柔性直流输电的故障分析及保护策略综述

 柔性直流输电的故障分析及保护策略综述

作者姓名：石伟

单位名称：内蒙古电力（集团）有限责任公司乌兰察布市兴和供电分公司

单位省市：内蒙古自治区乌兰察布市兴和县

单位邮编：013650

摘要：柔性直流输电系统具有阻尼小、惯量低的特点，直流线路发生故障后故障发展迅速，因此如何快速可靠地识别线路故障对系统稳定运行意义重大。目前，柔性直流输电线路保护主要是借鉴更为成熟的传统直流线路保护方法，然而传统直流输电线路保护方法应用于柔性直流输电中仍存在诸多问题，其本质主要体现在柔性直流输电系统对线路保护的速动性的要求更为苛刻，同时得兼顾保护的灵敏性、可靠性和选择性。因此，柔性直流输电对线路保护的速度、弱故障特征提取的能力、抗干扰能力、以及对不同故障的区分能力提出了更高的要求。基于此，本文将对柔性直流输电的故障分析，提出几点保护策略，仅供参考。

关键词：柔性直流输电；故障问题；保护策略

1. 柔性直流输电故障保护的要求与难点

柔性直流输电是新型电力系统的重要组成部分，其故障保护既有传统继电保护“四性”（可靠性、选择性、速动性和灵敏性）的基本要求，又有直流系统运行特点带来的新技术要求。可靠性是对传统继电保护装置的基本要求，其内涵包括“不误动”和“不拒动”两层意义。影响可靠性的主要因素是干扰，如测量信号的噪声、雷击等。根据直流系统的运行数据，直流架空线路的故障绝大部分是瞬时性故障，如果在故障切除后对线路进行自动重合闸控制，可以极大地提高电能传输的可靠性。而如果缺少对故障性质的识别，使重合闸发生永久性故障，则会对直流系统造成二次冲击。

选择性保护应遵循停电影响最小化的原则，即确保在最小区域内将故障区域切除，以最大限度地保证未发生故障的部分仍然继续正常供电。在交流系统中，常根据故障信号的稳态值，利用保护上、下级线路的延时配合实现选择。但直流电网故障受系统运行方式、过渡电阻等因素影响大，特征复杂且过渡过程信号暂态分量变化剧烈，因此传统的继电保护方法难以准确定位。直流电网发生故障后，电路结构和参数决定了其故障回路呈现低阻尼、低惯性的特点，导致故障电流上升速度快。为保证电力系统的暂态稳定和电力电子器件的安全，一般要求短时间内完成故障切除，因此可供利用的故障信息数据窗非常短。

2. 柔性直流系统的故障类型和保护分区

2.1柔性直流系统的故障类型

为更好地分析柔性直流系统故障，本文以某柔性直流电网为例，该工程采用架空输电线路，与直流电缆相比，其故障概率更高。按照故障区域划分，柔性直流电网故障大致可以分为交流系统故障、换流器内部故障和系统直流侧故障。

换流器内部故障又可细分为站内母线故障、阀短路故障、桥臂电抗器故障以及最常见的子模块故障等。柔性直流输电具有输送容量大、电压等级高的特点，故MMC（模块化多电平换流器）每个桥臂串联的子模块数量较多，从而增加了子模块故障的概率。在柔性直流系统的建设中，为确保系统具有足够的容错性和充足的安全裕度，通常都会在每一个桥臂上串联适量的冗余子模块。直流侧故障可细分为直流线路断线故障、直流线路短路故障和换流器闭锁故障。在单个MMC中，因为直流侧采用单级输电，故直流侧线路故障以单极接地故障为主。而在真双极系统中，单级接地故障则相当于伪双极系统中的级间短路故障，通常由树枝接触或雷电引发，多属于暂时性故障，但是因其故障传播速度快、影响范围广、解决难度大，成为阻碍柔性直流电网发展的技术难题。真双极系统的双极短路故障则更为严重，相当于交流系统的三相短路故障。

