特高壓直流輸電系統接地極引線阻抗監視策略

滕予非　王　魚　焦在濱　張　純　龐廣恒

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院　成都　610072 2.西安交通大學電氣工程學院　西安　710049 3.中國電力科學研究院　北京　100192)

特高壓直流輸電系統接地極引線阻抗監視策略

滕予非1王魚2焦在濱2張純1龐廣恒3

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院成都610072 2.西安交通大學電氣工程學院西安710049 3.中國電力科學研究院北京100192)

摘要為提升特高壓直流輸電系統接地極引線的故障識別性能，提出一種新的接地極引線阻抗監視策略。對輸電線路的全頻帶阻抗—距離特性進行了理論分析，以此為基礎提出了基于高頻信號注入的接地極引線阻抗監視策略，并給出了注入信號頻率選擇原則及故障告警判據。研究表明：若接地極引線長度超過注入信號的1/2波長，金屬性接地故障時，阻抗監視裝置測量阻抗的虛部隨故障距離呈周期性變化，加大了判據整定的難度。因此注入信號頻率的選擇應保證金屬性故障時，線路阻抗隨故障距離的增加而單調變化，同時最大的故障阻抗模值應小于線路正常運行時的阻抗，且留有一定裕度。PSCAD仿真驗證了該策略的有效性。

關鍵詞：特高壓直流輸電系統接地極引線阻抗監視阻抗—距離特性注入信號頻率全頻帶

0引言

特高壓直流輸電技術[1-3]具有輸送容量大、輸電距離遠和控制性能強[4，5]等優點，在電能的遠距離傳輸及區域電網互聯中發揮了舉足輕重的作用。接地極[6，7]是特高壓直流輸電系統的重要組成部分，主要起到提供大地回流通路、建立系統電壓參考點等作用[8，9]。隨著特高壓直流輸電工程的不斷建設和投運，接地極址選擇日趨困難，同時考慮到直流偏磁對換流站設備的影響[10-12]，某些特高壓直流輸電工程的接地極距離換流站距離已超過100 km，給接地極引線的保護帶來嚴重影響。此外，當特高壓直流輸電系統雙極平衡運行或單極—金屬回線運行時，接地極引線上無電流，給接地極引線的故障識別和處理帶來了極大的挑戰。

目前，接地極引線保護[13，14]中廣泛采用電流不平衡保護原理[15-17]，通過檢測并列運行的兩條接地極引線上直流電流不平衡度，識別接地極引路故障，具有很強的靈敏度。同時，也有學者將電流差動保護[18]及過電流保護應用于接地極引線的故障識別中，取得了較好效果。然而，以上方法均只能用于單極—大地回線運行方式，無法在雙極平衡運行或單極—金屬回線運行時及時發現接地極引線存在的隱患，可能導致在直流工程切換至單極—大地運行方式后發生故障，危及人畜生命安全[19]。

為解決雙極平衡運行時接地極引線故障識別問題，文獻[20，21]提出了基于注入法的故障監視原理，采用注入脈沖信號和高頻信號的方法檢測相應的反射波和高頻阻抗，進而識別故障。但由于接地極引線高頻及暫態特征的研究并不充分，相關原理的應用存在缺陷。例如，在2014年6月，某特高壓直流輸電工程調試期間，接地極引線掉入水塘，基于高頻注入信號的阻抗監視原理未能正確動作，造成較為嚴重的經濟損失。因此，分析特高壓直流輸電工程接地極引線在全頻帶的阻抗—距離特性，提出高性能的接地極引線阻抗監視策略，對于特高壓直流系統的安全運行具有重要的理論及實際意義。

本文在研究長電氣距離輸電線路全頻帶阻抗—距離特性的基礎上，提出了一種新的接地極引線阻抗監視策略。首先，分析了輸電線路的全頻帶阻抗—距離特性；其次，在考慮阻抗監視原理正確動作邊界條件的基礎上，提出了注入頻率選擇的基本原則和阻抗監視定值的選擇方法；最后，利用PSCAD電磁暫態仿真程序對該方法進行了仿真驗證。

