LCC-HVDC 逆變側換流站近區交流線路高阻接地故障保護

任 萱，王 賓，俞 斌，謝 民，謝 華，黃 濤

（1. 電力系統及大型發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室,清華大學,北京市 100084；2. 國網安徽省電力有限公司,安徽省合肥市 230061；3. 南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇省南京市 211106）

0 引言

中國超特高壓交直流混聯電網中,直流系統以基于電網換相換流器的高壓直流（LCC-HVDC）為主,換流器件承受故障沖擊能力較差、自身不具備關斷能力,逆變側換流站近區交流系統的簡單故障如果清除不及時,易誘發多換流站同時及后續換相失敗、直流系統單/雙極閉鎖等連鎖事故,嚴重威脅電網安全［1-3］。

交流高壓線路保護采用縱聯保護,具有良好的正確動作率［4-5］。實際運行中,主要挑戰來自絕緣子閃絡、雷擊、山火等誘發的弧光高阻接地故障［6］,此時接地電阻值較大,一般為幾百至幾千歐姆,且存在明 顯的非線性［7］。DL/T559—2007《220 kV～750 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》標準規定：750 kV線路的接地故障保護最后一段以適應短路點接地電阻值為400 Ω 的接地故障為整定條件。當LCCHVDC 換流站近區經400 Ω 接地時,母線電壓下降可達10%,大于國際大電網會議（CIGRE）高壓直流輸電標準測試模型的臨界換相電壓（約0.94 p.u.）［8］,存在換相失敗風險；此時,由于故障電流較小,影響了保護啟動元件的靈敏性,在故障發展速度較慢的情況下,保護出口時間可達120 ms 以上,導致換相面積長時間縮短,容易引發連續或后續換相失敗,增加直流站閉鎖的風險。此外,電弧電流的非線性特征會導致換相電壓產生波形畸變,換相面積減小,諧波總畸變率高于4%時即可能引起直流系統換相失敗［9-10］。因此,亟須開展LCC-HVDC 換流站近區交流線路弧光高阻接地故障快速隔離相關研究。

零序差動保護主要用來應對接地故障,高阻接地故障時面臨的主要困難是如何合理整定解決靈敏性與可靠性的權衡問題。由于高阻接地故障時相/零序電流變化量小、相電壓下降不明顯、零序電壓幅值小等原因,保護裝置中各類型啟動元件（相電流、零序電流、低電壓、零序電壓等）均存在靈敏度不足的問題；零序差流的動作門檻值受不平衡電流的影響,削弱了差動保護元件對高阻接地故障的動作靈敏性。目前,超特高壓輸電線路零序差動保護應對弧光高阻接地故障時動作出口時間較慢［11-13］。

針對上述問題,國內外相關研究人員針對弧光高阻接地故障的識別、保護展開了系列研究。針對弧光高阻接地故障的識別,從電弧的畸變特性出發,相繼提出了諧波分析法［14-16］和伏安特性法［17］等方法；從暫態、穩態電路分析出發,提出了暫態能量法［18］、投影系數法［19］等方法；從行波角度有行波分析法［20］；此外還有專家系統、神經網絡等智能算法［21-22］。諧波分析法在電弧穩定燃燒或波形畸變不明顯時的故障檢測成功率較低［23］；基于穩、暫態電路分析的識別方法未考慮電弧特性；行波分析法受啟動門檻限制,精度較低；基于人工智能的識別方法物理意義不夠明確,且計算量大。文獻［17］提出了基于伏安特性畸變的弧光高阻接地故障識別方法,可有效識別配電網中的弧光高阻接地故障,但該方法在高壓輸電網中未有相關應用。針對弧光高阻接地故障保護方向,文獻［24-26］通過自適應調整動作門檻值和制動系數,提高零序差動保護在高阻接地故障時的動作性能,但未考慮保護裝置中各元件靈敏度不足的問題；文獻［27］提出了一種基于參數識別的高阻接地距離保護算法,但該方法未考慮分布電容的影響,只適用于中短距離的高壓輸電線路；文獻［28-29］提出了適用于特高壓交流線路的零序電抗繼電器保護算法,利用電抗分量構造動作元件,具有較強的抗過渡電阻能力和穩定的保護范圍,但由于LCC-HVDC 換流站近區雙回交流線路拓撲和故障特性較為特殊,發生故障時線路兩端電壓為跟隨關系,各相量的相位差均較小,零序電流近似引入的相位誤差會導致操作電壓和零序電流的相位關系改變,使得零序電抗繼電器在LCC-HVDC 換流站近區交流線路上應用失效。基于站域或廣域信息,可豐富保護功能,提高保護性能［30］。目前,已有應對高阻接地故障的廣域后備保護方案,但僅適用于傳統交流系統中的局部環網、分支線路等［31-32］,且保護靈敏度仍受到閾值整定的影響,抗過渡電阻能力有限。此外,目前相關研究均未考慮線路某端弱饋的情況,因此無法直接應用于換流站近區高阻接地故障保護中［33-35］。

