直流等值工频电流对距离保护Ⅱ段的影响及应对措施

刘建勋，李凤婷

(新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046 )

随着电力电子器件的发展，高压直流输电在经济性、互联性以及控制性等方面的优势越来越显著.然而，对于受端交流系统而言，直流系统相当于一个动态过程非常快的电流源，对交流侧故障十分敏感.交流系统发生故障导致直流控制系统迅速动作，使直流系统的电气量随之变化，进而影响交流系统的继电保护，因此有必要研究直流系统对交流系统继电保护的影响.

学者们就直流馈入对交流系统继电保护的影响进行了大量研究，发现：换相失败时直流系统注入交流系统的直流等值工频电流使过渡阻抗呈容性，导致输出端经大阻抗接地时保护装置将正方向短路故障识别为反方向短路故障，此时有保护拒动的风险；零序电流几乎不受直流系统的影响，因此可通过加装检测零序电流方向的装置规避该风险.交流系统故障时，可能引发直流系统逆变侧换相失败，导致距离保护的测量出现误差，发生误动.因此，发现换相失败时应直接关闭距离保护，防止误动，换相失败结束后再解除闭锁.传统距离保护逐级阶梯延时，不能满足速动性，容易引起直流闭锁.将安装处测量到的电气量补偿至保护范围末端后，再计算故障距离，可避免非工频分量的影响.直流系统逆变侧换相失败导致系统阻抗变化，工频变化量的距离保护范围随系统阻抗与整定阻抗之比的增大而缩小.对于距离保护Ⅱ段，柔性直流运行方式的变化影响距离保护Ⅱ段的范围，可采用在柔性直流输电公共连接点处测量信息的自适应距离保护方法，消除柔性直流的影响.使用拟合方法可得到光伏电站发电功率与等值阻抗的关系，基于此关系能对保护进行改进.现有研究大部分是针对直流系统对距离保护Ⅰ段的影响进行的，而对距离Ⅱ段影响的研究较少.故障时，当Ⅰ段拒动，Ⅱ段将承担故障切除的任务，对系统的安全稳定起重要作用，因此有必要研究直流系统对距离保护Ⅱ段的影响.

鉴于此，该文分析交流系统故障对直流等值工频电流的影响，进而分析直流等值工频电流对距离保护Ⅱ段的影响.分析发现，直流等值工频电流随交流系统故障严重程度的增加而降低，导致距离保护Ⅱ段拒动或误动.针对此问题，结合阻抗继电器的多边形特性，提出基于实时直流等值工频电流与保护处工频电流比值的自适应距离保护措施.使用PSCAD/EMTDC搭建仿真模型，验证理论分析的准确性和所提措施的有效性.

1 交流系统故障对直流等值工频电流的影响

图1为直流馈入系统等效图.图1中，虚线框为直流系统，

Z

为滤波器及无功补偿装置的等效阻抗，

U

为逆变侧换流母线电压，

I

为直流等值工频电流.

I

受直流控制系统影响，而交流系统故障使直流控制系统动作，因此交流系统故障影响

I

.

图1 直流馈入系统等效图

以CIGRE HVDC标准测试系统为例，分析交流系统故障对直流等值工频电流的影响.直流系统常见控制方式有：定电流、最小触发角、定关断角、电流偏差及低压限流控制等.图2为CIGRE HVDC系统控制特性.图2中：

U

为逆变侧直流电压标幺值；

I

为逆变侧直流电流标幺值，且

I

与

I

的大小成正相关；红线为整流侧控制，

AB

，

BLH

段均为定电流控制；蓝线为逆变侧控制，

CN

段为定关断角控制，

EFG

段为定电流控制，

CDE

段为电流偏差控制；

U

和

U

为低压限流控制的启动阈值.故障时，根据低压限流控制给出的指令对整流侧和逆变侧的定电流进行控制.

