直流输电线路保护的研究

王旭

(国网开封供电公司，河南 开封 475000)

直流输电线路保护的研究

王旭

(国网开封供电公司，河南 开封 475000)

现有直流线路的主要保护配置包括主保护行波保护以及后备微分欠压保护等。本文首先基于仿真手段分析了行波保护在大过渡电阻接地故障时的保护性能，并进一步阐述了现有的直流线路后备保护功能。针对现有的直流线路保护的不足，最后探讨了可能的解决措施与未来的研究方向。

LCC-HVDC；行波保护；微分欠压保护；差动保护

0 前言

直流输电是实现远距离、大容量、非同步联网的重要手段[1]。近年来，随着天广、贵广直流输电的相继投运，直流输电工程在我国得到了快速的发展。但是直流线路传输距离很长，跨越的地区环境复杂，所以容易出现故障。

现阶段，由于尚无专用的直流断路器投入运行，所以直流线路的保护与控制融为一体。直流线路保护动作后，可能会导致直流系统闭锁，造成传输功率大幅度降低，对直流系统和交流系统的安全稳定都产生不利的影响。因此研究直流线路的保护原理，对于整个电网的正常运行都起着重要的作用。

现有直流线路的主要保护配置包括：主保护行波保护，后备保护微分欠压保护以及差动保护[2-7]。文中详细分析了上述直流线路保护在不同工况下的动作性能。分析结果指出，行波保护耐受过渡电阻的能力较差，微分欠压保护在一定程度上提高了耐阻水平，但并未彻底解决此问题。差动保护虽然能正确识别高阻接地故障，但是由于整定时间过长，大部分时间处于闭锁状态。最后对直流线路的保护提出了可能的解决措施以及研究方向。

1 直流线路保护

直流线路保护反应本级线路接地、极线间短路等故障，启动故障重启顺序或者闭锁顺序，已达到故障恢复和保护直流设备的目的。现有的直流保护主要由ABB、西门子以及南瑞继保3个厂家提供。三家厂商在保护具体算法上虽然不同，但保护原理的配置都是一样的，都以行波保护为主保护，微分欠压和差动保护为后备保护，下面分别研究主保护和后备保护的动作性能。

1.1 主保护行波保护

图1表示的是双极直流输电系统图。P1表示的是极1的换流器，P2表示的是极2的换流器。

图1 双极直流输电系统图

直流线路的行波保护一般用极波和地膜波来识别线路故障。

1.1.1 极波

定义极波为：

上式中，ID1和ID2分别是极1和极2上整流侧直流线路电流，P1wave和P2wave分别是极1和极2上的极波；Zρ是直流输电线路的极波阻抗；UD1和UD2分别是极1和极2上整流侧直流线路的直流电压。

假设有正实数的整定值 K1.set和 K2.set，则当直流输电线路运行正常时，极波P1wave和P2wave的值基本不变化。当极1的直流线路出现接地短路故障时，极波P1wave的上升率将大于正的下限值即；同理，极2出现短路故障时，极波P2wave的下降率将会小于一个负的上限值即。由以上依据就可以精确地检测出线路的故障。

1.1.2 地膜波定义

当系统正常运行时，地膜波的值无限的接近于0，而当整流侧极1的线路发生接地故障时，其地膜波的值会大于一个正的极限值。同理，若地膜波的值小于一个负的极限值，那么可推断出整流侧极2波上的线路出现接地故障。

现行的行波保护依赖于电流、电压的变化量以及电压变化率的大小。

当直流线路发生故障时，随着过渡电阻的变化，显然会影响到电流、电压的变化量的大小。但影响更大的是变化率的大小。天广直流行波保护的三个动作条件如下所示：

图2是基于国际大电网会议CIGRE提供的标准直流测试模型的仿真结果。该模型直流额定电压为500 kV，额定电流2 kA。图2(a)、(b)表示的是直流线路经过10 Ω过渡电阻接地时整流测、逆变侧电压变化率的大小。按照式 (4)可以看出，du/dt＞87.5 kV/s时，行波保护动作。通过图2(a)、(b)可以看出，此时满足电压变化率的大小，行波保护可以动作；图 2(c)、(d)表示的是线路经过100 Ω过渡电阻情形下du/dt的大小，此时可以看出du/dt＜87.5 kV/s，行波保护不会动作。

图2 不同过渡电阻条件下电压变化率

通过上面的分析可以看出，行波保护耐受大过渡电阻接地的能力不足，此时需要后备保护予以动作。

1.2 直流线路后备保护

1.2.1 微分欠压保护

目前，ABB和SIMENS的微分欠压保护都是利用监测电压微分和电压水平来实现的。其电压微分定值和行波保护相同，但微分欠压保护上升沿延时为20 ms，因此在行波保护退出或者电压变化率上升沿宽度不足时，可以起到后备保护的作用。但微分欠压保护仍然耐受过渡电阻的能力较差，需要一个能在高阻接地情形下保护动作的一种方案。