本文在緊密結合高壓直流分層接入超/特高壓交流電網拓撲的基礎上,分析了影響零序差動保護動作特性的關鍵因素,基于雙回線廣域信息,提出了適用于LCC-HVDC 換流站近區交流線路的高阻接地故障啟動元件、方向元件及保護方案,并仿真驗證了其有效性。

1 LCC-HVDC 換流站近區交流線路零序差動保護動作特性分析

為了提高輸送容量,LCC-HVDC 逆變側換流站一般經換流變壓器通過雙回交流線路送出,且換流變壓器交流母線側中性點通常為星形接地,如圖1所示。

圖1 LCC-HVDC 換流站接入交流電網拓撲Fig.1 Topology of LCC-HVDC converter station connected to AC power grid

1.1 換流站近區交流線路高阻接地故障零序網絡分析

換流站近區交流線路發生弧光高阻接地故障時,由于換流變壓器在交流母線側中性點采用星形接地,系統零序網絡如附錄A 圖A1（a）所示。圖A1中：Z0為線路單位長度的零序阻抗值；L為線路總長；lk為故障點與M側母線之間的距離；XT為變壓器等 效 電 抗；ZN0為 交 流 電 源 的 零 序 阻 抗；I?M0、I?N0分 別為線路兩側保護處量測到的零序電流。

對圖A1（a）進行星角變換,可得如圖A1（b）所示的簡化網絡,圖中各等效阻抗Z1、Z2、Z3為：

由圖A1（b）可見,故障線路兩側保護處零序電流的分配不僅受故障距離的影響,還受到變壓器等效電抗和交流電源零序阻抗的影響。兩側零序電流I?M0與I?N0的 比 可 表 示 為：

可見在故障支路電流大小不變的情況下,M側的零序電流分流隨著故障距離的增大而逐漸減小。

故障發生在M側時,lk=0,線路兩端零序電流之比為：

故障發生在N側時,lk=L,線路兩端零序電流比為：

由于變壓器等效電抗一般遠大于線路阻抗和系統阻抗,因此當故障靠近M側時,M側零序電流幅值稍大于N側；而故障靠近N側時,M側零序電流則遠小于N側,幾乎為零。這樣的分流情況導致高阻接地故障發生在線路靠近N側的位置時,M側保護裝置由于靈敏度有限,難以可靠測量到零序電流,導致M側保護出現拒動情況。

1.2 零序差動保護現場案例分析及統計結果

附錄A 圖A2 為某500 kV 線路發生弧光高阻接地故障時線路兩側二次側電流錄波波形,電流互感器變比為4 000/1,可見由于分流導致線路兩側的零序電流幅值相差較大,且隨著故障的發展零序電流幅值逐漸增大。

零序差動保護具有靈敏度高、動作簡單、快速可靠等優點,通過低比率制動系數的穩態差動元件選相和零序差動元件構成零序差動保護,經40 ms 延時動作［33］。結合附錄A 圖A3、圖A4 分析零序差動保護的動作特性。對于二次額定值為1 A 的電流互感器,該條線路保護零序電流變化量、過流啟動元件的整定值為0.1 A,故障后零序過流啟動元件在80 ms 左右滿足動作條件,電流變化量啟動元件在110 ms 左右滿足動作條件,因此保護啟動時間為80 ms,存在明顯的啟動延時。圖A4 給出了零序差動保護的動作特性,差動動作電流整定值為0.15 A,由圖可見,在故障后20 ms 時零序差動電流已同時滿足大于0.75 倍零序制動電流和差動動作電流定值的動作條件,而由于受到啟動元件動作慢的制約,再考慮到40 ms 的延時動作,可知保護的出口時間在120 ms 左右。

