高压直流输电工程接地极监测技术分析

艾红杰 李俊霞 贾轩涛 赵 静 周玉勇

（1. 许继电气直流输电系统公司，河南 许昌 461000；2. 许继集团科技部，河南 许昌 461000;3. 许继风电科技有限公司，河南 许昌 461000）

随着电力科学技术的发展和经济发展的需要，高压直流工程建设越来越广泛，高压直流输电工程中，接地极起着传导电流及钳制电位的作用，它一旦发生故障或接地极线工作状况不明确，则系统无法安全可靠的进行金属回线-大地回线或者平衡运行-不平衡运行模式的转换；另外一方面，接地极引线异常运行可能会对临近的通讯设施造成通讯干扰[1-2]，在故障处可能还会造成人身伤害或者金属设备的腐蚀。因此当高压直流输电系统运行时对接地极运行及绝缘状况进行监测是十分必要的。

目前接地极引线故障监测方法主要有 ABB公司的阻抗法及西门子公司应用的差分时域反射法。本文以溪浙西工程和糯扎渡工程为例，对两种技术的原理和应用进行阐述，并分析了各自的优缺点。

1 阻抗法

1.1 阻抗法的原理

阻抗法的基本原理就是对电极线路注入一个高频正弦脉冲，此高频正弦脉冲的电压电流会随着接地极的阻抗变化而变化，通过监测设备实时采集此脉冲电压电流，如果接地极运行方式变化或故障，接地极阻抗就会变化，此时监测的电流电压就会变化。通过高频脉冲电流电压的计算，即可得到接地极线路的阻抗，与死区值的比较，就能判断出接地极线路运行的状态，实现监测功能[3]。

溪洛渡-浙西特高压直流输电工程为例，如图所示软件程序中产生高频正弦波频率为13.95kHz，在考虑工程造价的前提下，高频正弦脉冲的频率越高越好，设置为13.95kHz是为了避开直流电流中的特征谐波。经功率放大器放大后，通过信号电缆送至匹配变压器，匹配变压器实现信号电缆阻抗和电极线路阻抗的匹配，并对主电路和控制电路进行隔离。注入滤波器是一个LC串联谐振回路，谐振频率f设定在13.95kHz，高频正弦脉冲能够通过此谐振回路，注入电极线路中[4]。图1中的两个LC并联带阻滤波器是为了阻止高频正弦信号进入直流场，靠近电极侧带阻滤波器并联了一个电阻，此电阻是为了防止高频信号在阻断处形成全反射，并为其提供回路。直流电流通过带阻滤波器的电感进入接地极形成回路，直流主回路和监测回路相对独立，保证了监测回路的稳定性和可靠性。

图1 溪浙工程接地极阻抗监视原理图

图 2中 XS860为高频正弦脉冲产生板卡，XS862G为检测放大器板卡，采样取值功率放大器二次侧的电压和电流。检测放大器板卡 PS862G实时采集监测脉冲信号的四个量U_I（电压的实部）、U_Q（电压的虚部）、I_I（电流的实部）和I_Q（电流的虚部），将此信号送入PS860进行计算，便可得到：

即为阻抗的实部

即为阻抗的虚部。

这样监测系统就能够实时地计算接地极的阻抗的实部和虚部，再通过偏置修正便得到实际的接地极线路阻抗即，其与ALARM_DEAD_BAND差的绝对值与30Ω比较，如果大于30Ω则判断接地极阻抗出现了异常，小于表示正常。

图2 溪浙工程接地极阻抗监视板卡配置

当直流系统运行方式在双极、单极大地回线、单极金属回线以及直流场隔离之间转换时，接地极通过不同的线路和设备连接到直流中性母线。中性母线与接地极之间的阻波器有一定带宽，不能提供完全的14kHz的退耦，这就导致了不同运行模式下有不同的阻抗。

监测软件中设定了各运行方式下对应的阻抗和死区值（溪浙工程为30Ω），当测量到的阻抗值超出了死区范围，并持续了一定的时间，便判断此时接地极出现了异常，实现了对接地极阻抗的监测。

1.2 阻抗法的缺点分析

阻抗法有其不可避免的缺点，如无法确定故障类型及位置，检测原理只是计算阻抗值的变化，是否出现了故障或异常，无法判断故障的位置和类型。故障监测结果受接地过渡电阻以及整定值影响很大，易出现误动或拒动等。

