高压直流输电线路保护分析

　天广直流输电工程于2001 年8 月14 日15 时52 分由于极Ⅱ线路遭雷击故障闭锁，同时极Ⅰ行波保护误动使极Ⅰ闭锁（极Ⅰ未投入故障后启动功能），导致双极闭锁；安全稳定自动装置动作，先后切天一电厂全部4 台机组并解列云南网。之后Siemens 公司用EMTDC 仿真，对行波保护作了相关改进使其检测直流电压动作灵敏度降低，线路雷击故障中行波保护动作正常。
在“西电东送”中，以输电为目的，高压直流输电（HVDC）以其输电容量大、技术成熟在我国的大电网互联和长距离输电中占据越来越重要的地位，按照规划，到2020 年我国将建设超过20 条高压直流输电线路，如何提高直流线路运行的安全性和可靠性已成为迫切需要解决的问题。
1、直流线路故障
直流线路故障一般是以遭受雷击、污秽或树枝等环境因素所造成线路绝缘水平降低而产生的对地闪络为主。直流线路对地短路瞬间，从整流侧检测到直流电压下降和直流电流上升；从逆变侧检测到直流电压和直流电流均下降。
1.1 雷击
直流输电线路，两个极的电压极性是相反的。根据异性相吸、同性相斥的原则，电云容易向不同极性的直流极线放电。因此，对双极直流输电线路，两个极在同一地点同时遭受雷击的概率几乎等于零。一般直流线路遭受雷击时间很短，雷击使直流电压瞬时升高后下降。如果瞬时的电压上升使直流线路某处绝缘不能承受，将发生直流线路对地闪络放电的现象。
1.2 对地闪络
当直流线路杆塔的绝缘受污秽、树枝、雾雪等环境的影响变坏时，也会发生对地闪络。直流线路发生对地闪络，如果不采取措施切除直流电流源，则熄弧是非常困难的。
电压突然变化（如接地故障）将造成线路突然放电，因此对输电系统将产生涌流。这些波的不断反射会在线路上产生高频的暂态电压和电流。
1.3 其他故障
除了上述故障以外，直流线路故障还有高阻接地、直流线路与交流线路碰线和直流线路断线。
2、直流线路保护的配置原理
直流线路故障发生时，由于线路电容放电，短路点的故障电流会陡然升高，出现过冲。直流电流过冲的大小与平抗、电流调节器增益和时间常数、故障点距离、直流电压和故障发生的时刻都有关系。定电流调节器的作用会将稳态短路电流限制在一个较小的数值。直流线路故障一般通过电流的暂态分量和电压变化量进行检测。
为了防止直流保护装置本身的故障而造成运行可靠性降低，直流输电系统保护装置采用了冗余配置。一般采用两套相同的保护通道，其硬件、电源各自独立，假设他们发生误动和拒动故障的概率相同，但当冗余的方式不同时，保护的误动和拒动的概率也不相同。国内的直流线路保护大都采用Siemens 或ABB 公司技术。其中Siemens 公司基于SIMAD YN D装置的直流线路保护主要应用于天广一回以及贵广一回、二回直流输电工程中。
西门子的直流线路保护采用3 取2 原则，即配备3 套功能相同的保护系统，当大于2 套的保护系统同时动作时保护出口启动直流线路故障重启动功能。如果运行中有一套保护退出，则由剩余得2 套保护系统构成2 取1 方式。直流线路电压UdL 和电流IdL 的测量分别由阻容式直流分压器和混合式光学电流互感器来实现，从而保证了采样的快速性和稳定性。每套保护系统配置以下几类直流线路保护：行波保护（WFPDL）、微分欠电压保护（27 du/dt）、直流线路纵差保护（87DCL），如图1 所示。
3、直流线路保护
3.1 直流线路行波保护
行波保护是直流线路故障的主保护，其目的是检测直流线路上的接地故障。行波保护的基本原理是：当直流线路发生接地故障时，线路上出现行波，直流电压下降，整流侧直流电流过冲后在电流控制器的作用下减小，同时逆变侧直流电流也减小，直至稳定于整定值。

图1 直流线路保护配置
3.1.1 ABB 行波保护
当直流线路上发生对地短路故障时，会从故障点向线路两端传播故障行波，两端换流站通过检测所谓极波b(t) = ID × r − UD 的变化，即可检测直流线路故障，构成直流线路快速保护；另一方面，故障时两个接地极母线上的过电压吸收电容器上会分别产生一个冲击电流ICN1 和ICN2，利用该冲击电流以及两极直流电压的变化即可构成所谓地模波Gwave，根据地模波的极性就能正确判断出故障极。即