在調研統計分析了多組現場數據的基礎上,總結弧光高阻接地故障下,影響零序差動保護動作特性的主要因素有：首先,保護啟動元件在高阻故障時靈敏度不足,導致啟動時間長；其次,差動動作電流定值高于故障時的零序差動電流,不滿足保護動作方程,保護無法出口；此外,是否投入電容電流補償以及保護裝置的測量靈敏度等因素同樣會影響零序差動保護的動作特性。

2 LCC-HVDC 換流站近區交流線路高阻接地故障特征分析

對于LCC-HVDC 系統,正常運行時其直流側可等效為一電流源,不具備電壓支撐能力,其逆變側所需電壓由逆變側換流站接入的交流系統提供。當換流站接入的交流線路發生高阻接地故障時,故障相電壓跌落不明顯,逆變側控制幾乎不受影響,故此時逆變側換流站的交流側電壓仍由其所接入的交流系統所決定,即LCC-HVDC 系統接入的交流線路兩端的電壓為跟隨關系,兩端電壓的幅值、相位差僅取決于線路壓降。由于換流站接入的交流線路長度較短,一般為100 km 左右,線路阻抗極小,因此兩端電壓的相位、幅值均非常相近。該情況下依賴于交流線路兩側電源激勵特性的任何保護判據均會受到系統兩側電壓跟隨特性的影響而失效。

因此,擬解決該問題,需要擺脫兩側電源的影響,探尋僅僅描述被保護元件（交流輸電線路）故障前后拓撲變化的保護判據,此外,受故障高阻的影響,為了保證高靈敏性與可靠性的統一,難以從合理調整整定值的角度來解決該問題,因此需要從傳統的定量分析+閾值整定的模式,調整為對被保護元件（交流輸電線路）故障前后故障支路阻抗特性變化的定性描述和甄別。弧光高阻接地故障狀態與正常系統運行狀態相比,唯一的不同在于增加包含非線性電弧的高阻接地支路。因此,如何有效地表征該接地支路成為了后續故障檢測與保護的關鍵。

基于歸一化電壓、電流瞬時值的伏安特性可有效地表征該非線性接地支路［34］。附錄A 圖A5 展示了3 組華東電網220 kV 輸電線路弧光高阻接地故障現場錄波數據中故障相電壓與零序電流之間的伏安特性曲線。可見,伏安特性曲線斜率的變化直接反映了故障點阻抗的動態變化規律,即在電壓、電流過零點附近,電弧熄弧-重燃,過渡電阻變化較大,曲線斜率也很大；隨著電壓升高,電弧穩定燃燒,過渡電阻逐漸衰減并趨于穩定,曲線斜率也較小。因此,可以根據伏安特性曲線斜率的變化識別高阻接地故障,構造靈敏的高阻接地故障啟動元件,不需要整定且能夠加快保護的啟動速度。

線路發生高阻接地故障時,故障相電壓跌落不明顯,并不容易區分,因此為了保證故障識別的可靠性,需要進行選相。圖2 為不同故障方向下故障相與非故障相的伏安特性曲線,仿真模型采用文獻［34］中的高阻接地故障模型,電弧長度為10 cm,塔基電阻為1 000 Ω。

圖2 高阻接地故障故障相和非故障相伏安特性曲線Fig.2 U-I characteristic curves of fault phase and nonfault phase with high resistance grounding fault

對比圖2（a）、2（b）可見,正方向高阻接地故障時故障相相電壓與零序電流基波之間相位差較小,非故障相電壓與零序電流基波之間則存在120°左右的相位差,因此可利用相電壓與零序電流之間的相位差選出故障相。此外,如圖2（a）、2（c）所示,正方向高阻接地故障時,故障相伏安特性曲線圍成的面積主要分布在第1、3 象限；反方向高阻接地故障時,故障相伏安特性曲線圍成的面積則主要分布在第2、4 象限。因此,伏安特性曲線包圍面積的分布可作為判斷高阻接地故障方向的重要依據。

