特高压直流线路保护原理及动作策略分析

特高压直流线路保护原理及动作策略分析

王虎强

中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司 山东省 277103

摘要：特高压直流输电系统以其大功率远距离传输、控制快速灵活、损耗低的特点，在现代电力系统中得到了广泛的应用。目前实际工程中将基于故障初始行波的单端保护作为直流线路的主保护。虽然行波保护动作速度快，但其耐受过渡电阻能力较差；当发生高阻接地故障时，行波保护灵敏性不够，需要依赖作为后备保护的电流差动保护来识别故障。但由于分布电容电流、直流控制特性以及区外交流故障的影响，传统电流差动保护具有低整定值、长延时的动作特点，导致故障在直流控制暂态阶段长时间存在而难以切除。因此，如何充分利用故障过程中直流控制暂态阶段的故障特征实现故障的快速判别，对于提升现有特高压直流线路电流差动保护的动作性能具有重要意义。

关键词：特高压；直流线路；保护原理；动作策略

中图分类号：TM721 文献标识码：A

1特高压直流输电线路的故障分析与保护

1.1特高压直流输电线路故障特点

在直流输电线路的网路架构上，在多个方面有着明显的优势。结构上，分布简单，层次分明；造价上，由于线路不复杂，导线需求相比交流少，可节约大量资金。输送性能上也比较强。如图1所示的为直流输电线路双极输电结构，可见，该输电线路的结构对称，在进行相关潮流分析时，由于线路分布参数一致，可大大进行简化。

图1 直流输电线路双极输电结构

在2014年，我国建成的哈密南到郑州的高压直流输电线路全长约为2192km。大多数比较长的输电线路，经过的地理位置条件不一，在不同的地区，气候因素影响重大，线路极易发生故障。根据国家电网公布的故障数据，在直流输电系统总故障中，线路故障占比50%以上。其中，线路故障的特点，主要表现在四个方面:

1)发生故障后，线路中的故障电流会导致电弧的产生，容易引起火灾，在自然情况没有人为干预的情况下，难以熄灭。在交流系统中发生这种故障时，通常采用交流断路器切除即可，但在直流系统中，该方法无效。为了解决这一问题，基本是都是采用控制换流站触发延迟角的方法^[1]。

(2)在直流系统中采取的控制措施，对该系统的线路保护和后备保护的影响需要进行考虑。直流输电系统的控制对系统的各个特征量具有强相关性，所以，控制措施不能像交流系统一样，忽略对保护的影响。

(3)直流输电线路的故障发生的位置不同对线路的保护也有较大影响。

(4)采用运行方式不同的直流输电系统，当发生故障时，各种电气量的变化情况也不一样，加大了线路保护的困难。

1.2直流输电线路保护原理

经过对直流输电线路保护长期探索，常用的两种保护方式为行波保护和微分欠压保护。其中行波保护在直流输电系统中至关重要，能够在线路发生故障时，及时响应，进行故障的切除，保证系统损害最小；微分欠压保护，则是为了当行波保护没有产生效果时，提供给系统的另一种保护方式，主要是为了加强系统的安全性。

故障发生时，系统中电气特征量的变化非常迅速，行波保护的原理就是根据系统中电压的变化和电流的变化为依据，通过机器识别出故障行波各个电气量变化情况，对不同的故障类型进行分类，再根据故障进行针对处理，完成对线路的最佳保护^[2]。

2特高压直流线路动作策略

由于同时具有线路两端的故障信息，作为交流输电线路的主保护，电流差动保护被称为最理想的保护原理，也被誉为有绝对选择性的快速保护原理。在常规直流输电工程中，在配备单端量行波保护为主保护的同时，一般采用电流差动保护为后备保护，动作于线路高阻故障时线路主保护行波保护拒动的情况。然而，目前工程中直流输电线路差动保护直接利用线路两端的测量电流做差动。随着直流线路长度增加和电压等级的提高，线路分布电容和阻抗参数频变的影响逐渐增加。传统电流差动保护仅靠阈值整定难以区分区外金属性故障和区内高阻故障。工程中一般采用增加延时的方式防止区外故障和系统功率波动引起的误动，延时最长可达秒级^[3]。而直流线路故障发展速度快，因此，传统电流差动保护往往起不到保护的作用。

从电流差动保护原理来看，传统电流差动保护存在误动的原因在于线路两端直接测量电流无法反应线路上传输电流的真实值。因此，提高差动保护可靠性的关键在于如何消除线路参数频变的影响。直流线路电流差动保护误动是由于线路分布电容的影响，作者提出一种分布电容电流补偿方法从而提高了保护的可靠性。然而，影响准确性的因素不仅仅在于分布电容，从波动学原理来看，线路阻抗参数的频变特征同样影响差动电流计算的准确性。因此，提高电流差动保护性能必须从行波传播过程出发。

基于行波理论的电流差动保护方法也被称为行波差动保护，而行波差动保护的关键和难点在于如何准确、快速求解线路方程。目前，应用于直流线路的行波差动保护主要基于依频模型和贝瑞隆模型。依频模型是分析求解线路方程最为准确的模型，基于波过程原理分析了传统电流差动保护存在的缺陷，基于依频模型提出一种新型电流差动保护；部分学者对各种求解模型进行了对比分析，指出依频模型的准确性最高，为了提高保护的计算速度采用Marti模型进行差动电流求解。然而，依频模型基于频域计算，需要一定窗长的采样数据，且其复杂的时频域变换和卷积运算必然带来一定的计算延时

^[4]，从而影响保护的速动性。基于定常系数的贝瑞隆模型具有更快的计算速度，还有学者曾提出一种基于贝瑞隆模型的电流差动保护方法，具有更好的速动性；对影响行波电流差动保护的因素进行了详细分析，指出输电线路线模参数频变性较低，利用贝瑞隆模型可准确求解线模电气量的低频分量，并提出了基于线路分布参数模型的电流差动保护方法，通过利用计算准确性较高的线模电流构造差动保护判据，利用地模差动电流计算值与线模差动电流计算值的比值构造选极判据，在保证灵敏性、选择性和可靠性的前提下有效提高了电流差动保护的速动性。

此外，有外学者将能量引入差动保护，如将Teager能量算法引入差动保护原理中，利用线路两端Teager能量差构造差动保护判据，但是该文章针对的应用场景为直流配电网，对于高压直流系统的适应性有待进一步研究；通过抓取故障行波的模极大值构造等效行波以减小差动保护的通信压力，并利用差电流的能量构造保护判据提高保护的可靠性和耐过渡电阻能力。这种方法可以提高差动保护的可靠性和抗扰能力，然而却降低了差动保护的速动性。因此，相关保护方法及其应用有待进一步研究。

总而言之，通过对高压直流输电线路故障的分析，得出了直流输电线路中故障发生后，针对不同电气量的变化采用行波保护的方式对线路进行保护，可以较好的进行故障切除，使线路恢复到正常的工作状态。

参考文献

[1]姜尚荣.关于±800kV特高压直流输电线路典型故障的分析及处理[J].科学技术创新，2018(35):41-42.

[2]曹润彬，李岩，许树楷，黄伟煌，李明，郭铸.特高压混合多端直流线路保护配置与配合研究[J].南方电网技术，2018，12(11):52-58+83.

[3]王剑，谷山强，彭波，赵淳，任华，吴敏，马龙涛.国网辖区特高压直流线路防雷运行现状分析[J].全球能源互联网，2018，1(04):511-520.

[4]刘志宏.特高压直流线路架线施工技术研究[J].科技创新导报，2018，15(16):40-41.