特高壓直流雙極輸電線路間互感的仿真研究

周興遠

摘 要：溪洛渡至浙江金華特高壓直流輸電線路在一極故障重啟動過程中引起健全極保護系統誤動作。文章針對這一現象進行了研究，指出故障極在重啟動時由于線路耦合在健全極上產生感應電磁電流，引起健全極電壓突變量保護功能動作，導致健全極功率短時間大幅下降。建立了特高壓直流輸電線路模型，推導線路間電磁耦合解析方程式，分析故障時的直流電壓電流波形特征。并且分析了不同工況下一極故障在另一極上產生感應電磁電流的波形特征。最后介紹已有的電壓突變量保護功能的優化策略。

關鍵詞：特高壓直流；直流控制保護系統；電磁耦合；直流線路故障；試驗

中圖分類號：TM726 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0195-02

1 概述

2014年7月溪浙特高壓直流運行中，直流極I直流線路故障，兩次全壓再啟動成功。受極I直流線路故障影響，極II直流線路產生感應電壓和感應電流，滿足直流線路電壓突變量保護動作條件，極II因直流線路保護動作而閉鎖。在后續的仿真試驗中發現，直流線路一極發生故障，即使健全極直流線路保護不動作，也會因為直流線路間的電磁感應產生較大的感應電壓和感應電流，產生較大的功率缺額，對系統安全穩定運行產生不利的影響。

據統計，高壓直流線路故障占直流系統故障的50%，但是直流線路保護的正確動作率只有50%，有近一半的直流輸電線路故障是由控制系統響應動作，造成直流系統閉鎖，引起不必要的停運。因此，提高高壓直流輸電系統控制保護性能，對優質，穩定的供電起到至關重要的作用。

針對上述問題，本文主要介紹了雙極直流線路互感的機理分析和其他雙極運行方式下的情況。

2 互感的機理分析

根據多導體傳輸理論，雙極直流線路電氣參數主要有自阻抗，互阻抗，自導納和互導納。自阻抗包括自電阻和自電感，互阻抗包括互電感（互電阻忽略），自導納包括對地電容（對地電導忽略），互導納包括互電容。雙極直流線路之間通過自阻抗，互阻抗，自導納和互導納相互耦合。列寫長度為Δz導體的KVL和KCL的方程。

為獲得雙極直流線路之間相互耦合的關系，可以將KCL方程帶入KVL方程，得到電壓方程，將KVL方程帶入KCL方程，可得電流方程。帶入后的方程式即為雙極直流線路之間相互耦合的方程式。

在故障極發生故障的瞬間，健全極上感應電壓主要通過極導線的自電阻、互電阻和互電感及故障極電壓和電流變化產生，而健全極上感應電流主要通過極導線的自電阻、互電容及故障極電壓和電流。

3 故障極恢復過程中健全極的感應電壓和感應電流

雖然不同廠家的換流器在故障后的恢復特性有差異，但根據部分換流器在直流線路恢復過程中的實際控制特性，且為了簡化分析過程，把故障極電壓和電流的恢復過程分為三個階段，各個階段電壓和電流變化具有大致如下特性：

第一階段：電壓首先開始快速恢復，電流尚未開始恢復。故障極的電壓上升速度很快，約為30～60kV/ms，持續時間約為10～20ms。

在故障極電壓和電流恢復的第一個階段，將在健全極上產生感應電壓和感應電流，感應電壓主要由線路電阻、互電容參數、線路長度及故障極電壓恢復速率決定，而感應電流主要由線路互電容參數、線路長度及故障極電壓恢復速率決定。由多導體參數的一般關系及高壓直流輸電系統的一般控制特性可知，在故障極電壓和電流恢復的第一個階段，在健全極上產生的感應電壓較低和感應電流都很低，感應電流方向與健全極上原電流方向一致。

第二階段：電壓恢復速度降低，已經基本恢復完畢，而電流開始快速開始恢復。故障極的電壓上升速度降低，約為2～4kV/ms；而故障極電流恢復速率很快， 約為40～80A/ms，持續時間約為50ms～100ms。

在故障極電壓和電流恢復的第二階段，電壓恢復速度降低，電流快速開始恢復。也就是說，故障極電壓和電流同時在恢復。這個階段，是分析雙極直流系統故障極恢復過程中在健全極上感應電壓和電流的主要階段。由多導體參數的一般關系及高壓直流輸電系統的一般控制特性可知，在故障極電壓和電流恢復的第二個階段，在健全極上產生較高的感應電壓，其方向與健全極原電壓方向相反，使得健全極上的電壓絕對值降低；而在健全極上產生的感應電流的方向與健全極上原電流方向一致，使得健全極上原電流增加。如前述，故障極的電壓和電流在同時恢復過程當中，在健全極上產生感應電壓，此電壓會使得健全極上電壓的絕對值降低。從健全極上感應電壓表達式可以看出，其主要通過極導線之間的互電感耦合產生。同時，通過雙極直流線路的互電感還會在健全極上產生感應電流，此感應電流幅值很大，方向與健全極中的電流方向一致。

在故障極電壓和電流恢復的第三階段，電壓恢復完畢，電流恢復速度降低，但電流在繼續恢復中。其實，也可以將第三階段看成是第二個階段的特例，認為在第二階段，電壓已經恢復完畢。