2.2柔性直流系统的保护分区

（1）Ⅰ区—连接变压器保护区：主要对交流变压器进行保护。

（2）Ⅱ区—换流站连接交流母线区：主要对交流变压器与换流器之间的交流母线进行保护。

（3）Ⅲ区—换流器区：主要对换流器、换流器与交流母线的部分连接线路以及桥臂电抗器进行保护；包括阀和子模块保护区，即Ⅳ区（包括阀、子模块保护和直流保护）。

（4）Ⅴ区—直流线路区：主要对直流输电线路以及直流输电线路上串联的直流电抗器等设备进行保护。对于汇流站包括直流母线区（Ⅵ区）。其中，换流变压器保护在Ⅰ区实现，阀保护在Ⅳ区实现，直流保护在Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅴ区、Ⅵ

区实现。

单个子模块出现故障，则启动子模块保护，而阀保护则为单个阀臂故障提供保护，阀、子模块通常由换流阀厂家配套。直流保护包括站内交流连接母线保护、换流阀保护、直流线路保护和直流母线保护，通常由直流控制保护厂家配套。直流保护清除故障的操作步骤包括报警、暂时性闭锁、永久性闭锁、交流断路器跳闸、极隔离等。

3. 柔性直流输电的故障保护策略

3.1柔性直流输电的保护方法

当前主流的柔性直流输电保护方法有电压（电流）保护法、纵联差动保护法、行波保护法、边界暂态量保护法及基于智能算法的保护法等。其中行波保护和欠压保护通常作为系统的主保护，因为这两种方法具有反应速度快、受分布电容的影响小等优点。行波保护法虽然在高压直流输电网络中得到了广泛的实际应用，但尚有不足：一是解决近端死区问题时的选择性和可靠性不强，即无法精确甄别区内的末端和区外的首端故障，由此导致误动作；二是当发生长线路故障时，无法同时保证保护动作的速动性和耐受过渡电阻的能力。为了解决这一问题，根据纵联电流差动保护对高阻接地故障灵敏性强的特点，可以将纵联电流差动保护与行波保护配合使用。但为了躲开电流暂态过程的影响，通常需要设置长延时，这将无法满足保护直流电力系统的速动性要求，因此电流差动保护一般只作为系统的后备保护使用。对于基于边界条件的保护法，其原理是利用电路中的电感或滤波器等元件组成保护的边界条件，从而实现全线路段的速动，但该方法不适用于保护区域无明显边界条件的情况。

3.2柔性直流输电的自动重合闸

对于电力系统而言，线路故障通常具有单相（单极）和瞬时性的特点，以某年我国高压输电线路故障交流电力系统为例，瞬时性故障在线路故障的占比中，达到了90%以上。进一步统计的结果表明，输电线路故障的重合闸成功率为60%以上，且重合闸成功率与电压等级正相关。自动重合闸是目前提高电力系统暂态稳定性和保证供电连续最实用、最有效的方法。根据自动重合闸技术在交流电力系统中被广泛采用的成功经验，国内外学者针对半桥型MMC的换流站，建立了等效电路并推导出故障电流方程，提出一种重启故障线路的控制方法，可使直流电力系统快速稳定地穿越极间短路故障区间，自动重合闸100ms之后各换流站即可恢复稳定状态。但线路若自动重合在永久性故障，则会对电网中的一次和二次设备产生过电流冲击甚至破坏。针对这一问题的研究，提出一种注入主动信号的直流故障自适应重合闸控制策略，在MMC换流器的控制器中加入判别功能，即跳闸后向电力系统主动发送特征信号以辨识是否为永久性故障，可实现自适应重合闸。为了提高自动重合闸成功率，需要先判断故障性质，但在直流系统中非故障极与故障极弱耦合，使得预判故障性质的准确率降低，对直流系统的故障极注入扰动特征信号，可实现自适应重合闸。

结 语：

针对柔性直流输电中的故障分析及保护策略这一研究热点，笔者系统地分析故障保护的要求与难点，并对故障类型和保护分区进行了简单阐述，结合相关的文献，对当前两种保护方案进行了探讨。不难看出，柔性直流输电技术对保护的可靠性、选择性、速动性和灵敏性要求高，由于电路形式和系统特性发生较大变化，现有的成熟的交流继电保护方案在直流并电网中不完全适用，同时交直流混合技术将大量应用于电力系统的各个环节，因此后续的研究中，应注重交直流保护技术的融合发展。

参考文献：

[1]吴翊，荣命哲，钟建英，等.中高压直流开断技术［J］.高电压技术，2018，44（2）：337-346.

[2]王晓卫，高杰，吴磊，等.柔性直流配电网高阻接地故障检测方法［J］.电工技术学报，2019，34（13）：2806-2819.