交-直流碰线故障对交流线路距离保护的影响

杜婉琳, 唐旭, 黄泽杰

(1. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2. 华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640)

由于直流输电工程的大规模应用和输电走廊的限制[1]，交流和直流输电线路在空间上发生交叉跨越的情况无法规避，交-直流碰线故障时有发生[2-3]。每年台风季，超强风雨给广东电网的安全稳定运行带来严峻挑战。2017年的台风“天鸽”和2018年的台风“山竹”，超过15级的超强台风登陆导致了多起交-直流碰线故障的发生，给广东电网的稳定造成巨大压力。

交-直流碰线故障是一种复杂的故障类型，故障后交流和直流线路之间存在直接的电气连接点，通过故障点，交、直流故障分量在系统间相互渗透，这种现象不同于传统交流短路，因此其故障特征及其对运行系统带来的影响也有所区别。

目前，国内外针对交-直流碰线故障方面的研究十分少见[2-3]，关注重心主要放在交流与直流线路交叉跨越后所带来的电场、磁场影响方面[4-6]。文献[2]主要介绍了交-直流碰线故障对直流系统的影响，提出相关处理策略，但关于交流保护方面仅作了简单说明。文献[3]基于换流阀正常导通且保持基本换相过程情况，提出了交-直流碰线故障下换流阀工频等值阻抗的计算方法。此外，在有直流馈入的交直流互联系统中，现有许多针对其故障分析与继电保护影响的研究[7-12]，但这些都基于纯交流故障，尚未考虑本文所研究的故障类型。

本文首先对交-直流碰线短路进行故障特性分析，与传统故障特征相比较，挖掘交-直流碰线故障特征。在此基础上，从理论上深入研究距离保护在交-直流碰线故障下的适应性。利用PSCAD/EMTDC软件搭建仿真模型，验证理论分析的正确性。

1 交-直流碰线短路故障特性分析

交直流互联电力系统模型如图1所示，其中，线路CD为±500 kV天广直流输电系统，EF为带升压变压器的交流线路，其余部分为220 kV交流系统网络。正常运行时，线路CD和EF在空间上交叉跨越。假设线路CD和EF发生交-直流碰线故障，即f1、f2点交叉短路。本文考虑直流控制保护快速动作特性，在直流保护动作而交流保护尚未起动情况下，分析此时系统故障特征，在故障后1.5个周期处将直流故障极闭锁[13-15]。

图1 交直流互联电力系统模型Fig.1 AC/DC interconnected power system model

直流闭锁下的换流阀导通特性由阀两侧瞬时电压相对大小决定。以逆变器为例，故障后交流分量通过故障点进入直流系统，受其影响，直流线路电压呈正弦变化。当直流线路电压小于换流变压器阀侧线电压时，逆变阀因承受反向电压而关断；当直流线路电压增大至等于换流变压器阀侧线电压时，总存在一组逆变阀两端为正向电压，只要有触发脉冲，逆变阀可以恢复导通。整流阀导通特性分析方法类似。

换流阀导通情况受阀两侧电压幅值(线路电压幅值Udm与阀侧电压幅值Uvm)相对大小控制：若Udm>Uvm， 则换流阀周期性交替出现完全关断和部分阀导通现象，如图2(a)所示；若Udm≤Uvm， 则换流阀完全关断，如图2(b)所示。受交流工频特性影响，阀导通时间至多只有半周期。

(a)Udm>Uvm

(b)Udm≤Uvm图2 直流闭锁下逆变阀导通情况Fig.2 Conducting state of inverter valve under DC block

通过对阀导通特性的分析，可得出交流短路通道，继而得到直流系统在交-直流碰线故障点处的工频等值阻抗。其中，换流阀是直流系统工频等值阻抗的主要影响因素。

故障后，交流分量经故障点进入直流线路。阀导通时，交流分量通过故障极上导通的阀组流入接地极引线。由文献[3]可知，换流阀正常导通时的工频等值阻抗主要受变压器支路、交流侧系统阻抗、变压器直流偏磁3个因素的影响，综合分析后发现换流阀等值阻抗变化范围较大，主要呈现为感性，需要根据故障类型、故障合闸角、换相重叠角、电压等级等因素确定。

阀关断时，交流分量无法直接通过故障极构成回路。由于直流双极线路采用同塔架设，正常运行时两极线路之间的电磁感应引起的相互影响并不明显。但是当其中一极线路存在工频分量时，这时直流双极线路类似于交、直流同塔架设，故障极的工频分量通过感性耦合和容性耦合，在非故障极两侧产生基频感应电压和电流[16-17]，再经由非故障极两侧的换流阀导通阀组与接地极引线形成回路。

