直流输电线路保护及特征量动态特性研究

金 鑫 罗 钟

（1.国网湖北检修公司特高压交直流运检中心 2.国网湖北检修公司宜昌运维分部）

0 引言

直流输电系统要进行较高功率的电能传输，需要通过高压直流输电线路来完成，因此需要保证直流输电线路的稳定，使整个输电系统与电网处于正常运转的状态。由于科技的发展，直流输电线路的功率与长度在不断增加，我国最长的直流输电线路的长度已经达到了1907km，较长的直流输电线路能够提升输电功率、降低电力系统工程成本，提高输送电路的经济性，但是随之而来的电路故障发生概率也较普通电路系统要多，特别是在高压环境下，在长距离直流输电线路出现故障将会对电力系统的安全运行造成极大影响。这样就需要加强直流输电线路的继电保护功能，为直流输电线路提供稳定的运行环境。

1 高压直流线路的构成及故障种类

1.1 直流输电线路构成

直流输电线路的结构较为简单明了，其功能之一在于将整流站与逆变站进行直接相连，直流输电线路的正负极线路结构平衡以至于不用进行特别处理，具体直流输电线路示意图如图1所示。由于直流输电线路的线路距离普遍较长，因此为有效预防雷击灾害，需要通过双重避雷措施来对其进行保障。

1.2 直流输电线路的故障种类

图1 直流输电线路示意图

直流输电线路由于线路过长会经常受到断线、短路等故障的影响，这都是在单一直流线路中较常出现的故障，而在与交流线路进行连接的情况下，还可能出现碰线故障。在以上故障类型中发生频率最高的故障为线路对地短路，造成该故障的主要原因是由于直流输电线路的硬件设施在长期的自然环境影响下，出现受损使得绝缘体丧失作用所导致；也有的是因为树木枝叶与线路接触后造成线路对地闪络现象的发生；恶劣的环境与极端的天气也会造成线路绝缘体出现放电现象对线路造成影响；雷电打击到直流输电线路后，可能在线路上产生较大的电压而造成线路的电流在短时间内提升，当超过线路绝缘体所能承受的电流与电压的负荷量后，将产生不同程度的线路故障。再出现对地短路故障后，线路部分会在持续高压与高电流的情况下形成电弧，与部分非防火材质接触后易造成起火现象，当故障越发严重后，将使得整个直流线路系统形成瘫痪状态，从而对电网造成严重危害。

2 直流线路保护及其特征量动态特性仿真

2.1 电压变化率的动态特性

图2展示的内容为不同类型的电流故障状态下，电压变化率du／dt的直观反映。

图2 不同类型的电流故障状态下电压变化率du／dt的动态特性

根据图2（a）的表现，直流输电线路的故障发生位置与电压变化率du／dt的响应程度具有较为清楚的关系，即故障位置越远的电压变化程度越小，造成这种状况的原因在于线路距离对故障行波造成直接影响，距离的增加使得故障行波产生变化，使得电压变化率的响应变小。

根据图2（c）的表现，d3与d4位置的故障所对应的电压变化率要大于d5与d6位置的电压变化率，主要原因在于换流变压器对故障行波进行抑制。而从图2（a）与图2（b）来看，在一定的距离中，如与线路整流侧出口长度距离超过20以上，两极线路故障所对应的电压变化率程度较为相似，并且与区外线路故障相比，两级线路上的故障所对应的电压变化率程度要高。在这种情况下，通过电压变化率来对区内与区外故障进行明确区分将会造成线路保护的范围受到限制，并且电压变化率的响应在不同运行方式的影响下也会表现出规律性相差无几。

2.2 电压变化量的动态特性

图3展示的内容为不同类型的电流故障状态下，电压变化量Δu的直观反映。

图3 不同类型的电流故障状态下电压变化量Δu的动态特性

根据上图的电压变化率表现，线路中任何位置的故障对于电压变化量Δu的影响程度都表现得较为平衡。由此可见，通过电压变化量来对故障的位置进行明确与细化定位不具有现实可行性。并且电压变化量的响应在不同运行方式的影响下也会表现出规律性相差无几。

2.3 电流变化量的动态特性

直流输电线路发生线路故障的状况中，根据不同故障的类型，导致线路本极行波保护所检测到的电流变化量的动态特征具有明显的不同，产生该状态的主要原因为：当本极线路发生故障时，故障电流的线模分量与地模分量都会向过流保护传输，而当对极线路发生故障时，仅有现模分量通过保护。

在故障状态下对稳态分量进行剔除，能够对电流变化量Δi的状态进行确定，能够对不同位置的故障所产生的电流变化量进行确认，其电流变化量的动态特性如图4所示。

图4 电流变化量在线路不同位置故障时的动态特性

根据图4的表现，由于线路故障的位置不同，使得电流变化量Δi的响应情况也不同，能够依次对线路故障的位置进行判别。

3 仿真结果分析

（1）控制系统对于电压变化率 du／dt与电压变化量Δu的作用较小，两者仅能对线路故障发生后的初始行波状态进行反应；在出现线路故障后，控制系统对电气量进行相应的处理后形成低电压水平udl，能够在故障后的暂态阶段对故障进行应对；直流线路在故障出现后需要在对两侧电流波动的影响进行规避，之后直流控制系统已经对线路故障进行深入处理，使得线路运行正常。

（2）电压变化率du／dt对于线路故障的响应，取决于故障所在的区域，对于两极线路的故障响应程度较大，而对于两极以外区域的线路故障响应较小。电压变化量Δu只对线路中的故障状态响应较大，而对其他类型的扰动响应较小，因此能够对故障与非故障类型进行区分。电流变化量Δi对于故障的响应也跟故障位置是否处于本极线路具有较强联系，其表现为本极响应大于对极响应。