特高压直流输电系统接地极引线阻抗监视策略

滕予非　王　鱼　焦在滨　张　纯　庞广恒

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院　成都　610072 2.西安交通大学电气工程学院　西安　710049 3.中国电力科学研究院　北京　100192)

特高压直流输电系统接地极引线阻抗监视策略

滕予非1王鱼2焦在滨2张纯1庞广恒3

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院成都610072 2.西安交通大学电气工程学院西安710049 3.中国电力科学研究院北京100192)

摘要为提升特高压直流输电系统接地极引线的故障识别性能，提出一种新的接地极引线阻抗监视策略。对输电线路的全频带阻抗—距离特性进行了理论分析，以此为基础提出了基于高频信号注入的接地极引线阻抗监视策略，并给出了注入信号频率选择原则及故障告警判据。研究表明：若接地极引线长度超过注入信号的1/2波长，金属性接地故障时，阻抗监视装置测量阻抗的虚部随故障距离呈周期性变化，加大了判据整定的难度。因此注入信号频率的选择应保证金属性故障时，线路阻抗随故障距离的增加而单调变化，同时最大的故障阻抗模值应小于线路正常运行时的阻抗，且留有一定裕度。PSCAD仿真验证了该策略的有效性。

关键词：特高压直流输电系统接地极引线阻抗监视阻抗—距离特性注入信号频率全频带

0引言

特高压直流输电技术[1-3]具有输送容量大、输电距离远和控制性能强[4，5]等优点，在电能的远距离传输及区域电网互联中发挥了举足轻重的作用。接地极[6，7]是特高压直流输电系统的重要组成部分，主要起到提供大地回流通路、建立系统电压参考点等作用[8，9]。随着特高压直流输电工程的不断建设和投运，接地极址选择日趋困难，同时考虑到直流偏磁对换流站设备的影响[10-12]，某些特高压直流输电工程的接地极距离换流站距离已超过100 km，给接地极引线的保护带来严重影响。此外，当特高压直流输电系统双极平衡运行或单极—金属回线运行时，接地极引线上无电流，给接地极引线的故障识别和处理带来了极大的挑战。

目前，接地极引线保护[13，14]中广泛采用电流不平衡保护原理[15-17]，通过检测并列运行的两条接地极引线上直流电流不平衡度，识别接地极引路故障，具有很强的灵敏度。同时，也有学者将电流差动保护[18]及过电流保护应用于接地极引线的故障识别中，取得了较好效果。然而，以上方法均只能用于单极—大地回线运行方式，无法在双极平衡运行或单极—金属回线运行时及时发现接地极引线存在的隐患，可能导致在直流工程切换至单极—大地运行方式后发生故障，危及人畜生命安全[19]。

为解决双极平衡运行时接地极引线故障识别问题，文献[20，21]提出了基于注入法的故障监视原理，采用注入脉冲信号和高频信号的方法检测相应的反射波和高频阻抗，进而识别故障。但由于接地极引线高频及暂态特征的研究并不充分，相关原理的应用存在缺陷。例如，在2014年6月，某特高压直流输电工程调试期间，接地极引线掉入水塘，基于高频注入信号的阻抗监视原理未能正确动作，造成较为严重的经济损失。因此，分析特高压直流输电工程接地极引线在全频带的阻抗—距离特性，提出高性能的接地极引线阻抗监视策略，对于特高压直流系统的安全运行具有重要的理论及实际意义。

本文在研究长电气距离输电线路全频带阻抗—距离特性的基础上，提出了一种新的接地极引线阻抗监视策略。首先，分析了输电线路的全频带阻抗—距离特性；其次，在考虑阻抗监视原理正确动作边界条件的基础上，提出了注入频率选择的基本原则和阻抗监视定值的选择方法；最后，利用PSCAD电磁暂态仿真程序对该方法进行了仿真验证。

1输电线路全频带阻抗—距离特性

当采用注入法进行接地极引线故障识别时，由于注入信号的频率往往数倍于工频，电磁波的波长也呈比例地降低，因此在分析近百公里的输电线路阻抗—距离特性时，必须考虑线路的分布参数模型。为便于理论分析与讨论，将线路模型简化为无损均匀传输线路与集中参数电阻串联的形式[22]。

由输电线路波过程的微分方程推导，可以得到单回输电线路上任意两点间电压、电流关系满足

(1)

J(s)=

(2)

(3)

式中，UK、UM分别为线路上K、M两点的电压；IK、IM分别为线路上K、M两点的电流；Zc为输电线路的波阻抗；γ为输电线路的传播系数；r1、L1、C1分别为线路单位长度的电阻、电感和电容；l为线路上M点与K点间距离。

设定M点为阻抗监视装置安装处，而当线路上K点发生金属性短路故障时，有

UK(s)=0

(4)