高压直流输电距离很长，一般超过1 000 km，因此分布电容很大，其等值阻抗也近似为纯容性。而直流线路在直流系统中占比最高，即使有其他感性元件的影响，直流系统工频等值阻抗角φ仍呈现为容性，同时因为感性元件的影响，φ最终在纯容性(-90°)和纯阻性(0°)之间变化，且直流系统等值阻抗幅值较大。因此，对交流线路而言，交-直流碰线故障相当于经容性过渡阻抗的高阻接地故障。利用图1系统进行PSCAD/EMTDC仿真分析，不同电压等级时直流系统等值阻抗角如图3所示。

图3 不同电压等级时直流系统等值阻抗角Fig.3 Equivalent impedance angle of DC system at different voltage levels

2 距离保护适应性分析

实际上，交-直流碰线故障可以等效为交流线路经容性过渡阻抗的接地故障，过渡阻抗为直流系统在交-直流碰线故障点处的工频等值阻抗，由上文的分析可知直流系统工频等值阻抗呈容性，并受直流系统中感性元件影响，而当故障类型、线路电压等级等发生改变时，主要感性元件换流阀的等值阻抗随之改变，过渡阻抗也相应改变。本节在对距离保护动作特性进行分析时，将直流系统工频等值阻抗用过渡阻抗Zf表示，Zf=Rf(cosφ+jsinφ)，-90°<φ<0°。

发生交-直流碰线故障时的等效系统如图4所示。

和为电源电动势，为F1点到K点之间的线路阻抗；ZK、 ZH分别为F1点向K侧、H侧看进去的等效系统阻抗；为F1点电压；为F1点流向大地的电流；δ为系统功角；为两侧母线流向线路的电流。图4 发生交-直流碰线故障时的电力系统Fig.4 Power system model in AC-DC line touching fault

设在K侧正方向的F1点处发生交-直流碰线故障(线路KH区内故障)时，K侧测量阻抗[18-19]

(1)

设在K侧反方向的F2点处发生交-直流碰线故障(线路KH反向故障)时，K侧测量阻抗

(2)

由文献[20]可知，当过渡阻抗幅值Rf从0到无穷大变化时，测量阻抗随之变化，由此可作出测量阻抗变化轨迹，即R-jX曲线。本节研究交-直流碰线故障对距离保护动作特性的影响时以此为观察对象，分析参数δ和φ变化时测量阻抗轨迹的变化特征。

ZK.K和ZP.K由线路阻抗值与附加阻抗值两部分组成，为简化分析，令Zd=0，即设故障发生在K侧母线出口处。

2.1 正方向故障

图5为Rf由0～+∞变化时正向故障的测量阻抗轨迹，从图5可看出，Rf从0变化到+∞的过程中，测量阻抗ZK.K沿着测量阻抗轨迹圆弧从原点逐步接近负荷阻抗。参数δ和φ变化时，测量阻抗轨迹也呈现不同的发展趋势。当φ<0°时，δ>0°和δ<0°二者测量阻抗轨迹先从第四象限出发，然后朝着相反方向延伸变化，轨迹曲线凹向-jX方向，测量阻抗电抗特性负向增大，这容易造成保护越限动作可能性增大，防误动可靠性降低。

图5 正向故障时测量阻抗轨迹Fig.5 Measured impedance locus in positive direction fault

测量阻抗电抗特性与距离保护动作可靠性密切相关，而δ和φ直接影响正向故障测量阻抗电抗值XK.K的大小，为分析δ和φ对XK.K的影响，在Rf=200 Ω情况下，作出随着δ(-40°<δ<40°)和φ(-50°<φ<0°)变化时，测量阻抗电抗值XK.K的变化趋势图，如图6所示。

(a) XK.K随δ和φ变化的三维曲面图

(b) XK.K随δ和φ变化的平面等高线图图6 正向故障时测量阻抗电抗值XK.K变化趋势Fig.6 Variation trend of XK.K in positive direction fault

由图6可知，在上述δ和φ变化范围内，大部分区域的测量阻抗电抗值XK.K为负值，根据上文的分析，这种情况下若故障发生在正方向，易造成阻抗继电器灵敏性升高，保护越限动作可能性增大。由图6(b)可看出，XK.K不为零的值主要分布在δ=-20°附近。该区域可大致划分为3个部分：φ<-35°时，-500 Ω-12°时，XK.K>0，保护动作可靠性较高；当φ=-10°左右时，XK.K≫0， 这时很可能造成保护灵敏性降低，保护范围缩短，保护拒动可能性大大增加。

