高壓直流輸電線路暫態保護分析與展望

廖毅敏

摘 要：高壓直流輸電系統以其輸送距離長、功率大、低損耗等獨特優勢在電力系統中發揮重要作用，其運行穩定性和安全性要求很高。快速切除系統中故障成為系統保護設備、提供優質電能的有效措施之一。從現有直流輸電工程運行可見，線路故障是系統停運主要原因，且現有直流線路保護存有缺陷。因此迫切需要進行直流輸電線路保護研究、提高直流輸電線路保護可靠性。基于此，本文主要對高壓直流輸電線路暫態保護與展望進行分析探討。

關鍵詞：高壓直流輸電線路;暫態保護;展望

1、前言

目前國內的所有直流輸電控制與保護系統均采用ABB和西門子的裝備和技術。高壓直流線路保護通常采用行波保護作為主保護，微分欠壓保護作為行波保護的后備保護，縱聯電流差動保護作為直流線路發生高阻短路時的后備保護及前二者的后備保護。大量運行經驗與研究表明，上述高壓直流輸電保護的原理、方案以及配置有較大缺陷，多起直流輸電系統的閉鎖停運事故是由于保護的誤動和拒動引起的。研究高速、可靠、高靈敏度的行波保護新原理和方案是高壓直流輸電系統亟待解決的問題。

2、現有高壓直流輸電線路單端暫態保護原理

目前國內外學者研究高壓直流輸電線路暫態保護的基本思想是：平波電抗器、直流濾波器構成高壓直流輸電線路邊界，該邊界對高頻量有很強的衰減，利用保護元件來區分本端的區內和區外故障。可以稱之為利用保護元件區分本端區內外故障的高壓直流輸電線路單端電壓暫態保護原理，該暫態保護原理如圖1所示。

現有利用保護元件區分本端區內外故障的特高壓直流輸電線路單端電壓暫態保護原理的基本原理為：直流輸電線路的兩端均加裝有平波電抗器和直流濾波器，平波電抗器和直流濾波器構成直流輸電線路固有的邊界。該直流輸電線路邊界的頻率特性為：高壓直流輸電線路邊界是一個低通濾波器，對高頻量有很強的衰減作用。該原理忽略直流輸電線路的影響，即不考慮直流輸電線路對高頻量的衰減作用。所以該原理認為：當直流輸電線路區外d3點故障時，故障暫態電壓高頻量由于直流輸電線路邊界的衰減作用，在保護安裝處檢測到暫態電壓的高頻分量很小;而直流輸電線路區內d1點、d2點故障時，由于不考慮直流輸電線路對高頻量的衰減作用，故障暫態電壓的高頻分量將無衰減地傳至保護安裝點，于保護安裝處檢測到的故障暫態電壓的高頻分量較大。所以，該暫態保護原理認為利用區內、區外故障時在保護安裝點檢測到的暫態電壓高頻分量大小的差異就能準確地區分直流輸電線路的區內、區外故障。

3、直流線路行波保護研究現狀

目前的高壓直流輸電線路的行波保護以及其后備保護的原理和配置還有許多漏洞，需要進一步研究新的保護原理和算法。事實上，交流輸電線路的行波保護自20世紀70年代就已經出現，包括行波方向判別式、行波距離、行波極性判別式等保護原理。進入90年代以來，隨著小波分析、多分辨分析與波形奇異性檢測等技術的不斷成熟和發展，研究者們又賦予了行波保護新的內涵，即不再僅局限于行波波頭的信息，而是對在一個時間段內的整個暫態行波波形的時頻信息進行綜合分析，得到區內外故障的特征差異，進而構造新的暫態保護或邊界保護。

近年來，在交流輸電線路的行波保護、暫態保護以及邊界保護的啟發下，眾多保護研究者將交流輸電線路的行波保護原理“移植”到高壓直流輸電線路的保護中，取得了一系列的成果。

文獻根據線路內部故障時故障暫態高頻分量較為豐富而外部故障時高頻分量較少的特征，利用小波多分辨分析，提出了高壓直流線路暫態邊界保護判據，并對雷電沖擊進行了識別。文獻則利用區內故障行波極性相同，而區外故障行波極性相反的特征，利用小波變換工具，提出了直流線路的行波極性比較式的保護判據。

4、問題總結

要想提出可靠的高品質直流輸電線路的保護，必須解決下面幾個方面的基礎理論問題。

（1）邊界保護類型實際上是利用直流輸電線路邊界對高頻暫態分量的影響特征：區外故障時，初始暫態行波透過線路邊界，而區內故障時不需透過線路邊界，從而使得區內外故障在高頻分量特征上具有較大差異。那么具有非線性電力電子開關器件的線路邊界的透射系數的模型，當故障發生在整流或逆變的交流側行波透過非線性的線路邊界后的特征就成為必須解決的問題。

（2）行波距離保護類型是利用檢測初始行波和在本端線路邊界發射后再從故障點反射的行波之間的時間差構成保護原理，那么對于具有非線性邊界的直流線路邊界的反射系數的模型和行波在邊界反射后的特征的研究就對行波距離保護的可靠性和安全性至關重要。

（3）目前所有的行波保護的新原理都是基于故障后的疊加原理，即認為故障后的故障附加網絡是在故障點疊加一個與故障前電壓大小相等方向相反的電壓源，在這個附加電源的作用下，行波向線路兩端傳播，例如行波極性判別式原理。但疊加原理僅適用于線性網絡，對于非線性的直流輸電系統，這一原理是否有效就值得深入研究，探索新的適合直流系統故障暫態過程分析的方法是解決高壓直流輸電線路暫態保護的基礎問題之一。

（4）對于暫態行波保護來說，高過渡電阻短路是一道很難逾越的鴻溝，因為當過渡電阻較大時，行波波頭中含有的高頻分量大量減少，從而導致波頭不明顯，給暫態行波檢測帶來困難。因此必須有一套能夠反映包括暫態量和穩態量在內的克服較大過渡電阻的保護作為高過渡電阻故障的主保護，由于故障后低電壓限流等控制系統的作用，電流縱差動保護不能滿足速動性要求。研究反映全部電氣量信息具有靈敏度高，抗過渡電阻能力強，故障特征持續，不受控制系統作用的影響，不受線路邊界特征的影響等，這些新型直流輸電線路的暫態保護原理、判據、算法和方案是繼電保護研究者的重要內容。

參考文獻

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