張 棟，楊建明，盧 宇，吳林平，趙文強(qiáng)

(南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇南京 211102)

高壓直流輸電的運(yùn)行方式一般有雙極大地回線方式、金屬回線方式、單極大地回線方式[1，2]。某些特殊的工程前期只建設(shè)了1個(gè)極的換流閥設(shè)備卻具備2條直流輸電線路。此時(shí)為了節(jié)省直流輸電線路的線損，會(huì)產(chǎn)生2條直流輸電線路并聯(lián)的單極大地回線運(yùn)行方式。在高壓直流雙線并聯(lián)運(yùn)行方式線路保護(hù)動(dòng)作時(shí)，運(yùn)行人員不能識(shí)別接地故障發(fā)生在哪條直流輸電線路。雖然每條直流輸電線路分別配置1臺(tái)線路故障定位裝置能解決此問(wèn)題，但不僅增加投資成本，而且由于高壓直流并聯(lián)運(yùn)行方式設(shè)2臺(tái)線路故障定位裝置要求將專用的電流互感器分別安裝在2條直流輸電線路上，也給現(xiàn)場(chǎng)安裝帶來(lái)了困擾[3，4]。針對(duì)此情況，在總結(jié)交流不接地系統(tǒng)的小電流接地選線經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[5-8]，提出了雙線并聯(lián)運(yùn)行故障選線策略。

1 高壓直流輸電運(yùn)行方式

1.1 雙極大地回線方式

如圖1所示的雙極大地回線運(yùn)行方式是高壓直流輸電系統(tǒng)最常用的運(yùn)行方式之一。其中極一直流線路對(duì)地電壓為正值，極二直流線路對(duì)地電壓為負(fù)值。直流電流的流向?yàn)椋赫鱾?cè)極一換流閥——極一直流線路——逆變側(cè)極一換流閥——逆變側(cè)極二換流閥——極二直流線路——整流側(cè)極二換流閥——整流側(cè)極一換流閥。兩站的接地極沒(méi)有電流流過(guò)，這種方式輸送功率大，對(duì)環(huán)境影響小而被廣泛采用。

圖1 雙極大地回線運(yùn)行方式

1.2 金屬回線方式

如圖2所示的金屬回線運(yùn)行方式是在接地極發(fā)生故障的情況下使用。其一極處于閉鎖狀態(tài)，另外一極處于運(yùn)行狀態(tài)。極一運(yùn)行的電流回路為：整流側(cè)極一換流閥——極一直流線路——逆變側(cè)極一換流閥——極二直流線路——整流側(cè)極一換流閥。

圖2 金屬回線運(yùn)行方式

1.3 單極大地方式

如圖3所示的極一單極大地回線運(yùn)行方式是在極二因故障停運(yùn)的情況下而經(jīng)常采用的方式。其電流回路為：整流側(cè)極一換流閥——極一直流線路——逆變側(cè)極一換流閥——大地——整流側(cè)極一換流閥。

圖3 單極大地回線運(yùn)行方式

在極二換流閥設(shè)備未建設(shè)但是直流線路已經(jīng)架設(shè)好的情況下，為了節(jié)約線路損耗會(huì)出現(xiàn)如圖4所示的高壓直流雙線并聯(lián)運(yùn)行方式。其電流回路為整流側(cè)極一換流閥——極一直流線路和極二直流線路——逆變側(cè)極一換流閥——大地——整流側(cè)極一換流閥。

圖4 高壓直流雙線并聯(lián)運(yùn)行方式

2 不同故障位置的故障特征

高壓直流雙線并聯(lián)運(yùn)行的線路測(cè)點(diǎn)及故障點(diǎn)如圖5所示。其中：F1為直流線路1靠近整流側(cè)接地故障；F2為直流線路1靠近逆變側(cè)接地故障；F3為直流線路2靠近整流側(cè)接地故障；F4為直流線路2靠近逆變側(cè)接地故障；UDL為直流線路電壓；IL1為線路1電流；IL2為線路2電流；線路電流IL1以及IL2旁邊的箭頭表示電流的極性。假定正常運(yùn)行時(shí)，整流側(cè)和逆變側(cè)兩端直流電壓和直流電流極性都為正方向。

圖5 直流線路測(cè)點(diǎn)及故障點(diǎn)