1輸電線路全頻帶阻抗—距離特性

當采用注入法進行接地極引線故障識別時，由于注入信號的頻率往往數倍于工頻，電磁波的波長也呈比例地降低，因此在分析近百公里的輸電線路阻抗—距離特性時，必須考慮線路的分布參數模型。為便于理論分析與討論，將線路模型簡化為無損均勻傳輸線路與集中參數電阻串聯的形式[22]。

由輸電線路波過程的微分方程推導，可以得到單回輸電線路上任意兩點間電壓、電流關系滿足

(1)

J(s)=

(2)

(3)

式中，UK、UM分別為線路上K、M兩點的電壓；IK、IM分別為線路上K、M兩點的電流；Zc為輸電線路的波阻抗；γ為輸電線路的傳播系數；r1、L1、C1分別為線路單位長度的電阻、電感和電容；l為線路上M點與K點間距離。

設定M點為阻抗監視裝置安裝處，而當線路上K點發生金屬性短路故障時，有

UK(s)=0

(4)

將式(4)代入式(1)～式(3)，消去IK(s)，可得

(5)

式中，λin為注入信號的電磁波波長。

由此可見，當輸電線路首端注入角頻率為ωin的電流，金屬性故障后阻抗監視裝置檢測到的阻抗Zfault為

(6)

由式(6)可知，當輸電線路長度超過注入信號的1/2波長時，一旦出現金屬性接地故障，阻抗監視裝置測量到的阻抗虛部會隨故障距離在(-∞，+∞)范圍內呈周期性變化，變化周期fz滿足

(7)

同時，由式(6)可知，當阻抗監視裝置安裝處與故障點的距離l滿足式(8)時，阻抗虛部的模值是l的單調增函數；當阻抗監視裝置安裝處與故障點的距離l滿足式(9)時，阻抗虛部的模值是l的單調減函數。

(8)

(9)

在實際工程參數下，單回輸電線路出現金屬性接地故障后，在50 Hz、2 500 Hz、5 000 Hz以及13 950 Hz等信號注入的工況下，線路的阻抗—距離特性如圖1所示。

圖1　不同頻率信號注入輸電線路的阻抗—距離特性Fig.1　The impedance-distance characteristic of transmission line at difference frequency

由圖1可知，當線路的故障距離小于注入信號的1/4周長時，引線的阻抗與故障距離間的關系具有單調性，然而當故障距離超過注入信號1/2波長時，監測阻抗隨故障距離周期性變化，與之前的理論分析一致。

需要指出的是，特高壓直流輸電工程接地極引線往往采用同桿雙回架設方式，且在首尾端互聯，因此存在雙回同點接地以及單回接地兩種故障類型，其金屬性接地故障時的等效電路圖如圖2所示。

圖2　接地極引線金屬性接地故障時等效電路Fig.2　Equivalent circuit of ground electrode line

圖2中G點為接地極址，Rp為接地極址的接地阻抗。由圖2a可知，當引線雙回同點接地后，其阻抗—距離特性與前文分析的單回線路具有類似的結論，即當線路全長lT滿足式(10)時，Zfault的模值是變量l的單調增函數。

(10)

以下將著重分析雙回接地極引線單回接地故障時的全頻帶阻抗—距離特性。

由圖2b可知，接地極引線單回金屬性接地故障時，M點監測到的阻抗與引線末端的接地電阻Rp直接相關。以下將分3種情況對阻抗監測裝置測量到的線路阻抗的單調性進行分析。

1)末端直接接地工況，即Rp=0。

由圖2b可知，該工況下阻抗監測裝置測量到的線路阻抗可視為兩根長度分別為l與lT的線路阻抗的并聯。該工況下，忽略線路的電阻與電導，易得同塔并架接地極引線在l處出現單回金屬性故障時，阻抗監測裝置測量到的線路阻抗為

(11)

