淺析高壓直流輸電線路繼電保護技術

中煤科工集團南京設計研究院有限公司 閆其堯

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淺析高壓直流輸電線路繼電保護技術

中煤科工集團南京設計研究院有限公司 閆其堯

【摘要】隨著電力系統的快速發展，高壓直流輸電工程逐漸超越交流輸電工程，應用更為普遍。為了保證高壓直流輸電的可靠性和安全性，對于高壓直流輸電線路繼電保護技術的研究具有重要的意義。本文簡要分析了高壓直流輸電繼電保護的現狀及現存問題，多方面詳細探究了高壓直流輸電繼電保護線路的設計要點和常用技術，以期為今后高壓直流輸電線路繼電保護技術的相關研究提供少許借鑒和參考。

【關鍵詞】高壓直流輸電；繼電保護；安全性

高壓直流輸電由于載容量大、傳送距離遠、方便電網互聯及易于功率調節等優點，逐漸得到了更多關注和更為普遍的應用。中國雖然是直流輸電大國，但在相關技術上并沒有實現完全獨立，部分領域對外來技術仍存在依賴，加之直流輸電工程的遠距離跨區域輸電特性，需跨越不同氣候等條件的地區，對技術要求較高，同時線路故障率也高，因此，對于直流輸電線路的繼電保護研究具有重要意義。

1 高壓直流輸電線路繼電保護現狀及現存問題

1.1 現狀

自1945年始，基于換流技術的繼電保護技術在高壓直流輸電線路方面持續發展，并取得了顯著效果[1]。目前，用于遠距離大能量電能傳輸的主要是基于半控型器件晶閘管的電流源換流器高壓直流輸電（CSCHVDC）；而基于全控型器件的電壓源換流器高壓直流輸電（VSC-HVDC）主要用于受端弱系統。同時，高壓直流輸電線路的網架結構由原本兩端系統發展為多段系統；輸電線路也從僅有海底電纜發展為架空線路與電纜并存；并且高壓直流輸電在傳送距離、功率、電壓等各方面均有提高。

現行的直流輸電線路繼電保護方案主要來自ABB和SIEMENS公司。主保護配置行波保護、微分欠壓保護，后備保護包括低電壓保護和縱聯電流差動保護。

1.2 現存問題

從保護原理上來說，現有直流輸電繼電保護方案可靠性低、理論不完善。在主保護方面體現在靈敏度差、故障投入時間過短、缺乏整體依據、采樣率要求過高以及在抗干擾能力上表現不佳；在后備保護方面，主要體現在保護速度較慢，低電壓保護時由于依據缺乏，往往不能保證選擇性。

從保護配置上說，直流輸電保護種類過于單一，可靠性差，且缺乏故障后的快速有效反應。對于直流電輸電和交流電輸電，差異主要體現在能量集中的頻帶，其他并無本質區別，而交流輸電由于長時間的實踐應用，相對可靠性高、理論完善。因此，可借鑒交流輸電繼電保護的成功經驗，并切實結合直流輸電線路的結構特點和控制特性，以求得更為完善、高效的直流輸電繼電保護系統。

2 繼電保護線路設計原則及要點分析

2.1 線路主保護

影響線路主保護的因素紛繁復雜，因此設計者在進行主保護線路設計時一定要結合實際，當進行線路規劃時，需要兩臺原理不同的裝置用于不同通道，其中一套可采用分相電流差動縱聯保護裝置，另一套采用相電壓補償縱向保護裝置[2]。

2.2 線路后備保護

線路的后備保護充當主保護補充者的角色，但其重要性仍不可忽視。在進行后備保護設計時，一是要注意控制線路兩端切除故障差，二是要做好接地距離與相間距離保護設備的整體配置，同時，距離保護特征不需局限于傳統的四邊形、圓形等，可以植入微機保護的思想，真正全方位地提高系統運行的穩定性。

2.2.1 并聯電抗器保護

并聯電抗器發揮的作用是：當直流輸電線路出現故障時，會觸發相應的自動保護裝置動作，但若經過判斷，故障超過了線路所能承受標準，便會觸發并聯電抗器保護動作，迅速將兩側斷路器斷開，從而避免較大故障引發更嚴重的后果。

2.2.2 自動重合閘

實際應用的自動重合閘主要包括單相重合閘、三相重合閘以及快速重合閘幾種模式。對不同模式的自動重合閘的選擇，主要取決于過電壓水平：在非全相條件下，假若過電壓倍數在可允許的范圍內，一般采用單相重合閘；但若過電壓水平超過允許范圍，則采用三相重合閘更為安全。