當(dāng)F1故障永久發(fā)生時(shí)，故障開始瞬間，故障點(diǎn)的行波沿著線路向線路兩端傳播，在故障波第一次到達(dá)線路一測(cè)點(diǎn)處，其電壓和電流的關(guān)系符合式（1）。

在后續(xù)的暫態(tài)過(guò)程中，受極母線對(duì)故障波的反射以及從逆變側(cè)通過(guò)線路2傳回來(lái)的故障波的影響，線路1上呈現(xiàn)復(fù)雜的疊加過(guò)程。因?yàn)镕1故障點(diǎn)接近整流側(cè)，所以采集直流電路電壓的直流分壓器相當(dāng)于直接接地短路，其穩(wěn)態(tài)電壓值直線下降至零并且不會(huì)出現(xiàn)正負(fù)極性的變化；由于整流側(cè)直流電壓的下降，控制系統(tǒng)的低壓限流環(huán)節(jié)起作用將線路1電流的大小穩(wěn)定在低壓限流環(huán)節(jié)所設(shè)定的參考值[9，10]，此低壓限流環(huán)節(jié)在故障發(fā)生瞬間所起的作用不大，主要是控制故障持續(xù)期間的穩(wěn)態(tài)故障電流。至于直流線路2，其等價(jià)于一個(gè)在正常運(yùn)行時(shí)已經(jīng)充電的電容，F(xiàn)1故障發(fā)生時(shí)，線路2電容對(duì)故障點(diǎn)放電，因此整流側(cè)線路2電流在故障一開始立馬反向，經(jīng)歷振蕩之后線路2電容放電完畢時(shí)下降至零。逆變側(cè)在F1故障開始瞬間，故障的入射波和反射波疊加產(chǎn)生直流電壓和直流電流的振蕩。從逆變側(cè)沿著2條直流線路到F1故障點(diǎn)的距離接近，因此逆變側(cè)2條線路的電流對(duì)故障點(diǎn)的響應(yīng)基本一致。2條線路放電完畢之后，逆變側(cè)2條線路的電流也消失，逆變側(cè)直流電壓由于線路接地其最終也會(huì)減小至零。F1故障具體波形如圖6所示。

圖6 F1接地故障特征

圖6 顯示，F(xiàn)1故障時(shí)逆變側(cè)2條線路電流的故障特征極其相似，無(wú)法根據(jù)逆變側(cè)2條直流線路電流來(lái)識(shí)別故障線路，故只能依賴整流側(cè)2條直流線路電流的差別來(lái)識(shí)別。

當(dāng)F2故障永久發(fā)生時(shí)，如果直流線路保護(hù)不動(dòng)作，整流側(cè)直流電壓的下降觸發(fā)控制系統(tǒng)的低壓限流環(huán)節(jié)起作用，將2條直流線路電流的之和穩(wěn)定在低壓限流環(huán)節(jié)所設(shè)定的參考值。由于故障靠近逆變側(cè)，從整流側(cè)沿著2條直流線路到F2故障點(diǎn)的距離相近，IL1和IL2的故障響應(yīng)差別很小，因此無(wú)論是暫態(tài)過(guò)程還是故障后的穩(wěn)態(tài)過(guò)程，2條線路電流的變化趨勢(shì)與大小及其相似，最終每一條線路承擔(dān)低壓限流環(huán)節(jié)設(shè)定故障穩(wěn)態(tài)電流參考值的一半。對(duì)于逆變側(cè)因?yàn)橹绷骶€路1發(fā)生了永久接地故障，切斷了整流側(cè)通過(guò)直流線路1傳輸電流的通道，所以直流線路1的電流不可能從整流側(cè)傳輸至逆變側(cè)。線路1電流急劇減小并反向。然而直流線路2完好無(wú)損，從整流側(cè)傳輸過(guò)來(lái)的電流通過(guò)逆變側(cè)直流線路2再經(jīng)過(guò)直流線路1流入F2故障點(diǎn)。因此處于穩(wěn)態(tài)后，逆變側(cè)IL1為負(fù)值，IL2為正值，流電壓UDL，兩者穩(wěn)定后的大小相等并且都等于整流側(cè)直流線路2的穩(wěn)態(tài)電流。逆變側(cè)的直流線路電壓從1標(biāo)幺值減小至零。對(duì)于F2故障發(fā)生時(shí)，整流側(cè)和逆變側(cè)的直流電流和直流電壓響應(yīng)如圖7所示。