3 基于伏安特性的弧光高阻接地故障保護

3.1 高阻接地故障啟動元件

利用伏安特性曲線的畸變特征構造高阻接地故障啟動元件,可有效加快啟動速度,具體算法步驟如下［14］。

步驟1：對保護安裝處三相電壓ua（t）、ub（t）、uc（t）和零序電流i0（t）的1 個周期數據分別以最大值為基準進行標幺化處理。

步驟2：利用相電壓與零序電流工頻相角差選相,若存在某個相角差絕對值Δφ在0°～15°之間,則該相為故障相,進行步驟3,否則重復步驟1。

步驟3：對零序電流進行相移,使得其與故障相電壓相位差最小；用最小二乘法分段線性擬合故障相電壓和零序電流的伏安特性關系,故障相電壓過零點附近的直線斜率計作k1,最大值點附近的直線斜率計作k2,并計算故障相電壓和零序電流的相關系數RC,如式（7）所示。

式中：N為1 個周期的采樣點數；i0(k)和uφ(k)分別為標幺化的零序電流序列和故障相電壓序列。

步驟4：若0＜k2＜1,k1＞kset,RC＞0.966,則判斷發生了疑似高阻接地故障；其中kset為整定值,取大于1 的實數,本文中取kset=1.05；考慮到測量點處故障相電壓與零序電流的相位誤差一般不超過10°,再考慮一定的裕度,故取RC的閾值為0.966。

步驟5：重復步驟1 至4,若疑似高阻接地故障持續時間超過1 個周期,則判斷為高阻接地故障,保護啟動。

3.2 高阻接地故障方向元件

在啟動元件識別出高阻接地故障的基礎上,可利用伏安特性曲線在第1、4 象限包圍的總面積S判斷故障方向。S本質上表征的是電弧的耗散能量,計算方法如下：

式中：sign(?)為符號函數；S1為零序電流從零增大到最大值過程中伏安特性曲線包圍的面積；S2為零序電流從最大值反方向變化時伏安特性曲線包圍的面積。計算總面積S時,伏安特性曲線位于第1 象限的部分面積為正值,位于第4 象限的部分面積為負值。

根據圖2（a）、（c）可知,正方向高阻接地故障的伏安特性曲線主要分布在1、3 象限,且位于第1 象限的面積遠大于第4 象限的面積,總面積S＞0；反方向高阻接地故障的伏安特性曲線則主要分布在2、4 象限,位于第4 象限的面積遠大于第1 象限的面積,總面積S＜0。故設置方向元件整定值Sset,若S＞Sset,則判定為正方向高阻接地故障；反之,判定為反方向高阻接地故障。Sset＞0,其值越小,方向元件越靈敏；在電壓、電流數據均標幺化處理的情況下,考慮到第1 象限的總面積為1,而正方向高阻故障時相電壓與零序電流幾乎同相,伏安特性曲線為細長條狀,包圍面積很小,故整定值應為一遠小于1 的值,可設Sset=0.01。

3.3 基于伏安特性的高阻接地故障保護方案

零序電流差動保護的差動動作電流定值一般以躲過最大不平衡電流為基準進行整定,當高阻接地故障電流幅值小于整定值時,保護會出現拒動。因此為了進一步提高LCC-HVDC 換流站近區交流線路應對輕微故障的能力,可利用高阻接地故障啟動元件和方向元件構成新的保護方案,實現高可靠性的高阻接地故障保護。

由1.1 節的分析可知,由于LCC-HVDC 換流站近區雙回交流線路結構的特殊性,當高阻接地故障發生在圖1 中N側附近時,M側零序電流幅值接近零,在保護裝置靈敏度有限的情況下,方向元件R1可能拒動。但通過分析可知,若R2判斷為正方向故障,故障只可能發生在被保護線路、M側母線背后的換流變壓器附近以及雙回線的另一條線路上。故障發生在換流變壓器附近或另一條線路上時,R1、R2流過的零序電流大小幾乎相等,不會出現一個動作另一個拒動的情況；只有當故障發生在被保護線路區內時,才可能出現R2判斷為正向故障,R1由于零序電流太小拒動的情況。因此R1拒動時,理論上僅根據R2的判斷結果即可確定故障發生在區內還是區外。但若在R1本應判斷為反向故障,實際卻拒動或判斷錯誤的情況下,當R2判斷為正向故障時就可能出現該條線路保護誤動的情況,因此僅根據R2進行區內區外判斷的可靠性較低。