图2 CIGRE HVDC系统的控制特性

结合图2，对交流系统正常运行及发生不同程度故障时直流控制系统的动作情况及电流变化情况进行如下说明：

(1) 系统正常运行时，

U

等于额定电压；

I

，

I

均等于额定电流；整流侧处于定电流控制状态，即

ABC

段，逆变侧处于定关断角控制状态，即

CN

段.(2) 交流侧发生轻微故障时，

U

降低较少，整流侧触发角增大，即

CK

段；逆变侧始终为定关断角控制状态；

I

，

I

保持不变.(3) 交流侧发生较严重故障时，

U

下降较多，达到

U

′；整流侧，低压限流控制传给定电流控制的参考值下降，即

KL

段；逆变侧，低压限流控制传给定电流控制的参考值下降；定电流控制调节系统稳定后，电流偏差控制过渡至定关断角控制，即

C

′

N

′段；故障稳态时，系统运行点为

M

；

I

，

I

较正常运行时小.(4) 交流侧发生严重故障时，

U

下降很多，达到

U

″；整流侧，处于最小电流控制状态，即

LH

段；逆变侧，低压限流控制输出的指令值为最小值，定电流控制和电流偏差控制根据指令值将系统稳定于

FG

段；系统稳定后，控制器切换为定关断角控制，即

C

″

N

″段；故障稳态时，系统运行于

X

点；相对于第(3)种情况，

I

，

I

下降更多.由上述分析可知，交流系统故障越严重，故障稳态时

I

越小.基于PSCAD/EMTDC搭建CIGRE HVDC标准测试模型，对上述结论进行验证.故障位置位于逆变侧换流母线处，故障发生时刻为1 s、持续时间为0.5 s.分别对经200，50，10 Ω单相接地及三相金属接地故障进行仿真测试，图3为

I

的测试结果.由图3可知，故障越严重，故障稳态时

I

越小，可见上述结论正确.

图3 Ieq的测试结果

2 直流等值工频电流对距离保护Ⅱ段的影响

2.1 直流等值工频电流对测量阻抗的影响

图4为使用PSCAD/EMTDC搭建的直流馈入系统仿真模型.一般情况下，保护1的距离Ⅰ段的范围为

BC

段的80%～90%；保护2的距离Ⅰ段的范围为

AB

段的80%～90%；保护2的距离Ⅱ段的范围为

AB

段全长加下一段线路(

BC

段)的一部分，不超出保护1的距离Ⅰ段的范围.

图4 直流馈入系统仿真模型

(1)

其中：

U

为保护2处的交流工频电压，

I

为线路

AB

的交流工频电流.由基尔霍夫电压定律可得

U

=

I

Z

+

I

Z

,

(2)

其中：

Z

为线路

AB

的阻抗，

Z

为线路

BC

始端至故障点的阻抗，

I

为线路

BC

的交流工频电流.将式(2)代入式(1)，得

(3)

距离保护的分支系数为

(4)

直流系统故障稳态特征与交流系统不同，因此有必要研究直流等值工频电流对测量阻抗的影响.由基尔霍夫电流定律可得

I

=

I

+

I

.

(5)

将式(5)代入式(3)，得

(6)

其中

(7)

由式(6)～(7)可知，故障越严重，

K

越小，测量阻抗就越小；故障越轻微，

K

越大，测量阻抗就越大.

2.2 直流等值工频电流对距离保护Ⅱ段保护范围的影响

距离保护Ⅱ段的整定方式有如下两种.

第1种整定方式：按传统距离保护的原则进行整定.此时，

K

等于零时，保护2的距离Ⅱ段的整定阻抗为

(8)

(9)

(10)

令

(11)

测量阻抗小于整定阻抗时，

K

<1，保护动作启动；测量阻抗大于整定阻抗时，

K

>1，保护动作不启动.

K

取0.8，

K

取1，则由式(11)可得图5.图5中，点划线的长度表示不同

K

下保护2的距离Ⅱ段位于

BC

段的范围，红色所在范围为保护动作持续的区域.

图5 不同Km下第1种整定方式的保护范围

由图5可看出：故障稳态时，

K

越大，保护范围就越小；

BC

段始端轻微故障时，

K

随

I

增大而增大，使保护范围缩小，造成保护拒动.第2种整定方式：按直流系统正常状态进行整定.此时，

K

为最大值

K

，保护2的距离Ⅱ段的整定阻抗为

(12)

同理，可得

(13)

K

取4，其余参数取值均与第1种整定方式相同，则由式(13)可得图6.

图6 不同Km下第2种整定方式的保护范围

由图6可看出：故障稳态时

K

越小，保护范围越大；故障非常严重时，保护范围甚至可能超过

BC

段；

BC

段末端严重故障时，

K

随

I

减小而减小，使保护范围扩大，造成保护误动.综上所述，第1种整定方式导致

BC

段始端轻微故障时保护拒动，第2种整定方式导致

BC

段末端严重故障时保护误动.因此，直流馈入系统中，第1,2种整定方式无法适应所有故障，有必要提出应对措施.