由于l∈[0,lT]，由式(11)易得，當滿足式(12)時，Zfault的模值是變量l的單調增函數，且當l=0時，Zfault=0。

(12)

2)末端開路工況，即Rp=∞的情況。

由圖2b可知，該工況下阻抗監測裝置測量到的線路阻抗可視為兩根長度分別為2l-lT與lT的線路阻抗的并聯。該工況下，忽略線路的電阻與電導，易得同塔并架接地極引線在l處出現單回金屬性故障時，阻抗監測裝置測量到的線路阻抗為

(13)

對式(13)進行三角變換，易得

(14)

式中，lT為接地極引線長度。

由于l∈[0,lT]，因此lT滿足

(15)

可以確保：

在上述兩個條件下，可以證明

(16)

因此，由式(14)與式(16)可知，當滿足式(15)的要求時，Zfault的模值是變量l的單調增函數，且當l=0時，Zfault=0。

需要指出的是，條件(15)僅是Zfault的模值單調增的充分條件，而非必要條件，實際單調增區間可能較條件(15)更寬。

3)Rp∈(0,+∞)工況。

在該工況下，利用理論推導線路阻抗的單調區間極為復雜，可采用數值求解的方法。

設定Rp=krZc，此時當

lT

(17)

Zfault的模值是變量l的單調增函數。

利用數字求解方法可以得到kr與kn間的關系如圖3所示。

由圖3可知，當Rp∈(0,+∞)時，kn的變化范圍滿足

kn∈(0.25,0.372)

(18)

綜合上述，對于同桿雙回架設方式且在首尾端互聯的接地極引線，無論末端接地電阻多大，當滿足均可保證引線出現任意金屬性故障時Zfault是變量l的單調增函數，且當l=0時，Zfault=0。

(19)

圖3　kr與kn關系圖Fig.3　Relationship between krand kn

2基于高頻信號注入的接地極引線阻抗監視策略

2.1接地極引線阻抗監視的硬件結構

特高壓直流輸電系統示意圖及接地極引線阻抗監視裝置如圖4所示。

圖4　特高壓直流輸電系統接地極引線故障監視裝置Fig.4　Impedance monitoring equipment for UHVDC ground electrode line

為實現接地極引線故障識別，在換流站內通過信號注入裝置向接地極引線注入高頻電流信號。同時，通過測量信號注入點的同頻電壓幅值，間接計算出接地極引線的阻抗變化。如果阻抗監視裝置檢測到的阻抗進入動作區，并持續一定時延，則向直流輸電控制保護系統發送接地極引線異常信號，提醒運行人員進行相應操作。

為配合注入法的實施，在接地極引線的兩端還分別串入一個并聯諧振濾波器，以阻止高頻信號的注入。其中，接地極址側的帶阻濾波器還會安裝與接地極引線波阻抗相匹配的并聯電阻[23]，以減少接地極引線在高頻下的駐波效應。

2.2接地極引線故障阻抗監視判據

由前文分析可知，只有當注入信號頻率與故障距離之間滿足式(8)或式(15)所示關系時，阻抗監視裝置的測量阻抗才是故障距離的單調增函數。在此條件下，可構造接地極引線阻抗監視判據，具體判據為

(20)

2.3頻率選擇原則及策略

本文提出的特高壓直流輸電系統接地極引線阻抗監視原理的著眼點在于利用注入的高頻信號，對接地極引線的阻抗進行在線監測，若引線阻抗小于整定值，則判為線路故障，監視裝置將通過控制保護發出報警信號。注入信號的頻率選擇應依據以下兩點原則：

1)當引線發生金屬性短路故障時，阻抗監視裝置的測量阻抗應隨故障距離的增加而單調增大。

2)當引線發生金屬性短路故障時，阻抗監視裝置測量到的最大阻抗模值應小于引線正常運行時監測到的阻抗模值，且留有一定裕度。

因此，以同塔雙回架設的接地極引線為例，注入信號頻率選擇策略如下。

策略1(單調性策略)

(21)