将式(4)代入式(1)～式(3)，消去IK(s)，可得

(5)

式中，λin为注入信号的电磁波波长。

由此可见，当输电线路首端注入角频率为ωin的电流，金属性故障后阻抗监视装置检测到的阻抗Zfault为

(6)

由式(6)可知，当输电线路长度超过注入信号的1/2波长时，一旦出现金属性接地故障，阻抗监视装置测量到的阻抗虚部会随故障距离在(-∞，+∞)范围内呈周期性变化，变化周期fz满足

(7)

同时，由式(6)可知，当阻抗监视装置安装处与故障点的距离l满足式(8)时，阻抗虚部的模值是l的单调增函数；当阻抗监视装置安装处与故障点的距离l满足式(9)时，阻抗虚部的模值是l的单调减函数。

(8)

(9)

在实际工程参数下，单回输电线路出现金属性接地故障后，在50 Hz、2 500 Hz、5 000 Hz以及13 950 Hz等信号注入的工况下，线路的阻抗—距离特性如图1所示。

图1　不同频率信号注入输电线路的阻抗—距离特性Fig.1　The impedance-distance characteristic of transmission line at difference frequency

由图1可知，当线路的故障距离小于注入信号的1/4周长时，引线的阻抗与故障距离间的关系具有单调性，然而当故障距离超过注入信号1/2波长时，监测阻抗随故障距离周期性变化，与之前的理论分析一致。

需要指出的是，特高压直流输电工程接地极引线往往采用同杆双回架设方式，且在首尾端互联，因此存在双回同点接地以及单回接地两种故障类型，其金属性接地故障时的等效电路图如图2所示。

图2　接地极引线金属性接地故障时等效电路Fig.2　Equivalent circuit of ground electrode line

图2中G点为接地极址，Rp为接地极址的接地阻抗。由图2a可知，当引线双回同点接地后，其阻抗—距离特性与前文分析的单回线路具有类似的结论，即当线路全长lT满足式(10)时，Zfault的模值是变量l的单调增函数。

(10)

以下将着重分析双回接地极引线单回接地故障时的全频带阻抗—距离特性。

由图2b可知，接地极引线单回金属性接地故障时，M点监测到的阻抗与引线末端的接地电阻Rp直接相关。以下将分3种情况对阻抗监测装置测量到的线路阻抗的单调性进行分析。

1)末端直接接地工况，即Rp=0。

由图2b可知，该工况下阻抗监测装置测量到的线路阻抗可视为两根长度分别为l与lT的线路阻抗的并联。该工况下，忽略线路的电阻与电导，易得同塔并架接地极引线在l处出现单回金属性故障时，阻抗监测装置测量到的线路阻抗为

(11)

由于l∈[0,lT]，由式(11)易得，当满足式(12)时，Zfault的模值是变量l的单调增函数，且当l=0时，Zfault=0。

(12)

2)末端开路工况，即Rp=∞的情况。

由图2b可知，该工况下阻抗监测装置测量到的线路阻抗可视为两根长度分别为2l-lT与lT的线路阻抗的并联。该工况下，忽略线路的电阻与电导，易得同塔并架接地极引线在l处出现单回金属性故障时，阻抗监测装置测量到的线路阻抗为

(13)

对式(13)进行三角变换，易得

(14)

式中，lT为接地极引线长度。

由于l∈[0,lT]，因此lT满足

(15)

可以确保：

在上述两个条件下，可以证明

(16)

因此，由式(14)与式(16)可知，当满足式(15)的要求时，Zfault的模值是变量l的单调增函数，且当l=0时，Zfault=0。

需要指出的是，条件(15)仅是Zfault的模值单调增的充分条件，而非必要条件，实际单调增区间可能较条件(15)更宽。

3)Rp∈(0,+∞)工况。

在该工况下，利用理论推导线路阻抗的单调区间极为复杂，可采用数值求解的方法。

设定Rp=krZc，此时当

lT

(17)

Zfault的模值是变量l的单调增函数。

利用数字求解方法可以得到kr与kn间的关系如图3所示。

由图3可知，当Rp∈(0,+∞)时，kn的变化范围满足

kn∈(0.25,0.372)

(18)

综合上述，对于同杆双回架设方式且在首尾端互联的接地极引线，无论末端接地电阻多大，当满足均可保证引线出现任意金属性故障时Zfault是变量l的单调增函数，且当l=0时，Zfault=0。

(19)

图3　kr与kn关系图Fig.3　Relationship between krand kn

2基于高频信号注入的接地极引线阻抗监视策略

2.1接地极引线阻抗监视的硬件结构

特高压直流输电系统示意图及接地极引线阻抗监视装置如图4所示。

图4　特高压直流输电系统接地极引线故障监视装置Fig.4　Impedance monitoring equipment for UHVDC ground electrode line