圖7 F2接地故障特征

圖7 顯示，F(xiàn)2故障時(shí)整流側(cè)的2條線路電流的故障特征極其相似，無(wú)法根據(jù)整流側(cè)2條直流線路電流來(lái)識(shí)別故障線路，只能依賴逆變側(cè)2條直流線路電流的差別來(lái)識(shí)別。

由于直流線路2與直流線路1的等價(jià)關(guān)系，F(xiàn)3處發(fā)生故障時(shí)，直流電壓的特征與在F1發(fā)生故障時(shí)的直流電壓特征相似，線路1電流的特征與在F1發(fā)生故障時(shí)線路2電流的特征相似，線路2電流的特征與在F1發(fā)生故障時(shí)線路1電流的特征相似。F4處發(fā)生故障時(shí)，直流電壓的特征與在F2發(fā)生故障時(shí)的直流電壓特征相似，線路1電流的特征與在F2發(fā)生故障時(shí)線路2電流的特征相似，線路2電流的特征與在F2發(fā)生故障時(shí)線路1電流的特征相似。

3 雙線并聯(lián)運(yùn)行故障選線策略

目前研究和應(yīng)用高壓直流輸電線路保護(hù)主要包含2類：一是利用電壓電流暫態(tài)量特征設(shè)置的不帶延時(shí)的主保護(hù)，例如行波保護(hù)和電壓突變量保護(hù)[11-13]；另一是利用電壓電流穩(wěn)態(tài)量特征構(gòu)建的延時(shí)較長(zhǎng)的后備保護(hù)，例如線路低電壓保護(hù)和線路縱差保護(hù)[14]。主保護(hù)一般在線路金屬接地時(shí)動(dòng)作，后備保護(hù)一般在線路高阻接地時(shí)以及永久金屬接地故障時(shí)后續(xù)動(dòng)作?？紤]到2種保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和故障特征上的差異以及穩(wěn)態(tài)故障電流在整流側(cè)和逆變側(cè)表現(xiàn)的不同特征，文中將高壓直流故障選線邏輯細(xì)化成高壓直流暫態(tài)故障選線邏輯，整流側(cè)穩(wěn)態(tài)故障選線邏輯以及逆變側(cè)穩(wěn)態(tài)故障選線邏輯3個(gè)子邏輯。

3.1 高壓直流暫態(tài)故障選線策略

高壓直流暫態(tài)故障選線邏輯與利用電壓電流暫態(tài)量特征設(shè)置的不帶延時(shí)的線路主保護(hù)相配合。在主保護(hù)動(dòng)作時(shí)，高壓直流暫態(tài)故障選線邏輯零延時(shí)動(dòng)作，其實(shí)現(xiàn)步驟如下。

采集本條直流線路電流之后，先計(jì)算其T0時(shí)間內(nèi)本條直流線路電流的變化率平均值d U/d T0，然后整流側(cè)將d U/d T0直接送入比較器分別與電流方向定值（Iset）及其相反數(shù)進(jìn)行比較，而逆變側(cè)將d U/d T0取反后再送入比較器分別與Iset和及其相反數(shù)進(jìn)行比較。整流側(cè)當(dāng)d U/d T0大于Iset并且持續(xù)時(shí)間大于時(shí)間T1，則判定本條直流線路電流的變化方向?yàn)檎?；?dāng)d U/d T0小于Iset的相反數(shù)并且持續(xù)的時(shí)間大于時(shí)間T1，則判定本條直流線路電流的變化方向?yàn)樨?fù)。逆變側(cè)當(dāng)d U/d T0的相反數(shù)大于Iset并且持續(xù)時(shí)間大于時(shí)間T1，則判定本條直流線路電流的變化方向?yàn)檎?；?dāng)d U/d T0的相反數(shù)小于Iset的相反數(shù)并且持續(xù)的時(shí)間大于時(shí)間T1，則判定本條直流線路電流的變化方向?yàn)樨?fù)。

其次計(jì)算本條直流線路電流的變化幅度，當(dāng)前時(shí)刻本條直流線路電流的值減去時(shí)間T02之前本條直流線路電流的值即為本條直流線路電流的變化量（ΔI）。整流側(cè)本條直流線路電流的變化幅度等于本條直流線路電流的ΔI，逆變側(cè)本條直流線路電流的變化幅度等于本條直流線路電流的變化量的相反數(shù)-ΔI。