式中，lT為接地極引線全長；fin為注入信號的頻率。

由于線路故障距離l∈[0，lT]，因此當線路長度與注入信號頻率滿足式(21)，由式(19)可知，阻抗監視裝置測量到的線路阻抗即為故障距離單調增函數，滿足原則1)的要求。

策略2(可靠性策略)

同時，雖然接地極引線兩側的帶阻濾波器實現了對注入信號的阻斷，但由于接地極址側的濾波器裝置有并聯電阻，因此在對線路正常運行時的阻抗進行計算時，應計及并聯電阻的影響。

設定接地極址濾波器并聯電阻阻值為Rp，則引線正常運行時的阻抗Znormal可通過下式進行計算。

(23)

(24)

特別地，若接地極引線實現了末端并聯電阻對線路的完全匹配，式(23)和式(24)可簡化為

Znormal(s)≈Zc=Rp

(25)

2.4接地極引線阻抗監視整定方法

由2.2節可知，本文提出的接地極引線阻抗監視策略采用如式(20)所示的判據。

由于有帶阻濾波器的存在，接地極引線不存在區內故障、區外故障區分的問題，同時由于接地極引線運行工況較為單一，因此阻抗整定值可取線路正常運行時的阻抗，即

Zset=Znormal

(26)

3仿真驗證

3.1仿真模型

根據西南—華東某實際工程參數，利用PSCAD軟件建立±800 kV特高壓直流輸電系統仿真模型。直流輸電系統額定輸送容量8 000 MW；輸電線路長度1 652 km。該工程的接地極引線采用雙回并聯架設且首尾端互聯的運行方式，其結構如圖1所示。仿真系統中接地極引線采用Bergeron模型，接地極引線長度與實際相同，約為100 km。根據線路參數實測試驗，接地極引線參數如表1所示。

表1　仿真系統中接地極引線參數

為配合注入法的實施，在接地極引線的兩端還分別串入一個并聯諧振濾波器，濾波器的截止頻率與注入信號頻率相同。為了減少接地極引線在高頻下的駐波效應，引線末端為諧振濾波器裝設了并聯電阻，電阻取值275 Ω，接近于雙回線路的波阻抗值。

3.2注入信號頻率選擇及整定值計算

利用本文提出的阻抗監視策略對接地極引線進行監視，首先需要對注入信號的頻率以及策略整定值進行計算。

由于仿真系統中接地極引線采用同塔雙回并聯運行的方式，因此在注入信號頻率選擇時需采用式(21)、式(22)進行計算。根據接地極引線長度及實測參數計算可知：當fset<292 Hz時，阻抗監視裝置測量到的線路阻抗滿足單調性原則，而當fset<274 Hz時，線路阻抗滿足可靠性原則；綜合上述兩個計算結果，選取注入信號頻率fset=273 Hz。

利用圖2所示阻抗監視原理，向接地極引線注入0.15 A的高頻電流。在此工況下，利用PSCAD仿真可得：在引線末端電阻的作用下，接地極引線正常運行時，阻抗監視裝置測量到的線路阻抗值Znormal=261.345+j87.483 Ω。

3.3故障仿真分析

當注入信號頻率為273 Hz時，圖5為當接地極引線出現單回金屬性接地短路及雙回同時金屬性接地短路時，阻抗監視裝置的測量阻抗模值與故障距離間的關系。

由圖5可知，由于注入信號頻率較低，接地極引線全長小于注入信號波長的1/8，因此線路出現金屬性接地故障時測量阻抗隨故障距離單調增加，該結論與理論分析一致。

圖5　273 Hz信號注入下接地極引線故障阻抗特性Fig.5　Reactive characteristic of ground electrode lines when the frequency of injection signal is 273 Hz

為了驗證算法的有效性，表2中分別考慮了接地極引線在5 km、20 km、50 km、70 km以及100 km處出現單回接地短路及雙回同時接地短路故障的情況。由于接地極引線電壓等級偏低(在5 000 A電流注入下僅有7.70 kV)，出現高過渡電阻可能性偏低，因此本文僅考慮過渡電阻為100 Ω的情況。表中“+”表示正確識別故障，“-”表示未能正確識別故障。