3 在高壓直流輸電線路下常用的繼電保護技術

3.1 行波保護

在直流輸電條件下，行波保護是主保護措施，它的原理是：通過識別線路故障時故障點向線路兩端傳播的反行波，從而對故障作出判斷[3]。當前，實際直流輸電線路采用的行波保護方案分ABB和SIEMENS兩種。在ABB方案下，采用極波檢測故障，并用地模波確定故障級；而在SIEMENS方案下，利用電壓微分作為啟動判據，并通過反行波在10MS內的突變量微分來確定故障。兩種方案檢測方式不同，效果也略有差異：SIEMENS方案因微分環節，所以相對ABB方案檢測速度較慢，但正因微分環節，使得SIEMENS方案在抗干擾方面表現更好。

然而，兩種行波保護方案均存在耐過渡電阻能力有限、采樣要求高、抗干擾能力不強、依賴的故障特征能量小且持續時間短、理論不嚴密等問題。

考慮到行波保護在運行中的諸多問題，學者們做了更多的嘗試進行優化：如基于可靠性的優化，給出在小波變換基礎上的行波方向保護新原理；基于保護選擇性優化，對測距式行波距離保護進行嘗試；基于靈敏度優化，探索極性比較式原理等等。

3.2 微分欠壓保護

微分欠壓保護是直流輸電線路的主保護，同時也作為行波保護的后備保護存在，主要通過檢測電壓微分數值和電壓幅值水平來實現保護。

對于微分欠壓保護，ABB和SIEMENS兩種方案的原理相同，均為測定電壓微分及幅值，且電壓微分定值與行波保護一致，只是將上升沿從6ms延時至20ms，從而在行波保護退出或上升沿寬度不足時，微分欠壓保護可以發揮充分的后備作用。

相比于行波保護，微分欠壓保護運行速度稍慢，但同時也提高了準確度，只是在耐過渡電阻能力上依然十分有限。

3.3 低電壓保護

低電壓保護是行波保護和微分欠壓保護的后備保護，它的原理僅僅通過檢測電壓幅值來進行故障判斷和繼電保護，按照設計，應主要用于切除在行波保護和微分欠壓保護就未能動作的高阻故障，但實際應用中，很大部分的直流工程并未配備低電壓保護措施。

低電壓保護分為線路低電壓保護和極控低電壓保護兩種，前者比后者保護定值高，且前者動作后啟動線路重啟程序，而后者動作后封鎖故障極。

雖然低電壓保護原理簡單，但存在選擇性差、動作速度低、難以準確區分區內與區外高阻故障等問題。

3.4 縱聯電流差動保護

縱聯電流差動保護是直流輸電的后備保護，它的原理是利用雙端電氣量來實現絕對的選擇性，按照設計，僅用于切除高阻故障。

現行的縱聯電流差動保護，由于并未完全考慮電容電流問題，僅利用電流兩端的加和作為差動判據，需要較長時間等待，相對動作速度慢。以SIEMENS的縱聯電流差動保護方案為例，在故障初期電流波動大，差動保護會延遲600ms作用，加上差動判據本身的500ms延時，也就是說差動動作最快也要在故障1100ms后才能作用，而在這個期間內，可多次發生由于極控低電壓保護直接閉鎖故障極的事故，設備失去重啟機會，縱聯電流差動保護未能真正發揮后備保護的作用。

為提升直流輸電差動保護性能，可進行改進的方向有很多，如通過電容電流補償提高差動保護的靈敏性；將原本的高頻通道升級為光纖通道以實現保護動作速度提升；通過區內、區外電流突變差別來辨認故障方向；優化在直流輸電下線路低電壓、極控低電壓、大觸發角等措施的先后時間配合等等。

4 總結

由上文對幾種繼電保護的分析可知，高壓直流輸電繼電保護系統存在原理單一、可靠性差、理論不完善等諸多問題。為針對問題實現優化，一方面在實際的發展中可結合直流輸電的特點，借鑒交流輸電的成功經驗；另一方面，也應加強對繼電保護技術的科學性探索。

參考文獻

[1]黃華斌.高壓直流輸電線路繼電保護技術研究[J].通訊世界,2015,21:202-203.

[2]宋國兵,高淑萍,蔡新雷,張健康,饒菁,索南加樂.高壓直流輸電線路繼電保護技術綜述[J].電力系統自動化,2012,22:123-129.

[3]郭偉紅,張磊,王萌,馬曉東.高壓直流輸電線路繼電保護技術研究[J].科技創新導報,2014,25:26.

閆其堯（1984—），男，江蘇南京人，中國礦業大學電力系統及其自動化學碩士，工程師，現供職于中煤科工集團南京設計研究院有限公司，研究方向：電氣工程及其自動化。

作者簡介：