1.2.2 纵联差动保护

纵联差动保护利用了直流线路两侧的信息，从原理上讲能保证动作的选择性。但直流线路整流测、逆变侧本身就存在电流裕度，而且直流限流的差动保护并没有考虑分布电容的影响，并且需要稳态量进行计算，所以动作时间晚。按照设计的要求，其主要负责高阻故障。

综上所述，可以看出，LCC-HVDC中的直流线路故障保护的主要配置如下图3所示。

图3中，UdL、IdL分别表示直流线路的电压和电流。行波保护、微分欠压保护以及差动保护共同作用，一般可以能保证直流线路故障时的正确识别。但行波保护耐受过渡电阻能力差，微分欠压保护略有提升，但仍显不足；差动保护可以在高阻接地时正确识别故障，但是由于整定时间过长，导致一般保护尚未动作，直流系统就已经闭锁。造成直流线路保护尚不完善的原因主要来自以下2个方面：

图3 直流线路保护的主要配置

1)直流线路故障期间的暂态过程非常复杂，不易进行系统有效的分析，给直流线路的保护带来了挑战；

2)保护原理的缺陷。现有的行波保护以及后备保护都是基于电气量的变化率对线路进行保护，这就决定了保护原理容易受到过渡电阻以及故障位置的影响。因此关于直流线路的保护需要进一步的研究。

2 解决措施

交流线路的一些原理可以为直流线路的保护提供借鉴，文献 [8]结合交流线路行波距离保护的思想，提出了直流线路行波距离保护的原理和判据。直流线路是控制、保护于一体的，动作于控制系统闭锁或者系统重启。直流线路的任何故障暂态过程都是受直流控制的影响。当直流线路故障时，其整流测、逆变侧两侧的电流中都含有大量的暂态分量，可以利用暂态分量对直流线路的保护进行研究，文献 [9]根据线路内部故障时故障暂态分量较为丰富的特征，提出了高压直流线路暂态边界判据；直流线路两侧都有限流电抗器，为线路的保护提供了明显的边界条件，可以利用此边界特性研究直流线路的保护原理。充分利用直流系统特有的暂态特性，可构建多种新的保护原理来提高直流线路保护的性能。为了减小过渡电阻对行波保护的影响，文献 [10]提出了一种检测电流首峰值时间的直流线路保护的新原理。进一步的研究抗过渡电阻能力强，不受直流控制影响的新型直流线路保护原理是未来研究的主要内容。

3 结束语

文中研究了直流线路的保护原理，并重点研究了行波保护的原理与不足。研究表明行波保护耐受过渡电阻的能力有限，需要通过后备保护来识别高阻接地故障。即使后备保护也存在整定时间过长的问题，为此提出了直流线路保护研究的建议，试探性的探讨了未来直流线路保护的研究方向。

[1] 李兴源.高压直流输电系统 [M].北京：科学出版社，2010：1-10.

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[3] 邓本飞.天广高压直流输电线路保护系统综述 [J].电力系统保护与控制，2008，36(19)：71-75.

[4] 朱韬析，彭武.天广直流输电系统线路高阻接地故障研究[J].电力系统保护与控制，2009，37(23)：137-140.

[5] 李爱民，蔡泽祥，任达勇，等.高压直流输电控制与保护对线路故障的动态响应特性分析 [J].电力系统自动化，2009，33(11)：72-77.

[6] 李爱民.高压直流输电线路故障解析与保护研究 [D].华南理工大学，2010.

[7] 高锡明，张鹏，贺智.直流输电线路保护行为分析 [J].电力系统自动化，2005，29(14)：96-99.

[8] 全玉生，李学鹏，马彦伟，等.基于小波变换的HVDC行波距离保护 [J].电力系统自动化，2005，29(18)：52 -56.

[9] LI Zhengqiang，Lu yanping.A novel scheme of HVDC transmission line voltage traveling wave protection based on wavelet transform[C].2008 International conference on High voltage engineering and application，Chongqing，China，2008：2162 -2165.

[10] 徐敏.直流线路继电保护解析方法与新型保护原理研究[D].华南理工大学，2014：73-83.

Study on DC Transmission Line Protection in HVDC System

WANG Xu
(Kaifeng Power Supply Company，State Grid，Kaifeng，Henan 475000，China)

The protection configuration for LCC-HVDC DC transmission line include the traveling wave main protection and the under-voltage backup protection.The performance of traveling wave protection is first studied during a big resistance earth fault by using simulation method.Then，different backup protections are discussed.At last，the possible solutions and research direction are proposed.

LCC-HVDC；traveling wave protection；under-voltage protection；differential protection

TM75

B

1006-7345(2015)04-0086-03

2015-03-05

王旭 (1984)，男，硕士，工程师，国网开封供电公司，从事线路运维检修工作 (e-mail)wagnxu198403＠163.com。