基于纵联保护原理的直流输电系统接地极不平衡保护

王金玉 孔德健 董 实 姜春雷

(1.东北石油大学电气信息工程学院,黑龙江 大庆 163318；2.中国石油大庆第二采油厂信息中心,黑龙江 大庆 163300)

接地极在直流输电系统中起提供直流通路与中性点钳制的作用，因此接地极的运行状态将直接影响直流输电系统的稳定性和安全性。一般情况下，与换流站相连的接地极引线常采用双汇并行线路的连接方式，接地极的末端建在距离换流站几十千米的地点，这样可使接地极电流对换流站和其他设施的影响降到最低。

运行于双极对称方式下的直流输电系统流入接地极的不平衡电流一般小于额定电流的1%；而直流输电系统工作于单极大地运行方式时，其向接地极流入的电流却能高达上千安培，这在很大程度上加大了对接地极进行可靠保护的难度[1]。目前，安装接地极线路过电流保护、过电压保护与不平衡电流保护是直流输电系统接地极引线的主要保护措施。

南方电网所管辖的天广、云广及兴安等直流输电系统均由西门子公司设计，当发生故障时，接地极引线保护无法判断故障类型，统一采取直接关闭运行极会在一定程度上影响直流输电系统的安全运行[2]。鉴于此，笔者基于应用广泛的纵联保护原理，将接地极引线纵联保护与不平衡保护相结合，从而提高直流输电系统在单极大地运行方式下的故障类型的识别率，并根据故障类型实施相应的保护策略，以达到提高系统运行稳定性的目的。

1 运行实例及其故障分析①

天广直流输电系统在单极单阀组大地回线的方式下运行期间，整流侧换流站接地极的不平衡电流保护发生动作[3]，停运极1，故障波形如图1所示。可以清晰地看出，经过短暂波动后，两条接地极引线的电流出现明显差值，其中引线1中流经的电流约400A，引线2中流经的电流约300A，相差约100A，已经超过保护整定值(90A)，经过40ms预告警后，接地极不平衡电流保护发生动作，500ms延时后停运极1。

图1 接地极故障时接地极引线电流的暂态录波

根据记录的资料，故障时换流站接地极线路通道处于正常状态，因此由线路通道原因导致故障的可能性基本可以排除[4]。在之后的巡检过程中发现了系统有多处放电痕迹，而且故障时正值雷雨天气，从这一实际情况分析可判断是雷击导致接地极电流不平衡保护发生动作。而近几年来天广、云广和兴安线路都多次发生与此次故障过程类似的状况。

2 接地极不平衡保护方案及其缺陷

2.1 西门子与ABB保护方案

西门子与ABB公司设计有相同的接地极不平衡电流保护动作判断依据[5]，即：

|IL1-IL2|>Iset

(1)

式中IL1、IL2——两条接地极引线电流；

Iset——电流整定值。

但西门子与ABB保护方案的保护动作策略略有差异。西门子动作策略：在单极大地回线运行方式下，接地极不平衡电流保护动作为直接停运直流(极停运)；在双极运行方式下，接地极不平衡电流保护动作先发出告警信号，后调节双极直流电流平衡(极平衡)。ABB动作策略：在双极和单极大地运行方式下，接地极不平衡电流保护均发出告警信号，直流不停运[6]。但是西门子和ABB保护方案都无法准确判别故障类型，其动作整定值均依照接地极引线正常运行时产生的最大电流差值来确定。天广、云广和兴安的直流接地极不平衡保护整定值见表1。

表1 直流接地极不平衡保护整定值

2.2 保护缺陷分析

接地短路故障是接地极引线最常发生的故障之一，该故障通常由不良天气状况等原因造成[7]，此类暂时性故障一经消除后系统便可恢复运行，因此常采取系统重启策略来消除此故障。目前，由线路主保护触发的重启动作装置应用于天广及云广等直流输电的极控系统中，当发生暂时性的接地短路故障时线路主保护将被重启。但此策略也存在着一些缺陷，例如当直流输电系统运行于单极大地回线方式时，发生短路故障后并不会触发线路主保护动作，其保护动作策略均为直接停运运行极[8]。因此，如果能在接地极引线出现故障时对故障类型进行准确的区分，并在接地短路暂时性故障发生时对系统进行重启动，便可以改善直流停运状况。但是就西门子的保护配置而言，若一条接地极引线出现故障，此时又对故障类型难以进行准确识别时，保护装置将在告警后直接执行重启策略。如此，当断线故障发生时，不仅无法消除接地极引线故障，还可能造成电流保护失效，使输电线路承受一定时间的过电流，这无疑将对设备的使用寿命产生较大影响。

接地极引线通常为双回并行线路，在双极大地回线中，当其中一条接地极引线发生断线故障时，不会有电流流过；当发生短路故障时(绝大部分情况为发生金属性接地或雷击导致的瞬时故障)，会使另一条接地极引线流过的电流也接近零[9]。所以，单根接地极引线发生断线故障与接地故障时表现出来的特征相近，只根据式(1)不能判断出线路发生哪种故障。

