一种特高压直流输电线路双端暂态保护方法

彭涛，王剑强，李一鸣，潘科，董升，金舒灿

（国网浙江省电力有限公司金华供电公司，浙江金华，321000）

0 引言

研究证明对于远距离的大功率跨区输电[1]直流比交流更加适合，且直流输电能实现多种方式的快速调节。考虑到直流线路在直流输电系统中的重要作用，其区内外短路故障会严重影响直流输电系统的安全稳定运行。

目前在特高压直流输电线路中应用的保护主要是行波保护，但其很容易受到换相失败、雷电等的干扰，在线路高阻抗短路接地的情况下灵敏度也低[2]，因此，研究性能更为优越的特高压直流线路保护是我们迫切的任务。本文在此基础上提出了一种基于直流滤波器电流变化量和变化率的区外、内故障识别判据，此方法对采样频率要求较低，易于工程实现，大量仿真结果表明本文所提方法具有良好的耐过渡电阻的能力。

1 UHVDC输电线路边界元件特性分析

本文采用所提供的实际线路参数，利用PSCAD/EMTDC软件建立云广±800kV特高压直流输电系统模型，总送电容量为5000MW；逆变侧的无功补偿容量是3040Mvar而整流侧为3000Mvar；串联2个12脉冲换流器组成每极的换流器，直流输电线路全长为1500km；线路两侧都装有400mH的平波电抗器和直流滤波器，平波电抗器抑制换流电路产生的纹波，直流滤波器是12/24/36三调谐滤波。平波电抗器和直流滤波器组合构成了高压直流输电线路现实中的物理边界。

现对直流滤波器和平波电抗器所组成的物理边界进行理论分析，其中：U2为区外暂态电压，当U2经边界至高压直流线路保护安装处变为U1即区内暂态电压。

定义边界元件的传递函数为：

图1 云广高压直流输电系统

图2 传递函数幅频特性

对于直流线路区外故障，由于暂态电压经过平波电抗器至直流线路保护安装处的高频分量很小，所以流进直流滤波器的600Hz、1200Hz和1800Hz高频信号也较小。

当高压直流线路区内发生短路故障时，由于高频暂态信号不容易通过边界元件，因此流进直流滤波器的600Hz、1200Hz和1800Hz的高频分量较大，以上分析可知区内外故障流过直流滤波器电流波形区别很大。利用区内、外故障时流过直流滤波器电流变化率不同这种差异就能准确识别区内、外故障。

2 直流输电线路区内、外故障特征分析

2.1 故障特征分析

由于高压直流输电线路两端均装设有直流滤波环节，使得直流输电线路发生区外、区内故障时，故障分量网络拓扑结构就不同。直流输电线路发生区外故障时，输电线路两端的平波电抗器会对高频信号产生阻滞作用，使得流过直流滤波器支路互感器的高频电流分量很小；直流输电线路区内故障时，平波电抗器没有对故障信号产生阻滞作用，流过直流滤波器支路互感器高频分量很大。由以上分析可以知道，直流输电线路区内、外故障时流过直流滤波器支路的高频分量信号差异明显，利用滤波器支路中电流信号差异进行高压输电线路区内外故障的判断将具有很好的灵敏度和选择性。

由于直流滤波环节的存在，对于区内故障，其阻抗曲线对直流滤波支路特定谐振频点600、1200和1800 Hz具有带通性，使得流过直流滤波器支路的这3个频率分量的幅值变化较大，相反故障发生在直流输电线路区外时，由于平波电抗器的作用3个频率分量流过直流滤波器的幅值变化较小。

不同的过渡电阻令高压直流输电系统正极接地故障点距中m点100m的f2和区外f4处，过度电阻分别设为10、48、100Ω，仿真测得m端的直流滤波器支路电流如图3和图4所示。

图3 区内不同过度电阻直流滤波器电流波形

图4 区外不同过度电阻直流滤波器电流

2.2 故障发生判据

根据2.1节分析，可以利用直流输电线路发生故障时，直流滤波支路电流迅速增加，根据产生的变化量判定故障是否发生，构造判据：

2.3 保护动作判据

根据2.1节分析，当直流输电线路发生区内故障时，只有线路对高频故障信号进行衰减，到达保护安装处高频信号变化率大，而当对侧区外发生故障时，高频故障信号经过边界和线路的双重衰减，到达保护安装处的高频信号幅值变化率较小。因此根据区内、外故障流过直流滤波器的电流变化率的不同，可以构造区内、外故障判据

由图3、图4，过渡电阻越大，直流滤波器直流电流幅值和变化率越小，所以对于区外故障，小过渡电阻近距离故障的直流滤波器电流变化率最大，防止突发性信号干扰，变化率取3点平均值。

经过仿真计算并在提高判断裕度的情况下取Pset=1900A/s，因此规定区内外故障判据为：若P<1900A/s，判断为区外故障;相反P>1900A/s，判断为区内故障。

3 仿真实验

在所建立的云广特高压直流输电系统实际参数仿真模型上经过大量的仿真试验，验证了上述公式(3)所提出的判据。保护装置的采样频率为20kHz，时间窗长度取0.5个周波。改变故障位置和过渡电阻的大小后，仿真试验结果如表1所示。表1表明，在不同故障距离和过渡电阻大小的情况下，均能正确判断区内外故障。

表1 仿真实验结果

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4 结论

综合考虑特高压直流输电保护准确性与快速性的要求，提出了一种利用直流滤波器支路暂态电流变化量与变化率的特高压直流输电线路暂态保护方法，分析得以下结论：(1）该方法用双端保护是因为随着线路长度增加到一定程度，直流输电线路对高频信号的衰减作用会大于由平波电抗器和直流滤波器所组成的边界元件的衰减作用。(2）系统发生故障时，流过直流滤波器电流会急剧增加。(3）区内、外发生故障时对应流过直流滤波器电流变化率不同，可以用此判别区内、外故障。