为实现接地极引线故障识别，在换流站内通过信号注入装置向接地极引线注入高频电流信号。同时，通过测量信号注入点的同频电压幅值，间接计算出接地极引线的阻抗变化。如果阻抗监视装置检测到的阻抗进入动作区，并持续一定时延，则向直流输电控制保护系统发送接地极引线异常信号，提醒运行人员进行相应操作。

为配合注入法的实施，在接地极引线的两端还分别串入一个并联谐振滤波器，以阻止高频信号的注入。其中，接地极址侧的带阻滤波器还会安装与接地极引线波阻抗相匹配的并联电阻[23]，以减少接地极引线在高频下的驻波效应。

2.2接地极引线故障阻抗监视判据

由前文分析可知，只有当注入信号频率与故障距离之间满足式(8)或式(15)所示关系时，阻抗监视装置的测量阻抗才是故障距离的单调增函数。在此条件下，可构造接地极引线阻抗监视判据，具体判据为

(20)

2.3频率选择原则及策略

本文提出的特高压直流输电系统接地极引线阻抗监视原理的着眼点在于利用注入的高频信号，对接地极引线的阻抗进行在线监测，若引线阻抗小于整定值，则判为线路故障，监视装置将通过控制保护发出报警信号。注入信号的频率选择应依据以下两点原则：

1)当引线发生金属性短路故障时，阻抗监视装置的测量阻抗应随故障距离的增加而单调增大。

2)当引线发生金属性短路故障时，阻抗监视装置测量到的最大阻抗模值应小于引线正常运行时监测到的阻抗模值，且留有一定裕度。

因此，以同塔双回架设的接地极引线为例，注入信号频率选择策略如下。

策略1(单调性策略)

(21)

式中，lT为接地极引线全长；fin为注入信号的频率。

由于线路故障距离l∈[0，lT]，因此当线路长度与注入信号频率满足式(21)，由式(19)可知，阻抗监视装置测量到的线路阻抗即为故障距离单调增函数，满足原则1)的要求。

策略2(可靠性策略)

同时，虽然接地极引线两侧的带阻滤波器实现了对注入信号的阻断，但由于接地极址侧的滤波器装置有并联电阻，因此在对线路正常运行时的阻抗进行计算时，应计及并联电阻的影响。

设定接地极址滤波器并联电阻阻值为Rp，则引线正常运行时的阻抗Znormal可通过下式进行计算。

(23)

(24)

特别地，若接地极引线实现了末端并联电阻对线路的完全匹配，式(23)和式(24)可简化为

Znormal(s)≈Zc=Rp

(25)

2.4接地极引线阻抗监视整定方法

由2.2节可知，本文提出的接地极引线阻抗监视策略采用如式(20)所示的判据。

由于有带阻滤波器的存在，接地极引线不存在区内故障、区外故障区分的问题，同时由于接地极引线运行工况较为单一，因此阻抗整定值可取线路正常运行时的阻抗，即

Zset=Znormal

(26)

3仿真验证

3.1仿真模型

根据西南—华东某实际工程参数，利用PSCAD软件建立±800 kV特高压直流输电系统仿真模型。直流输电系统额定输送容量8 000 MW；输电线路长度1 652 km。该工程的接地极引线采用双回并联架设且首尾端互联的运行方式，其结构如图1所示。仿真系统中接地极引线采用Bergeron模型，接地极引线长度与实际相同，约为100 km。根据线路参数实测试验，接地极引线参数如表1所示。

表1　仿真系统中接地极引线参数

为配合注入法的实施，在接地极引线的两端还分别串入一个并联谐振滤波器，滤波器的截止频率与注入信号频率相同。为了减少接地极引线在高频下的驻波效应，引线末端为谐振滤波器装设了并联电阻，电阻取值275 Ω，接近于双回线路的波阻抗值。

3.2注入信号频率选择及整定值计算

利用本文提出的阻抗监视策略对接地极引线进行监视，首先需要对注入信号的频率以及策略整定值进行计算。

由于仿真系统中接地极引线采用同塔双回并联运行的方式，因此在注入信号频率选择时需采用式(21)、式(22)进行计算。根据接地极引线长度及实测参数计算可知：当fset<292 Hz时，阻抗监视装置测量到的线路阻抗满足单调性原则，而当fset<274 Hz时，线路阻抗满足可靠性原则；综合上述两个计算结果，选取注入信号频率fset=273 Hz。

利用图2所示阻抗监视原理，向接地极引线注入0.15 A的高频电流。在此工况下，利用PSCAD仿真可得：在引线末端电阻的作用下，接地极引线正常运行时，阻抗监视装置测量到的线路阻抗值Znormal=261.345+j87.483 Ω。