高壓直流暫態(tài)故障選線邏輯（如圖8所示）如下：（1）本條直流線路電流的變化方向?yàn)檎?；?）本條直流線路電流在時(shí)間T02內(nèi)的變化幅度大于變化幅度定值；（3）從時(shí)間Ts前到當(dāng)前時(shí)刻，本條直流線路電流的變化方向沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)值；（4）另外一條直流線路的高壓直流暫態(tài)故障選線邏輯沒(méi)有滿足條件 （1）、（2）、（3）；（5） 上述 （1）、（2）、（3）、（4） 4 個(gè)條件都滿足并且持續(xù)時(shí)間不小于時(shí)間T2；（6）高壓直流暫態(tài)故障選線邏輯接收到暫不帶延時(shí)的主保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。

圖8 暫態(tài)故障選線邏輯

3.2 整流側(cè)穩(wěn)態(tài)故障選線策略

整流側(cè)穩(wěn)態(tài)故障選線邏輯（如圖9所示）如下：（1）本條直流線路電流減去另外一條直流線路電流的差值大于差值定值；（2）功率正送時(shí)直流線路電壓小于電壓定值或者功率反送時(shí)直流線路電壓的相反數(shù)小于電壓定值；（3）本條直流線路電流大于電流下限定值；（4）本條直流線路電流小于電流上限定值；（5）上述（1）、（2）、（3）、（4）4 個(gè)條件都滿足并持續(xù)時(shí)間不小于時(shí)間T3；（6）整流側(cè)穩(wěn)態(tài)故障選線邏輯接收到延時(shí)較長(zhǎng)的后備保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。

圖9 整流側(cè)穩(wěn)態(tài)故障選線邏輯

3.3 逆變側(cè)穩(wěn)態(tài)故障選線策略

逆變側(cè)穩(wěn)態(tài)故障選線邏輯 （如圖10所示）如下：（1）功率正送時(shí)直流線路電壓小于電壓定值或者功率反送時(shí)直流線路電壓的相反數(shù)小于電壓定值；（2）另外一條直流線路電流大于電流正向定值；（3）本條直流線路電流小于電流負(fù)向定值；（4） 上述（1），（2），（3）3個(gè)條件都滿足并且持續(xù)的時(shí)間不小于時(shí)間T4。

圖10 逆變側(cè)穩(wěn)態(tài)故障選線邏輯

4 仿真

為了驗(yàn)證所提出的故障選線策略的正確性，搭建了RTDS數(shù)字仿真模型，并在投入線路重啟動(dòng)功能之后模擬如圖5所示的F1、F2故障，得到故障選線試驗(yàn)結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 發(fā)生F1故障時(shí)選線策略結(jié)果

從圖11可以看出，在F1故障永久發(fā)生時(shí)，高壓直流暫態(tài)故障選線邏輯配合瞬時(shí)性的主保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作識(shí)別故障線路。在后續(xù)直流線路重啟動(dòng)過(guò)程中，整流側(cè)暫態(tài)故障選線邏輯配合延時(shí)較長(zhǎng)的后備保護(hù)動(dòng)作識(shí)別故障線路。

圖12 發(fā)生F2故障時(shí)選線策略結(jié)果

從圖12可以看出在F2故障永久發(fā)生時(shí)，高壓直流暫態(tài)故障選線邏輯配合瞬時(shí)性的主保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作識(shí)別故障線路。在后續(xù)直流線路重啟動(dòng)過(guò)程中，逆變側(cè)暫態(tài)故障選線邏輯配合延時(shí)較長(zhǎng)的后備保護(hù)動(dòng)作識(shí)別故障線路。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文中設(shè)計(jì)的故障選線策略可用于高壓直流雙線并聯(lián)運(yùn)行方式中。故障選線策略的應(yīng)用解決了運(yùn)行人員只知道發(fā)生了線路故障但不能識(shí)別故障線路的問(wèn)題。通過(guò)分析線路故障特征將選線邏輯分成高壓直流暫態(tài)故障選線邏輯、整流側(cè)穩(wěn)態(tài)故障選線邏輯以及逆變側(cè)穩(wěn)態(tài)故障選線邏輯，搭建RTDS數(shù)字仿真系統(tǒng)驗(yàn)證了改故障選線策略的正確性，并成功地應(yīng)用于海外某直流輸電工程。

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