因此,利用雙回線兩條線路上方向元件的信息進行判斷,即采用圖1 中的方向元件R1、R2、R3、R4的邏輯關系判斷區內區外,保護會更加可靠。被保護線路為L1時,判斷方法如表1 所示；被保護線路為L2時,分析方法與L1同理,因此判斷方法中將R1與R3互換、R2與R4互換即可。由于需同時獲取雙回線路兩側方向元件的信息,該方案需應用于廣域保護中。

表1 方向元件邏輯關系Table 1 Logical relationships of directional elements

給出基于伏安特性的LCC-HVDC 逆變側換流站近區交流線路高阻接地故障保護流程圖如圖3 所示。線路發生高阻接地故障時,高阻接地故障啟動元件啟動,基于伏安特性原理實現保護；線路發生金屬性故障時,高阻接地故障啟動元件啟動條件不滿足,零序過流啟動元件啟動,基于傳統零序差動原理實現保護。

圖3 高阻接地故障保護流程圖Fig.3 Flow chart of high resistance grounding fault protection

4 案例仿真驗證

以華東某高壓換流站接入交流電網為例,搭建如附錄A 圖A6 所示交直流混聯電網仿真模型,線路及電源參數如附錄A表A1、表A2 所示。1 000 kV交流雙回線為被保護線路,線路長度為100 km。

4.1 高阻接地故障仿真波形

采用文獻［34］中的高阻接地故障模型進行故障仿真,設置電弧長度為10 cm,塔基電阻為1 000 Ω。高阻接地故障分別發生在附錄A 圖A6 中的A點（距離M側5 km）和B點（距離M側95 km）時,線路兩端零序電流波形以及伏安特性曲線如附錄A圖A7、圖A8 所示。可見線路發生高阻接地故障時,雖然分流導致兩側零序電流均出現了一定程度的畸變,但至少有一側的伏安特性曲線會呈現較明顯的畸變特性,因此利用伏安特性的畸變特征識別高阻接地故障具備可行性。

4.2 啟動元件性能仿真驗證

當高阻接地故障發生在線路上不同位置時,啟動元件動作特性如附錄A 表A3 所示。可見雙回線上以及換流變附近發生高阻接地故障時,基于伏安特性畸變的高阻接地故障啟動元件均能可靠地啟動。當故障發生在E點,即M側母線背后時,由于各交流電源的等效零序阻抗遠小于雙回線和換流變的等效零序阻抗,雙回線上幾乎不流過零序電流,故保護不啟動。

4.3 高阻接地故障保護性能仿真驗證

本文所提基于伏安特性的高阻接地故障保護方案的動作結果統計如表2 所示。

表2 本文保護方案仿真結果Table 2 Simulation results of protection schemeproposed in this paper

一般情況下,保護裝置二次側的電流靈敏度下限為0.05 A,當電流互感器變比為4 000/1 時,對應一次側的電流靈敏度下限為200 A。為了模擬保護裝置的靈敏度問題,將零序電流的靈敏度下限設為200 A,即認為零序電流低于200 A 時,裝置二次側將無法可靠檢測到零序電流,方向元件拒動。下面對雙回線中L1為被保護線路時高阻接地故障保護的性能進行仿真分析。

區內故障時,對于靠近M側的故障,方向元件R1、R2均 能 可 靠 動 作,此 時 不 考 慮R3、R4的 判 斷 結果；對于靠近N側的故障,M側電流靈敏度不足,R1拒動,R2判斷為正方向,此時結合R3、R4的判斷結果也可判斷出故障發生在區內。

區外故障時,方向元件R1、R2的判斷結果為一正一反,不會出現誤判。可見,本文提出的高阻接地故障保護方案兼具高靈敏度和可靠性,且具有較高的實用性。

5 結語

LCC-HVDC 換流站近區的交流線路由于其特殊的拓撲結構和故障特性,實現高阻接地故障時的快速動作難度較大。本文首先對LCC-HVDC 換流站近區雙回交流線路高阻接地故障的伏安特性以及零序電流特征進行了分析,在此基礎上提出了適用于高阻接地故障的啟動元件算法以及方向元件算法。針對保護裝置靈敏度不足的問題,提出了利用雙回線中方向元件的邏輯關系判斷區內外故障的方法,給出了適用于LCC-HVDC 換流站近區雙回交流線路的保護方案,實現了兼具高可靠性、高靈敏性的高阻接地故障保護。后續將針對高阻接地故障保護的高靈敏度選相元件等方面展開進一步深入研究。

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