3 基于纵联保护原理的接地极不平衡电流保护

3.1 接地极引线纵联保护原理

纵联保护原理主要应用在交流输电线、变压器及发电机的定子绕组等电力设施的保护中。纵联保护原理是将输电引线各端的保护装置用通信通道纵向连接起来，把输电线各端采集到的电气量传到相对端进行对比，利用电力量的变化情况来判断故障发生的位置，从而决定是否切除保护引线。按保护原理可将纵联保护分为方向比较式纵联保护和纵联电流差动保护[10]。

直流输电系统接地极引线多为双回并行线路，而且接地极不平衡电流保护通常采用的是简单的电流横差保护，它的工作原理是在接地极引线的首端安装两个电流互感器，通过对所测得的电流值的比较来识别故障。此方法虽然可以识别故障但仍存在缺陷，只能发现故障并不能实现对故障类型的区分，这样会对保护动作策略的高效性和电气设备使用寿命产生影响。笔者利用纵联电流差动保护原理，电气量传输通道选择微波通道，在原保护的基础上实现纵联电流差动保护，即在接地极引线的首端和末端分别安装电流互感器，通过比较4个互感器的电流差值来实现对故障类型的区分。

3.2 接地极引线故障时各特征量变化特点

结合直流输电系统的控制原理，根据单极大地回线运行方式的经典模型，将接地极引线发生断线故障和短路故障时所表现出的特征进行分析对比。直流输电系统在单极大地回线运行方式下的接线简图如图2所示。

图2 直流输电系统在单极大地回线运行方式下的接线简图

假设直流输电系统运行正常，则其等效模型如图3所示。将整流侧看作一个定电流控制方式下的电流源；而逆变侧可视为在定电压控制方式下的可调节阻抗的等值电阻RN。

图3 单极大地回线运行方式下的等效模型

在接地极引线的首、末端同时安装专用电流互感器，此互感器为基于电子式的电流互感器，相对于传统电磁式电流互感器，它克服了磁芯饱和所带来的电流误差，电子式电流互感器的特点是动态范围广、测量精确度高。内嵌的是基于GPRS/CDMA无线通信模块和利用太阳能供电的锂电池，解决了通道问题和末端供电所带来的困扰。具体等效模型如图4所示。

图4 接地极引线故障保护配置等效模型

对接地极引线不平衡保护的改进方案如图5所示，改进后的方案可对单根接地极引线发生的故障类型进行区分。

假设在逆变侧接地极中接地极引线F点发生金属性接地短路故障，不妨设F点接地电阻为Rf，F点距离接地极首端的等值电阻为R3，距离极址端的等值电阻为R4。正常运行情况下接地极引线等值电阻R2为：

R3+R4=R2

(2)

故障情况下故障线路等值电阻R2为：

R4∥Rf+R3

(3)

由于发生瞬时性接地故障，F点接地电阻等值阻抗Rf接近于零，则R4∥Rf也近似等于零，由式(3)可知，故障线路的等值电阻将远小于正常线路的等值电阻，电流只会流经故障线路，因此图5中在正常线路上安装的电流互感器P1和P3测得的电流值接近于零。由于在F点发生接地，所以电流互感器P4测得的电流值将瞬时骤减，电流互感器P2测得的电流值瞬时增大，远大于正常运行时所测得的电流值。这满足了触发不平衡电流横差保护的条件和纵联差动保护的条件，所以经过接地极不平衡保护的改进措施后，在接地极引线发生接地短路故障时，接地极引线会触发横差保护和故障线路的纵联差动保护动作。

图5 接地极引线不平衡保护改进方案

假设在逆变侧接地极中接地极引线F点发生断线故障，其等效模型如图6所示。

图6 单极大地回线运行方式下接地极断线故障等效模型

在F点发生断线故障后，逆变侧的接地极线路等值电阻为R2,而正常运行时，逆变侧接地极线路等值电阻为0.5R2，回路等效模型总电阻变大，则流入接地极电流变小。故障线路将不会有电流流过，因此在图5中电流互感器P2和P4所测得的电流值为零，而P1和P3测得的电流值将略低于正常运行时所测得的电流值。这满足了触发不平衡电流横差保护的条件，但故障线路和非故障线路不会触发纵联差动保护动作。

由上述分析可知，在单极大地回线运行方式下，接地极引线发生故障瞬间可以电流互感器所测电流值为故障判据，以电流变化情况的不同来识别故障类型，其测量量主要变化规律见表2。

表2 单极大地回线运行方式下接地极故障瞬间电流变化情况

4 结束语

接地极引线故障在直流输电系统中经常发生，在南方电网所管辖的直流输电系统中，在单极大地回线运行方式下接地极不平衡保护动作策略有一定的缺陷。因此，将纵联保护的原理运用到直流输电系统中，根据接地极引线发生不同故障时电流变化不同的情况，提出了改进方法。实际应用结果表明：改进方法可以对发生故障的类型进行准确、快速判断：接地极引线发生接地短路故障时实行故障重启策略，当发生断线故障时直接实行极停运策略。经过改进的线路能够减少系统停运的概率，提高了直流输电系统的可靠性。

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