高壓直流輸電線路保護(hù)與故障測(cè)距原理研究

閆建欣

摘 要：近幾年，隨著電網(wǎng)改擴(kuò)建項(xiàng)目的不斷實(shí)施，高壓直流輸電線路在整個(gè)線路中占據(jù)的比例與發(fā)揮的作用變得越來越巨大，高壓直流輸電線路保護(hù)與故障測(cè)距成為電力企業(yè)重要工作內(nèi)容。基于加強(qiáng)高壓直流輸電線路保護(hù)，減少故障發(fā)生目的，文章對(duì)幾種高壓直流輸電線路的故障測(cè)距原理進(jìn)行了相應(yīng)分析，并在此基礎(chǔ)上提出了一些直流輸電線路的保護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電線路；故障測(cè)距；行波原理；保護(hù)措施

前言

高電壓直流輸電線路建設(shè)是我國(guó)為適應(yīng)和滿足持續(xù)上漲的用戶用電量需求所采取的一個(gè)重要舉措。與常規(guī)電壓線路相比，高電壓直流輸電線路具有跨越區(qū)域廣，輸電距離長(zhǎng)，所處地形氣候環(huán)境更加復(fù)雜等特點(diǎn)，一旦其發(fā)生故障，不僅排除難度大，而且容易造成嚴(yán)重的損失。有關(guān)調(diào)查表明，高壓直流輸電線路故障率是我國(guó)直流輸電系統(tǒng)故障中的最高者，高壓直流輸電線路保護(hù)重要性由此可見一斑。

1 高壓直流輸電線路故障測(cè)距原理

1.1 基于故障分析的故障測(cè)距原理

基于故障分析的故障測(cè)距原理是：根據(jù)系統(tǒng)對(duì)故障發(fā)生時(shí)所記錄下來的有關(guān)參數(shù)以及測(cè)量點(diǎn)測(cè)量所得電流量、工頻畫電壓等參數(shù)，通過對(duì)應(yīng)方程的求解計(jì)算，從而求出測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)之間的距離值。之所以依據(jù)該原理能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)故障的測(cè)距，是因?yàn)樵谙到y(tǒng)運(yùn)行方式和線路參數(shù)已知的情況下，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，測(cè)量點(diǎn)處的電壓和電流量是故障點(diǎn)距離的函數(shù)，它們之間存在一定關(guān)聯(lián)性，這樣根據(jù)系統(tǒng)對(duì)故障發(fā)生時(shí)所記錄下來的測(cè)量點(diǎn)電壓、電流量即可確定出故障點(diǎn)的位置[1]。

1.2 基于行波保護(hù)的故障測(cè)距原理

行波保護(hù)，是一種利用故障狀態(tài)下暫態(tài)行波本身帶有的故障點(diǎn)信息來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路保護(hù)的一種有效方法，被認(rèn)為是高壓直流輸電線路保護(hù)中最主要、有效保護(hù)方法之一，具有保護(hù)動(dòng)作精確度高，動(dòng)作迅速敏捷等特點(diǎn)。基于行波原理的故障測(cè)距就是在行波保護(hù)方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距的基本原理是：對(duì)暫態(tài)行波的波頭（或反射波波頭）到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間和波速進(jìn)行精確計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算出故障發(fā)生的具體位置。基于行波保護(hù)的故障測(cè)距方法測(cè)距精度高，計(jì)算速度快，及時(shí)準(zhǔn)確，且不受故障類型、線路類型、接地電阻等參數(shù)的影響。目前，我國(guó)高壓直流輸電線路的故障測(cè)距中所使用的大多數(shù)測(cè)距裝置基本都是基于行波保護(hù)原理所研發(fā)而成的，在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)距效果較好[2]。從基于行波原理的故障測(cè)距原理分析來看，對(duì)暫態(tài)行波波頭的探測(cè)是該測(cè)距方法的關(guān)鍵與難點(diǎn)，若不能及時(shí)準(zhǔn)確探測(cè)到行波波頭，后續(xù)測(cè)距中的其他變量也就無法獲得，進(jìn)而也就無法實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的準(zhǔn)確定位。所以，采用這種測(cè)距方法對(duì)線路故障進(jìn)行定位，首先需要解決的問題就是對(duì)行波波頭的有效探測(cè)，而小波變換是現(xiàn)階段使用較多的一種波頭探測(cè)方法。

1.3 基于阻抗法的故障測(cè)距原理

基于阻抗法的故障測(cè)距原理是：對(duì)故障發(fā)生的測(cè)量點(diǎn)處電壓、電流進(jìn)行測(cè)量，然后計(jì)算出故障回路的阻抗，再依據(jù)故障回路阻抗與測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)距離間關(guān)系最終求出測(cè)量點(diǎn)與故障點(diǎn)之間的距離。當(dāng)高壓直流輸電線路均勻時(shí)，故障回路阻抗與測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)之間的距離通常呈正比關(guān)系，這是基于阻抗法的故障測(cè)距的基本原理和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。使用這種測(cè)距方法的前提條件是要先假設(shè)高壓直流輸電線路是均勻的，但實(shí)際往往并非如此，因而這種測(cè)距方法存在一定誤差。