由表2可知，利用本文提出的阻抗監視策略，當接地極引線出現金屬性接地故障時，均能可靠識別故障，阻抗監視策略的有效范圍達到線路全長。同時，短路點過渡電阻會導致阻抗測量存在誤差，但在相同的故障類型和過渡電阻下，測量阻抗模值依然滿足隨故障距離的增加而增加的關系，且遠端故障時測量誤差較近端故障時測量誤差小。這說明過渡電阻的存在未影響測量阻抗的單調性，且遠端故障時測量誤差較近端故障時測量誤差小的特點還有利于提高故障辨識的可靠性。因此，在短路點過渡電阻小于100 Ω的工況下，阻抗監視裝置依然能在接地極引線接地故障下可靠地識別故障。

表2　故障仿真結果

4結論

本文提出了一種全新的特高壓直流輸電系統接地極引線的阻抗監視策略。該策略在換流站內會通過信號注入裝置向接地極引線注入高頻電流信號。同時，通過測量信號注入點的同頻電壓幅值，間接計算出接地極引線的阻抗變化。由輸電線路全頻帶阻抗-距離特性可知，只有當注入信號頻率小于某特定數值后，輸電線路的測量阻抗隨故障距離的變化關系才是單調的。基于此，提出了接地極引線阻抗監視裝置的注入頻率選擇原則和整定原則。

利用實際特高壓直流輸電工程參數，建立PSCAD仿真模型對本文提出的阻抗監視策略進行了仿真驗證，結果表明，本文提出的阻抗監視策略可以可靠地識別接地極引線故障，并具有一定的抗過渡電阻的能力，具有較好地應用前景。后續將開展接地極引線阻抗監視策略對引線開路故障以及高阻接地故障的適應性研究。

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Impedance Monitoring Scheme for Ground Electrode Line of Ultra High Voltage DC Transmission System

Teng Yufei1Wang Yu2Jiao Zaibin2Zhang Chun1Pang Guangheng3

(1.State Grid Sichuan Electrical Power Research InstituteChengdu610072China 2.School of Electrical EngineeringXi’an Jiaotong UniversityXi’an710049China 3.China Electrical Power Research InstituteBeijing100192China)

AbstractA novel impedance monitoring scheme is proposed in this paper in order to detect faults occurring in the ground electrode lines of ultra high voltage DC(UHVDC)transmission systems reliably and rapidly.Firstly,the theoretical analysis of the full-band impedance vs.distance characteristic of the ground electrode line is carried out.Because a high frequency signal injection-based method is used in the proposed scheme,the principle of determining the frequency of the injection signal is discussed and the criterion of fault alarm are given.The study shows that the imaginary part of the measured impedance has a periodic variation with the distance of the bolted fault when the length of the ground electrode line is larger than half the injection signal’s wave length,which increases the difficulty of setting the criterion.Therefore the selected frequency of the injected signal should ensure that in case of a bolted fault the line impedance changes monotonically with the fault distance,and the modulus value of the maximum fault impedance should be less than that of a normal operation case with a certain margin.Some PSCAD based simulations are performed to verify the proposed scheme.The results show that the faults occur in the ground electrode line can be detected rapidly and reliably,and the proposed scheme has good practice perspective.

Keywords：Ultra-high voltage DC transmission system，ground electrode line，impedance monitoring，impedance-distance characteristic，frequency of injection signal，full frequency range

收稿日期2015-04-28改稿日期2015-09-21

作者簡介E-mail：yfteng2011@163.com(通信作者) E-mail：zzzx.fish@stu.xjtu.edu.cn

中圖分類號：TM77

滕予非男，1984年生，高級工程師，博士，研究方向為電力系統分析與控制。

王魚女，1990年生，碩士研究生，研究方向為電力系統繼電保護。