電壓保護 (59EL)、接地極線路過流保護 (76EL)、接地極母線差動保護 (87EB)、站內(nèi)接地網(wǎng)過流保護 (76SG)等。現(xiàn)有的接地極線路保護都是采用單一電氣量判別故障，由于直流系統(tǒng)接地極線路電壓等級低，發(fā)生高阻接地故障時，尤其是在極址附近發(fā)生高阻故障時，量測端電氣量中包含的故障信息不明顯，導(dǎo)致難以識別高阻接到故障。本文提出一種利用差流變化率和能量突變率識別接地極線路高阻接地故障的方法，高阻接地時，差流變化率和能量突變量明顯，通過PSCAD仿真驗證該方法可靠性高。

1 仿真模型的建立

利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建含接地極引線 (即直流接地極線路)的±500 kV高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型如圖1、2所示，參照±500 kV高肇直流輸電工程的系統(tǒng)參數(shù)，其送電容量為3 000 MW。

圖1 ±500 kV含接地極線路的高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型

圖2 高壓直流輸電系統(tǒng)中的接地極

接地極線路采用J.Marti頻變參數(shù)模型，接地極線路采用雙回架空二分裂導(dǎo)線，導(dǎo)線型號為：2 ×LGJ-630/45，極址電阻約為0.2 Ω。根據(jù)這些參數(shù)，接地極線路仿真模型如圖3所示。

圖3 接地極線路頻變參數(shù)模型

2 高阻接地故障分析與仿真驗證

接地極線路發(fā)生高阻接地故障時，量測端的電壓電流突變量不大。兩條出線上的差流也很小，比電流不平衡保護整定值小得多，不能啟動不平衡保護。但是高阻故障后，量測端電氣量中所含的高頻成分會明顯比正常時增多，同時兩條出線上差流的突變量將增大。這些特性都可以作為識別高阻接地故障的重要依據(jù)。

若接地極線路20 km處經(jīng)5 Ω過渡電阻接地故障，通過仿真得到其兩條出線差流變化率如圖4所示。

從圖4看出，在線路正常運行時，兩條出線差流變化率很小，在發(fā)生高阻接地故障后，差流變化率突然增大，并持續(xù)很大。

同時，對接地極出線電流進行小波分解，得到其能譜如圖5所示

圖4 高阻接地故障差流變化情況

圖5 高阻接地故障電流小波分解的能譜圖

在上圖5中，高頻頻帶1～3依次表示頻率范圍為：1 600 Hz～3 200 Hz、800 Hz～1 600 Hz、400 Hz～800 Hz，頻帶4～16為低頻成分。

經(jīng)計算：高阻接地故障時，高頻段 (800 Hz～3 200 Hz)能量之和為4.53 A；而線路正常運行時，高頻段能譜之和為3.03 A；顯然，高阻接地故障時的高頻能量比正常運行時大。

根據(jù)以上推導(dǎo)，得到基于兩條出線差流突變量的啟動判據(jù)為：

其中：

ide1為接地極線路1的電流值，ide2為接地極線路2的電流值，t1、t2為相鄰兩個時刻。Iset為保護定值。

根據(jù)仿真結(jié)果，可以設(shè)Iset=10 A/ms。

基于高頻成分能量突變率的啟動判據(jù)為：

其中：

若高頻能量是每隔5 ms比較一次，根據(jù)仿真結(jié)果，則設(shè)Eset=0.25 A/ms。為躲過線路干擾，可以通過設(shè)計一定延時躲開線路干擾。

為實現(xiàn)可靠又靈敏地啟動對高阻接地故障的保護，現(xiàn)綜合差流突變量的啟動判據(jù)和高頻能量突變量的啟動判據(jù)如下表1。

表1 接地極線路高阻識別判據(jù)及動作邏輯

以下討論直流線路極I極II功率不平衡程度對識別高阻故障的影響，當(dāng)距離換流站50 km處發(fā)生接地故障，過渡電阻5 Ω。直流線路極I極II不同輸送功率對應(yīng)識別高阻故障情況如表2：

表2 極I極II不同輸送功率對高阻故障識別的影響

通過仿真發(fā)現(xiàn)，雙極輸送功率差額對高阻故障的識別影響很小。雙極輸送功率差額很小時，突變量會有時減少，但減少不多，能可靠識別為高阻接地故障。

3 結(jié)束語

本文對接地極線路高阻接地故障特征解析，理論分析發(fā)現(xiàn)，接地極線路發(fā)生高阻接地故障時，量測端的電壓電流變化量不大。兩條出線上的差流也很小，比電流不平衡保護整定值小得多，不能啟動不平衡保護。基于差流變化率和能量突變率的接地極線路高阻接地故障識別判據(jù)，能可靠識別接地極線路高阻接地高阻。通過仿真驗證該判據(jù)識別高阻接地故障可靠性高。

[1] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù) [M].北京：中國電力出版社，2004.

[2] 朱韜析，何方，何燁勇，等.南方電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)接地極線路不平衡保護動作后果探討 [J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(15)：112-116.

[3] H.Greiss，B.L.Allen，P.J.Lagace，et al.HVDC Ground E-lectrode Heat Dissipation[J].Transmission on Power Delivery，1987，10.

[4] 朱韜析，歐開健，朱青山，等.直流輸電系統(tǒng)接地極過電壓保護缺陷分析及改進措施 [J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32(7)：104-107.

Research on Recognition Method of High Resistance Ground Fault in Ground Electrode Line of HVDC

JIANG Biao，YANG Bao，F(xiàn)ENG Wenxin，LI Wentao，XU Jun
(Guiyang Bureau，CSG EHV Power Transmission Company，Guiyang 550003，China)

Voltage on DC system ground electrode Line is low，when high resistance grounding fault，especially the fault point in very near the ground site，the traditional ways of protection action sensitivity is low，resulting in the rejection rate greater protection. Because of the high resistance grounding，differential flow rate of change and the energy mutation rate obviously，therefore this article proposed one kind based on the differential current change rate and energy mutation identification method of high resistance grounding fault line is connected with the rate of the ends of the earth，and is verified by PSCAD.

ground electrode line；high resistance；process variables；quantities；PSCAD simulation

TM75

B

1006-7345(2015)04-0019-03

2015-01-18

蔣彪 (1988)，男，碩士，工程師，中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽局，從事電力系統(tǒng)繼電保護與控制、故障測距 (emai)651859288＠qq.com。

楊波 (1979)，男，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)繼電保護研究。

馮文昕 (1987)，男，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)直流系統(tǒng)控制、保護研究。