2 高壓直流輸電線路保護(hù)措施

目前，高壓直流輸電線路保護(hù)所使用的保護(hù)方法主要有行波保護(hù)、縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、微分欠壓保護(hù)、低電壓保護(hù)等幾種方法，其中尤以行波保護(hù)和微分欠壓保護(hù)為主。

2.1 輸電線路的行波保護(hù)與縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)措施

關(guān)于行波保護(hù)在上面已有所提到，即是利用故障狀態(tài)下暫態(tài)行波本身帶有的故障點(diǎn)信息來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路保護(hù)的一種方法。根據(jù)電磁場(chǎng)理論相關(guān)觀點(diǎn)，以波的形式進(jìn)行傳播的電能，不管輸電線路處于何種狀態(tài)（正常或故障），線路上始終都存在著行波運(yùn)動(dòng)，包括電流行波和電壓行波[3]。基于這一特點(diǎn)，當(dāng)高壓直流輸電線路在運(yùn)行過程中發(fā)生故障時(shí)，在故障點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生接近光速傳播的、向兩側(cè)展開的暫態(tài)行波（暫態(tài)電流行波和暫態(tài)電壓行波），這樣暫態(tài)行波中便包含有豐富的故障信息。通過繼電保護(hù)系統(tǒng)對(duì)暫態(tài)行波中的故障信息加以充分的分析和利用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的行波保護(hù)。這種保護(hù)方法利用故障初期的電流電壓信息來對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)，可以有效避免極控對(duì)保護(hù)的影響，保證保護(hù)動(dòng)作速度。

對(duì)于高壓直流輸電線路發(fā)生的高阻接地故障，由于一些原因可能會(huì)出現(xiàn)行波保護(hù)與微分欠壓保護(hù)兩種方法均檢測(cè)不到線路上電壓、電流變化情況，此時(shí)就需要采用線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)法來對(duì)線路實(shí)施保護(hù)措施。當(dāng)高壓直流輸電線路發(fā)生高阻接地故障時(shí)，部分直流線路被短路，導(dǎo)致線路兩端電流的測(cè)量值出現(xiàn)偏差，采用線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的后備保護(hù)。但需要注意的是，由于高壓直流輸電線路電壓等級(jí)高，對(duì)地電容大，這樣受區(qū)外故障發(fā)生給電壓帶來的擾動(dòng)影響，就會(huì)產(chǎn)生很大的對(duì)地充放電流[4]。而對(duì)地充放電流的產(chǎn)生容易造成誤動(dòng)作，為了避免這一情況發(fā)生，需要將直流線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)設(shè)置的較長(zhǎng)一些，絕不能短于主保護(hù)動(dòng)作延時(shí)時(shí)長(zhǎng)。在實(shí)際的保護(hù)措施實(shí)施中，充分考慮其他保護(hù)動(dòng)作時(shí)限，通常將線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)設(shè)置為500ms，并增設(shè)一個(gè)閉鎖環(huán)節(jié)，用以避免縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)發(fā)生。

2.2 輸電線路的微分欠壓保護(hù)與極控后備保護(hù)措施

高壓直流輸電線路保護(hù)中的微分欠壓保護(hù)方法，存在的兩個(gè)必要?jiǎng)幼鳁l件就是微分和欠電壓，只有同時(shí)具備微分和欠電壓，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)直流輸電線路的有效保護(hù)。微分欠壓保護(hù)法對(duì)于電壓變化率的計(jì)算所采用的計(jì)算方法和定值方法與行波保護(hù)是相同的，但微分欠壓保護(hù)的電壓變化率擁有更長(zhǎng)的脈沖寬度，為20ms，而行波保護(hù)的電壓變化率脈沖寬度則為6ms[5]。這一脈沖寬度差異，使得微分欠壓保護(hù)法在故障距離較遠(yuǎn)或行波保護(hù)退出保護(hù)范圍時(shí)，可以起到一個(gè)后備保護(hù)的作用，是高壓直流輸電線路保護(hù)中的主要方法之一。但與行波保護(hù)一樣，微分欠壓保護(hù)同樣存在保護(hù)動(dòng)作靈敏性隨著接地電阻阻值的增大而降低的缺陷。針對(duì)高壓直流輸電線路保護(hù)動(dòng)作拒動(dòng)情況，為了依舊實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的有效保護(hù)，還需要在極控系統(tǒng)中設(shè)置多套極控后備保護(hù)。

3 結(jié)束語

文章主要介紹了三種故障測(cè)距原理方法，即基于行波原理的故障測(cè)距、基于阻抗法的故障測(cè)距和基于故障分析的故障測(cè)距。這幾種測(cè)距方法各有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的測(cè)距要求和測(cè)距條件，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況予以合理選擇。對(duì)于高壓直流輸電線路的行波保護(hù)、微分欠壓保護(hù)、縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)等保護(hù)方法，應(yīng)相互結(jié)合使用。總之，高壓直流輸電線路保護(hù)是一項(xiàng)重要工程。

參考文獻(xiàn)

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[3]陳仕龍，謝佳偉，畢貴紅，等.一種特高壓直流輸電線路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙端故障測(cè)距新方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，04：257-264.

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