式中：ICN1 和ICN2 分别是极Ⅰ和极Ⅱ上整流侧线路直流电流；UD1 和UD2 分别为极Ⅰ和极Ⅱ上整流侧线路直流电压；IEL 为整流侧架空地极线上的电流。
该保护对线路全长范围内各种故障均能识别，且保护动作速度快，延时在毫秒级。该保护的抗干扰性能尚可，对线路空载合闸、开关操作等不误动，而对于2%及以上的噪音干扰易误动。
3.1.2 Siemens 行波保护
根据行波保护基本原理，采用电压下降率（du/dt）和行波值b(t)等计算，以检测线路故障，从而构成线路保护的主保护。保护判据为：当直流电压下降率大于给定值时，对故障前的b(t)与故障后的b(t)差值进行10 ms 积分，若此积分值大于给定值，延时6 ms 后发出行波保护动作信号。在此延时时间内，若有其他保护动作或另一个极行波保护动作，则本极行波保护将闭锁800 ms。
采用MATLAB 将上述行波保护系统（如图1所示）于天广直流输电仿真模型中进行测试。整流侧高压输电线路在1.0 s 时发生接地故障。图2 所示为电压下降和故障前后电压电流行波差值的波形图。由图2 可知其电压下降率du/dt = 68% > 17.5%，对前后电压电流行波值进行计算可知其大于表1 的给定值，发送行波保护动作信号。图3 为所发送的行波保护动作信号。

图2 电压下降和故障前后电压电流行波差值波形图

图3 行波保护动作信号
该保护对线路全长范围内各种故障均能识别，但保护动作时延较大（大于16 ms）。该保护对于线路空载合闸、开关操作等不误动，在有轻微噪声干扰的情况下，能正确检测出故障，却不能准确判断出故障时刻。
3.2 微分欠压保护
微分欠压保护作为行波保护的后备保护，保护只在整流站有效。它检测直流电压和直流，并有微分和欠电压两种不同的保护动作条件，互相结合可以提高保护动作的正确性。微分部分有一个微分电路构成，当直流线路发生接地故障时，直流电压以较高的速率降低到一个较低值，微分检测部分快速动作；为使微分检测更完善，同时要检测直流欠电压，较高的微分整定值和较低的欠电压水平，再考虑适当延时可以防止暂态电压下的保护误动。
为区分整流站内故障与直流线路故障，测量dU/dt 的同时测量dI/dt；较高的正dI/dt 值（电流在正常方向上增加），表明故障发生在直流线路电流互感器的线路侧，而较大的负值则表明故障点发生在直流场内。
3.3 直流线路纵差保护
纵差保护的目的是检测直流线路上的行波和微分欠电压保护不能检测到的高阻接地故障。其工作原理是：测量并比较两站的极线电流，对测量电流可能出现的时间差应进行延时补偿。天广直流线路纵差保护的动作判据为：

在通信正常情况下两站IdL 绝对值的差值的绝对值大于定值，则保护启动，保护延时500 ms 后动作。
表１给出了天－广直流输电工程直流线路保护配置。

表1 天广直流输电工程直流线路保护一览表
3.4 直流线路保护动作顺序
在行波、微分欠电压、纵差等直流线路保护动作后，直流线路保护出口信号会执行故障清除程序，进行再起动尝试的功能。当检测到故障时，向电流调节器发出“暂停”指令，并立即将触发角增大到90º以上，使整流器进入逆变运行，整流站和逆变站都是向直流线路放电，直流电流很快将到零，在一定的去游离时间之后（大约200~500 ms），使闪络故障经过充分去游离，线路绝缘性恢复到能够承受正常电压。
移相去游离命令之后立即形成再起动命令，将角度拉到90º以内，进行线路再起动，这种状态维持一个较短的时间（4 ms），防止线路开路引起峰值整流过电压。如果故障已经清除，再起动逻辑将监测直流电压的建立，恢复传输功率。如果直流电压不能建立，说明故障依然存在，再起动不成功，重新进行移相、降电流的去游离过程。再起动的次数是根据系统研究预先定好的，当最后一次再起动不成功时，将闭锁换流器，停运直流系统。
4、结语
直流输电的线路保护策略具有如下的特点：直流控制对直流系统的暂态性能的影响具有决定作用；直流线路系统保护对保护的防拒动性和防误动性要求较高；必须加强直流线路保护系统的自检功能，才能保证保护实施的可靠性。
对于一个直流工程来说，控制保护系统是一个执行机构，它的功能/性能设计主要取决于交直流系统的要求，取决于一次设备设计的要求。另一方面，直流线路保护系统也必须不断地提高本身的基础水平。具体措施为：
（1）提高可靠性。加强自检覆盖率和准确率、采用多重化和分布式设计、提高集成度是目前最为广泛和重要的措施。
（2）加强直流附加控制的研究和应用，充分利用直流控制保护灵活和快速的特点来提高交、直流系统的稳定性。
（3）积极改进目前存在的设计、设备缺陷。随着换流元件或直流输电设计理念的更新与发展，控制保护也应随之进行改革。
此外，还要做好日常设备运行监视和维护，保持冗余系统各环节元件健康运行。