2 时域差分法

2.1 时域差分法的原理

在靠近直流场侧两根接地极线上同时施加矩形电压脉冲，脉冲在接地极引线上传播，到达接地极时被反射，形成特征反射波。如果线路发生故障，故障处形成波阻抗奇异点，该点会反射施加的信号脉冲，在接地极分裂点外形成一个额外的反射脉冲，通过专用设备分析此反射脉冲，以此判断是否接地极是否存在故障或异[5]。

脉冲信号在接地极传播过程中的畸变和衰减越小，能够监测的接地极线路就越长，并且信号越容易与噪声区分开，对高阻抗接地故障及接地极引线末端出现的故障的反映就越可靠，从而对故障能够准确定位。双极矩形脉冲具有易于产生和辨认、含有显著奇异点的优点，在时域反射法中多用此种类型脉冲。

实际应用中会施加极性相反的双极矩形脉冲，这是因为双极矩形脉冲的前沿以及过零点处的高频分量可以保持脉冲的脉宽，且不因脉冲宽度、脉冲传播距离改变而改变，在应用中易于识别。

双极性矩形脉冲f2(t)的频谱函数可以由矩形脉冲f1(t)的频谱函数通过傅里叶变换的性质得出：

根据傅里叶变换的性质

于是

可以得出脉宽为τ的双极矩形脉冲的幅频特性为

其频谱特性如下

图3 双极矩形脉冲频谱图

从图3可以看出，双极矩形脉冲不包含直流分量，脉冲中高频分量比重较大，且主要集中在以ω=为中心的频带内，双极矩形脉冲在导线中传播时，虽然因线路衰减常数较大，脉冲幅值衰减较严重，但线路的衰减常数及相位常数趋于稳定，脉冲畸变较小[6-7]。

差分方式就是在接地极线上同时施加极性相反的双极矩形脉冲，在接收的时候将两条极线上的反射脉冲相减。此举是为了增大接地极线上监测脉冲的线模分量。由于线模分量仅在两条极线间传播，不受地模阻抗变化不定的影响，并使得信号的色散与衰减极大降低，增强了抵御噪声干扰的能力。相对共模信号，差分信号在引线上传播时的电磁辐射减小很多。

图4中AKE100用于生成双极性方形脉冲，注入电极线路在入地点形成反射脉冲，PEMO 2000对返回的脉冲进行差分处理，根据反射波形判断接地极运行状态。

相对于阻抗法，时域差分法可以根据发射脉冲的不同来判断接地极的故障类型。

图4 糯扎渡工程接地极监测原理图

脉冲信号在接地极线路中的传播速度为Vt，发射信号与反射信号的时间间隔为Tc，则到故障点的距离L为

假定发射脉冲信号为vt(f)，反射脉冲信号为vr(f)，则反射系数：

根据线性传输理论，可知

式中，Zo为正常情况下接地极的阻抗，Zt为故障后接地极阻抗。由式（12）可知：λ=+1，发射脉冲与反射脉冲极性相同，表示线路开路；λ=-1，表示在站端发生短路，二者之间的极性相同表示线路短路或者接地。于是可以根据反射波的极性确定接地极线的故障类型。

2.2 时域差分法的缺点

但时域差分法也有其局限性，第一测量短时故障较困难，这是因为在PEMO 2000中设定的脉冲发射周期通常为2s，如果故障持续小于2s，监测脉冲通过时故障恢复，形不成额外反射，很有可能监测不到；其次，不能测量高阻接地。根据PEMO 2000的原理，故障点发射的脉冲是一个幅值只有发射脉冲 1/3反转波形，正常情况下接地极阻抗只有几欧姆，因此高阻接地时发射脉冲难以辨识。

3 结论

阻抗法和差分时域反射法虽然原理不同，但经过众多工程充分验证，二者都能够准确地检测接地极引线的运行状况，有各自的优缺点。由于两种技术在工程应用中造价较高且接地极线构造不同，所以很难在同一工程中同时使用。至于选用哪种技术，需要根据建设方的要求、工程造价以及现场地质、环境等实际情况综合选择，原则上仅需要监视接地极运行状况，有专门设备用于故障测距选用阻抗法。如在溪浙工程中ELIS屏仅用于接地极线阻抗监视，故障测距选用山东科汇和中国电科院的专门测距设备。如果像糯扎渡工程一样在监测接地极线的同时还需判断故障类型，大致测算故障距离，与专门测距设备数据比较分析，则可选用时域差分法。

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