孫剛,宗芝榮

（1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博255049;2.淮北供電公司，安徽淮北235000)

直流輸電具有傳送功率大、線路造價低、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合我國幅員遼闊、輸電距離長的國情。從20世紀(jì)80年代末開始，我國直流輸電總輸送容量達(dá)18 000 MW以上，總輸送距離超過7 000 km，該2項(xiàng)指標(biāo)均成為世界第一。這也對直流系統(tǒng)的保護(hù)提出了更嚴(yán)格的要求。

極母線是高壓直流輸電系統(tǒng)（HVDC）連接閥廳出線和直流線路的重要裝置。其保護(hù)也應(yīng)快速準(zhǔn)確地反應(yīng)出母線的區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前，直流極母線采用的是電流差動保護(hù)算法。該方法存在的主要缺陷還是如何躲避不平衡電流的問題。雖然目前的直流系統(tǒng)中已經(jīng)大量地采用光學(xué)電流互感器（OCT）作為電流的測量設(shè)備，能有效地避免電磁互感器的磁飽和問題。但不同用途的OCT具有不同的暫態(tài)傳遞特性，尤其是在暫態(tài)過程較嚴(yán)重的情況下，例如儲能元件的充放電等，OCT將不能準(zhǔn)確地反映各個暫態(tài)量，從而導(dǎo)致不平衡電流的產(chǎn)生。當(dāng)不平衡電流足夠大時，會引起保護(hù)的誤動作。這應(yīng)引起運(yùn)行人員的重視。

文獻(xiàn)[1-2]提出了一種電流行波在交流母線保護(hù)中的新原理，并給出了保護(hù)方案和仿真驗(yàn)證，能滿足電力系統(tǒng)母線保護(hù)的要求。本文在此基礎(chǔ)上介紹了一種利用行波極性判斷高壓直流極母線故障的方法，能有效辨別區(qū)內(nèi)區(qū)外故障，并且具有較快的反應(yīng)速度。

1 極母線差動保護(hù)誤動分析

極母線差動保護(hù)示意圖如圖1所示，其保護(hù)區(qū)域?yàn)殚y廳OCT(IDP)、極母線OCT(IDL)以及兩臺直流濾波器OCT(IT1，IT2)所包含的區(qū)域。極母差電流

保護(hù)動作原理為：Idiff躍IREF時，保護(hù)5 ms延時跳閘;IREF為極母差制動電流。

圖1 極母線差動保護(hù)示意圖

直流系統(tǒng)中存在大量的電容和電感等儲能元件,在運(yùn)行方式發(fā)生改變時，這些元件的充放電導(dǎo)致非常嚴(yán)重的暫態(tài)過程[3]。這時如果TA的暫態(tài)特性不一致就會產(chǎn)生較大的不平衡電流。圖2為極母線差動保護(hù)特性圖，在直流線路發(fā)生接地短路時，濾波器中儲能元件對地放電，產(chǎn)生豐富的諧波電流。而直流濾波器和直流線路的TA特性并不一致，從而形成暫態(tài)不平衡電流。當(dāng)該電流大于制動電流時導(dǎo)致保護(hù)誤動[4-5]。

圖2 極母線差動保護(hù)特性圖

2 基本保護(hù)原理

當(dāng)母線或輸電線路上發(fā)生故障時可利用疊加原理分析。故障網(wǎng)絡(luò)可等效為正常負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)和故障附加網(wǎng)絡(luò)的疊加，即相當(dāng)于在故障點(diǎn)附加一個與改點(diǎn)正常負(fù)荷狀態(tài)時大小相當(dāng)、方向相反的附加電壓，如圖3所示[6-7]。在這一電壓作用下，將產(chǎn)生由故障點(diǎn)向兩側(cè)傳播的電壓和電流行波，在母線保護(hù)處可以檢測到電壓和電流初始行波。相對電壓行波，電流行波比較容易獲得。因此，本文就初始電流行波進(jìn)行分析探討。