3 自适应距离保护措施

直流等值工频电流使

K

在故障稳态时随故障严重程度的增加而减小，因此，

K

取某个定值时，保护就可能出现误动或者拒动.通过

K

，得到实时调整的整定值就可避免此情况.广域通信系统可实现不同区域不同系统间的低延迟通讯，通信延迟通常在20 ms以下，而距离保护Ⅱ段一般有0.3～0.6 s的延时，远大于通信系统的延时，因此可通过广域通信系统将测得的直流等值工频电流传至保护2.保护2的距离Ⅱ段的自适应整定值为

(14)

阻抗继电器由3种继电器组合而成，图7为其多边形特性曲线.

图7 阻抗继电器的多边形特性曲线(资料来源：文献[19])

图7中，折线

AOE

为功率方向继电器的动作特性曲线，线段

BC

为电抗型继电器的动作特性曲线，线段

CD

为电阻型继电器的动作特性曲线.通过选取合适的

D

点，使阻抗继电器具有强的抗过渡电阻能力，这样可忽略过渡电阻的影响，仅考虑电抗的作用.线路电抗一般远大于线路电阻，只需通过式(14)得到自适应整定值，然后取其电抗部分用于调整

B

点位置，判断测量阻抗是否处于特性曲线内部，即可完成基于实时直流等值工频电流与保护处工频电流比值的自适应距离保护.该文提出的自适应距离保护措施的执行框图如图8所示.

图8 自适应距离保护措施的执行框图

4 仿真验证

仿真模型图4中的线路

AB

和

BC

全长均为50 km.故障发生时刻为1.0 s，持续时间为0.5 s，系统在故障发生0.25 s后进入故障稳态，系统正常运行时

K

等于4.距离Ⅱ段的保护属于后备保护，其时延一般在0.3～0.6 s，因此距离Ⅱ段的保护可以规避故障暂态过程.图9为

BC

段10%处

A

相经80，100 Ω过渡电阻单相接地的仿真结果.由图9可知：第1种整定方式，在80 Ω过渡电阻单相接地时，处于临界动作状态，但过渡电阻为100 Ω时，测量电抗大于整定电抗，出现了拒动，因此验证了该文2.2节得到的结论：

BC

段始端轻微故障时，第1种整定方式导致保护拒动；第2种整定方式，测量电抗均小于整定电抗，保护可正确动作；该文提出的自适应距离保护措施，测量电抗均小于整定电抗，保护可正确动作.

图9 BC段10%处A相经80，100 Ω过渡电阻单相接地的仿真结果

图10为

BC

段60%处

A

相经80 Ω过渡电阻和金属单相接地的仿真结果.由图10可知：第1种整定方式，测量电抗均大于整定电抗，保护不动作；第2种整定方式，测量电抗均小于整定电抗，保护可正确动作；该文提出的自适应距离保护措施，处于临界动作状态，不同故障情况下其最大保护范围均为

BC

段的60%.

图10 BC段60%处A相经80 Ω过渡电阻和金属单相接地的仿真结果

图11为

BC

段90%处

A

相经80 Ω过渡电阻单相接地和金属三相接地的仿真结果.由图11可知：第1种整定方式，测量电抗均大于整定电抗，保护不动作；第2种整定方式，80 Ω过渡电阻单相接地时，测量电抗大于整定电抗，保护不动作，但在金属三相接地时，测量电抗小于整定电抗，保护误动，因此验证了该文2.2节得到的结论：

BC

段末端严重故障时，第2种整定方式导致保护误动；该文提出的自适应距离保护措施，测量电抗均大于整定电抗，保护不动作.

图11 BC段90%处A相经80 Ω过渡电阻单相接地和金属三相接地的仿真结果

综上可知：第1种整定方式导致

BC

段始端轻微故障时保护拒动；第2种整定方式导致

BC

段末端严重故障时保护误动；该文所提自适应距离保护措施，在

BC

段始端轻微故障时可靠动作，

BC

段末端严重故障时不动作，保护范围最大为

BC

段的60%，没有超过保护1的距离Ⅰ段的范围.可见，前述的理论分析具有准确性，所提措施具有有效性.

5 结束语

交流系统故障使直流系统等值工频电流降低、测量阻抗和保护范围发生变化，进而导致距离保护Ⅱ段拒动或误动.分析发现：测量阻抗及保护范围的变化，与直流等值工频电流与保护处工频电流的比值有关.在此发现基础上，笔者提出了基于实时直流等值工频电流与保护处工频电流比值的自适应距离保护措施，以消除直流馈入对距离保护Ⅱ段的影响.仿真结果表明：理论分析具有准确性，应对措施具有有效性.