3.3故障仿真分析

当注入信号频率为273 Hz时，图5为当接地极引线出现单回金属性接地短路及双回同时金属性接地短路时，阻抗监视装置的测量阻抗模值与故障距离间的关系。

由图5可知，由于注入信号频率较低，接地极引线全长小于注入信号波长的1/8，因此线路出现金属性接地故障时测量阻抗随故障距离单调增加，该结论与理论分析一致。

图5　273 Hz信号注入下接地极引线故障阻抗特性Fig.5　Reactive characteristic of ground electrode lines when the frequency of injection signal is 273 Hz

为了验证算法的有效性，表2中分别考虑了接地极引线在5 km、20 km、50 km、70 km以及100 km处出现单回接地短路及双回同时接地短路故障的情况。由于接地极引线电压等级偏低(在5 000 A电流注入下仅有7.70 kV)，出现高过渡电阻可能性偏低，因此本文仅考虑过渡电阻为100 Ω的情况。表中“+”表示正确识别故障，“-”表示未能正确识别故障。

由表2可知，利用本文提出的阻抗监视策略，当接地极引线出现金属性接地故障时，均能可靠识别故障，阻抗监视策略的有效范围达到线路全长。同时，短路点过渡电阻会导致阻抗测量存在误差，但在相同的故障类型和过渡电阻下，测量阻抗模值依然满足随故障距离的增加而增加的关系，且远端故障时测量误差较近端故障时测量误差小。这说明过渡电阻的存在未影响测量阻抗的单调性，且远端故障时测量误差较近端故障时测量误差小的特点还有利于提高故障辨识的可靠性。因此，在短路点过渡电阻小于100 Ω的工况下，阻抗监视装置依然能在接地极引线接地故障下可靠地识别故障。

表2　故障仿真结果

4结论

本文提出了一种全新的特高压直流输电系统接地极引线的阻抗监视策略。该策略在换流站内会通过信号注入装置向接地极引线注入高频电流信号。同时，通过测量信号注入点的同频电压幅值，间接计算出接地极引线的阻抗变化。由输电线路全频带阻抗-距离特性可知，只有当注入信号频率小于某特定数值后，输电线路的测量阻抗随故障距离的变化关系才是单调的。基于此，提出了接地极引线阻抗监视装置的注入频率选择原则和整定原则。

利用实际特高压直流输电工程参数，建立PSCAD仿真模型对本文提出的阻抗监视策略进行了仿真验证，结果表明，本文提出的阻抗监视策略可以可靠地识别接地极引线故障，并具有一定的抗过渡电阻的能力，具有较好地应用前景。后续将开展接地极引线阻抗监视策略对引线开路故障以及高阻接地故障的适应性研究。

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Impedance Monitoring Scheme for Ground Electrode Line of Ultra High Voltage DC Transmission System

Teng Yufei1Wang Yu2Jiao Zaibin2Zhang Chun1Pang Guangheng3

(1.State Grid Sichuan Electrical Power Research InstituteChengdu610072China 2.School of Electrical EngineeringXi’an Jiaotong UniversityXi’an710049China 3.China Electrical Power Research InstituteBeijing100192China)

AbstractA novel impedance monitoring scheme is proposed in this paper in order to detect faults occurring in the ground electrode lines of ultra high voltage DC(UHVDC)transmission systems reliably and rapidly.Firstly,the theoretical analysis of the full-band impedance vs.distance characteristic of the ground electrode line is carried out.Because a high frequency signal injection-based method is used in the proposed scheme,the principle of determining the frequency of the injection signal is discussed and the criterion of fault alarm are given.The study shows that the imaginary part of the measured impedance has a periodic variation with the distance of the bolted fault when the length of the ground electrode line is larger than half the injection signal’s wave length,which increases the difficulty of setting the criterion.Therefore the selected frequency of the injected signal should ensure that in case of a bolted fault the line impedance changes monotonically with the fault distance,and the modulus value of the maximum fault impedance should be less than that of a normal operation case with a certain margin.Some PSCAD based simulations are performed to verify the proposed scheme.The results show that the faults occur in the ground electrode line can be detected rapidly and reliably,and the proposed scheme has good practice perspective.

Keywords：Ultra-high voltage DC transmission system，ground electrode line，impedance monitoring，impedance-distance characteristic，frequency of injection signal，full frequency range

收稿日期2015-04-28改稿日期2015-09-21

作者简介E-mail：yfteng2011@163.com(通信作者) E-mail：zzzx.fish@stu.xjtu.edu.cn

中图分类号：TM77

滕予非男，1984年生，高级工程师，博士，研究方向为电力系统分析与控制。

王鱼女，1990年生，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护。