2.2 反方向故障

图7为Rf由0～+∞变化时的反向故障测量阻抗轨迹，由图可知，当φ<0°时，δ>0°和δ<0°二者测量阻抗轨迹从第二象限出发，随着Rf的增大，两条轨迹出现交叉并朝着相反方向继续延伸，轨迹曲线凸向jX方向，测量阻抗电抗特性正向增大。这种情况下，反向故障时的测量阻抗进入方向继电器整定范围的概率增大，保护越限动作可能性增大。

图7 反向故障时测量阻抗轨迹Fig.7 Measured impedance locus in reverse direction fault

类似正向故障，可作出反向故障时测量阻抗电抗值XP.K的变化趋势图，如图8所示。

(a) XP.K随δ和φ变化的三维曲面图

(b) XP.K随δ和φ变化的平面等高线图图8 反向故障时测量阻抗电抗值XP.K变化趋势Fig.8 Variation trend of XP.K in reverse direction fault

由图8可看出，在上述δ和φ变化范围内，测量阻抗电抗值XP.K基本都为正值，通过前文分析已知道，即使故障发生在反方向，在XP.K>0情况下测量阻抗依然很可能进入方向继电器整定范围内。由图8(b)可知，在δ=10°附近，测量阻抗电抗值XP.K随着φ的减小而增大，在φ<-15°区域，XP.K已经超过200 Ω，这时由于电抗值较大，对距离保护几乎没有影响；但在δ为其他值的情况下，0

由于交-直流碰线故障相当于交流线路发生了经容性过渡阻抗接地故障，通过对正方向故障与反方向故障时距离保护动作特性的分析可知，容性过渡阻抗对距离保护动作可靠性产生很大的影响。

3 仿真分析

(a)R和jX值(故障后全曲线)

(b)R和jX值(故障稳态放大曲线)

(c)矢量图图9 正向单相碰线故障时K侧测量阻抗Fig.9 Measured impedance at K side in positive direction single-phase line fault

由图9的曲线1、2、3可知，正向区内交-直流单相碰线故障时：测量阻抗R值比交流高阻接地小，满足阻抗继电器电阻特性动作要求；测量阻抗jX值为负值，其绝对值比交流高阻接地大。由图9(b)可知，以故障点(f1-f2)为坐标原点，正方向区内3种故障情况下测量阻抗均处于第四象限，且交-直流碰线故障时的测量阻抗比交流单相高阻接地时更趋近-jX轴，可能超出阻抗继电器动作范围，距离保护拒动可能性较大。由图9的曲线4、5、6可知，正方向区外故障时测量阻抗的分布与区内故障类似，测量阻抗进入上级线路阻抗继电器动作范围的可能性较大，距离保护可能误动。

在f1-f2处发生正极-A相碰线故障，此时对于线路HG的H侧保护来说为反方向故障，线路KHG电压等级分别为750 kV、500 kV、220 kV时的H侧测量阻抗仿真结果如图10所示。

(a)R和jX值(故障后全曲线)

(b)R和jX值(故障稳态放大曲线)

(c)矢量图1—线路KHG电压等级为220 kV；2—线路KHG电压等级为500 kV；3—线路KHG电压等级为750 kV图10 反向单相碰线故障时H侧测量阻抗Fig.10 Measured impedance at H side in reverse direction single-phase line fault

由图10可知，发生反向交-直流单相碰线故障时，H侧测量阻抗R值和jX值受交流线路电压等级影响，尤其是R值，不同电压等级下其大小和方向都发生改变。由图10(b)可知，随着电压等级的降低，测量阻抗R值由负方向变化到正方向，即测量阻抗由第二象限逐渐进入第一象限，同时测量阻抗jX值也逐渐减小，这大大增加了测量阻抗进入H侧阻抗继电器动作范围的可能性，进而导致保护误动。

4 结论

交流和直流线路交叉跨越现象日益增多，交-直流碰线故障发生概率增大，故障后系统故障特征区别于传统交流短路，对交流线路距离保护产生影响。本文通过理论分析和仿真验证得出以下结论：

a)考虑直流控制保护快速动作及单极闭锁，不同交-直流碰线故障情况下，换流阀导通状态有所差异，交流短路通道也不同。但对交流线路而言，不同类型的交-直流碰线故障具有共性，该类故障可以简化为经容性过渡阻抗的高阻接地故障；

b)对于交流线路距离保护，不同系统状态和故障情况下的交-直流碰线短路可造成阻抗继电器测量电抗值的波动，从而导致距离保护的欠范围或者超越动作。不同故障位置对距离保护的影响结果和程度不同：区内故障时易使保护欠范围动作；正向区外故障时易使保护超越动作；反向区外故障时，交流故障线路电压等级越低，距离保护误动可能性越大。