如果故障極電壓恢復速度非常快，在大約10ms～20ms完全恢復完畢，則可以用此第三階段來分析健全極上的感應電壓和感應電流。如果故障極電壓和電流同時恢復時間較長，則應該用第二階段來分析健全極上的感應電壓和感應電流。

進一步總結，在故障極電壓和電流同時恢復過程中，引起健全極電流絕對值大于其指令值的主要原因為：故障極電壓和電流以較快速度恢復；引起健全極電流絕對值開始減小的主要原因為：健全極整流側增加觸發角，健全極整流側電壓絕對值低于健全極逆變側電壓絕對值，健全極自身電壓以較快速度開始下降， VDCOL有可能啟動；引起健全極整流側電壓絕對值低于健全極逆變側電壓絕對值的主要原因為：健全極整流側增加觸發角。

4 兩極線路間互感的仿真分析

為了分析驗證高壓雙極直流輸電線路一極發生接地故障對另一健全極的影響，本章用PSCAD仿真軟件對高壓直流輸電線路模型進行了仿真，通過仿真分析不同運行工況和不同故障狀態下對健全極的擾動，并根據改進措施驗證了控制策略的可行性與有效性。

4.1 運行電壓對雙極相互感應的影響（故障位置在線路中點）

根據雙極直流線路參數及故障極電壓和電流的變化特性，一極發生故障后，當故障極電流絕對值在上升期間，將會在健全極上產生與原來電壓方向相反的感應電壓和感應電流，使得健全極上電壓絕對值首先下降，而健全極上的電流絕對值也會出現明顯下降。

當故障極電流絕對值開始下降后，會在健全極上產生與原來電壓方向相同的感應電壓，使得健全極上電壓絕對值開始上升，而健全極上的電流絕對值繼續會出現明顯下降。

根據仿真分析，一極全壓運行另一極半壓運行時，一極線路發生故障，健全極功率缺額現象最為嚴重。

4.2 故障位置對雙極相互感應的影響

雙極站間通訊正常，雙極功率控制，一級全壓一級半壓，雙極運行，功率正送指令8000MW。

根據仿真分析雙極直流輸電線路一級發生故障時，會使得健全極電壓大幅下降，距離故障點遠端的健全極的電壓下降最為明顯，極有可能導致健全極VDCOL保護動作引起極閉鎖。

5 關于VDCOL的改進措施驗證

根據前文分析當一極線路的電流在一定時間內快速變化時，將在另一極線路產生感應電流。此感應電流會使得健全極的保護誤動作從而導致功率的短時間內大幅度下降。當前采取的改進措施是在一極線路故障時，將另一極VDCOL功能暫時閉鎖一段時間。

5.1 VDCOL改進邏輯控制原理

當另一極處在運行狀態時，并且在運行過程中出現了故障。在故障重啟動命令出現時，300ms內VDCOL內部計算直流電壓不再取值實際直流電壓，而是強制取值1.0pu（單閥組運行取400kV，雙閥組運行取800kV）。

5.2 VDCOL改進成果

改進后雖然仍然會產生在健全極上產生相應的感應電流，使得系統自動調整直流電壓下降，但是避免了VDCOL保護動作，雙極功率下降量明顯減少，并很快恢復至額定功率。

6 結束語

本文針對一次實際工程中的直流閉鎖事件，為進一步排查隱患并分析特高壓直流輸電線路故障對控制保護功能的影響，本文對事件線路溪浙特高壓直流輸電線路展開了仿真分析：分析了在雙極直流輸電下單極發生故障，對另一極的影響。并指出導致非故障極電壓突變量保護動作閉鎖的原因是故障極直流電流在快速恢復過程中由于線路之間的電磁耦合現象在健全極上產生感應電流，使得短時間內電流不受控制。最終導致嚴重的功率缺額現象。根據建立的仿真模型，對影響雙極線路互感的因素進行研究，并分析其他運行模式下線路互感的情況。

本文研究的特高壓雙極線路之間互感影響因素，有利于我國進一步深入掌握直流輸電關鍵技術和可有效提高我國特高壓交直流輸電骨干網架的可靠性和穩定性，不僅對完善特高壓雙極輸電線路的相關理論體系將發揮一定的推動作用，還對于我國以后建設特高壓直流工程發揮重要的作用，實現電力工業全面、協調、可持續發展。

參考文獻：

[1]浙江大學發電教研組直流輸電科研組.直流輸電[M].水利電力出版社，1985，6：1-24.

[2]袁清云.特高壓直流輸電技術現狀及在我國的應用前景[J].電網技術，2005，29（14）：1-3.

[3]曾南超.高壓直流輸電在我國電網發展中的作用[J].高電壓技術，2004，30（11）：11-12.

[4]Hagman I. Protective equipment in a bipolar HVDC station： US， US5737166[P]. 1998.

[5]Hingorani N G. Transient Overvoltage on a Bipolar HVDC Overhead Line Caused by DC Line Faults[J].1970，PAS-89（4）：592-610.

[6]王德林，呂鵬飛，阮思燁，等.特高壓直流雙極輸電線路互感影響及對策研究[J].中國電機工程學報，2015，35（17）：4353-4360.

[7]雷霄，許自強，王華偉，等.±800kV特高壓直流輸電工程實際控制保護系統仿真建模方法與應用[J].電網技術，2013，37（5）：1359-1364.