圖3 故障網(wǎng)絡(luò)行波方向示意圖

與交流系統(tǒng)不同的是，高壓直流極母線上只接有一條直流輸電線路，如圖1所示。設(shè)電流行波極性由母線流向線路為正，并在極母線右側(cè)處裝設(shè)行波檢測設(shè)備。當(dāng)直流線路故障時，對極母線保護(hù)而言屬于區(qū)外故障，初始電流行波極性為負(fù)，保護(hù)不應(yīng)動作。當(dāng)母線故障時，初始電流行波由母線傳向線路，其極性為正，保護(hù)應(yīng)當(dāng)動作[8-9]。閥廳至母線之間的線路故障時，電流行波經(jīng)極母線折射向線路，其極性仍然為正，保護(hù)仍應(yīng)動作?？梢?，只要正確區(qū)分電流行波的正負(fù)極性就能準(zhǔn)確的判斷出極母線保護(hù)的區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障[10-12]。行波極母線保護(hù)的動作情況如表1所示。

表1 極母線保護(hù)動作情況

3 仿真驗(yàn)證

3.1 常規(guī)極母線差動保護(hù)故障仿真分析

此處，直流濾波器和直流線路上的OCT暫態(tài)特性有較大差別。D1是直流線路上距離極母線500 m處發(fā)生的金屬性接地故障點(diǎn)；D2是極母線上的故障點(diǎn)；D3是閥廳至極母線之間線路某處的故障點(diǎn)。

圖4 極母線仿真接線圖

對常規(guī)極母線電流差動保護(hù)而言，D1點(diǎn)短路接地屬于區(qū)外故障，保護(hù)不應(yīng)動作；D2、D3點(diǎn)接地屬于區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)應(yīng)迅速動作。下面利用仿真軟件PSCAD對上述情況仿真驗(yàn)證。

D2、D3點(diǎn)短路故障時，仿真結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 D2點(diǎn)故障電流初始行波

圖6 D3點(diǎn)故障電流初始行波

由圖5、圖6可見，在D2、D3點(diǎn)故障時，極母差電流峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于制動電流，即：此時保護(hù)迅速動作。

D1點(diǎn)短路故障時，仿真結(jié)果如圖7所示。

此時，極母差電流仍大于制動電流，即：Idiff躍IREF，保護(hù)動作。但此時D1點(diǎn)屬于極母線保護(hù)區(qū)外故障，保護(hù)應(yīng)可靠不動作，可見保護(hù)誤動。誤動的主要原因是直流濾波器中的高頻分量在不同特性O(shè)CT中的傳變特性不同。

圖7 D1點(diǎn)故障電流初始行波

3.2 行波極性法極母差保護(hù)仿真分析

利用電流行波極性極母差保護(hù)方法對圖4中D1、D2、D33種故障進(jìn)行仿真分析，并提取故障時在極母線右側(cè)處的電流初始行波，分別如圖8～圖10所示。

圖8 D1點(diǎn)故障電流初始行波

圖9 D2點(diǎn)故障電流初始行波

圖10 D3點(diǎn)故障電流初始行波

在保護(hù)動作區(qū)外故障時（D1），電流行波如圖8所示，極性為負(fù)；在保護(hù)動作區(qū)域內(nèi)故障時（D2、D3），電流行波如圖9和圖10所示，極性為正?？梢?，在極母線保護(hù)區(qū)域外故障時，初始電流行波極性為負(fù)，保護(hù)不動作；而當(dāng)極母線上或閥廳與極母線之間的連接線路故障時，初始電流行波極性為正，保護(hù)動作。

由以上分析可知，電流行波極性極母線保護(hù)方法，只要檢測到電流初始行波的極性就可以正確區(qū)分極母線保護(hù)的區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障，不受暫態(tài)不平衡電流的影響。能從根本上解決常規(guī)極母線電流差動保護(hù)誤動問題。

4 結(jié)語

闡述了基于電流行波極性的高壓直流極母線保護(hù)原理。由于直流系統(tǒng)的輸電線路相比交流系統(tǒng)簡單，最多也只有2條線路同時運(yùn)行（雙極運(yùn)行），因此該保護(hù)方案不用考慮多條線路之間的配合問題，保護(hù)更加簡單。又由于直流系統(tǒng)不存在電壓過零點(diǎn)問題，所以，保護(hù)靈敏度不會隨故障點(diǎn)的改變而有所波動。而且，該保護(hù)方案可以與直流線路上的行波保護(hù)裝置配合使用，提高設(shè)備利用率，減少投入。與傳統(tǒng)的差動保護(hù)相比，該方案能消除因電流互感器暫態(tài)特性不同而產(chǎn)生的不平衡電流的影響，能從根本上消除保護(hù)誤動問題。并且具有動作速度快，靈敏度高，簡單可靠等特點(diǎn)。

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