中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司 閆其堯

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淺析高壓直流輸電線路繼電保護(hù)技術(shù)

中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司 閆其堯

【摘要】隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，高壓直流輸電工程逐漸超越交流輸電工程，應(yīng)用更為普遍。為了保證高壓直流輸電的可靠性和安全性，對于高壓直流輸電線路繼電保護(hù)技術(shù)的研究具有重要的意義。本文簡要分析了高壓直流輸電繼電保護(hù)的現(xiàn)狀及現(xiàn)存問題，多方面詳細(xì)探究了高壓直流輸電繼電保護(hù)線路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和常用技術(shù)，以期為今后高壓直流輸電線路繼電保護(hù)技術(shù)的相關(guān)研究提供少許借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】高壓直流輸電；繼電保護(hù)；安全性

高壓直流輸電由于載容量大、傳送距離遠(yuǎn)、方便電網(wǎng)互聯(lián)及易于功率調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸得到了更多關(guān)注和更為普遍的應(yīng)用。中國雖然是直流輸電大國，但在相關(guān)技術(shù)上并沒有實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立，部分領(lǐng)域?qū)ν鈦砑夹g(shù)仍存在依賴，加之直流輸電工程的遠(yuǎn)距離跨區(qū)域輸電特性，需跨越不同氣候等條件的地區(qū)，對技術(shù)要求較高，同時(shí)線路故障率也高，因此，對于直流輸電線路的繼電保護(hù)研究具有重要意義。

1 高壓直流輸電線路繼電保護(hù)現(xiàn)狀及現(xiàn)存問題

1.1 現(xiàn)狀

自1945年始，基于換流技術(shù)的繼電保護(hù)技術(shù)在高壓直流輸電線路方面持續(xù)發(fā)展，并取得了顯著效果[1]。目前，用于遠(yuǎn)距離大能量電能傳輸?shù)闹饕腔诎肟匦推骷чl管的電流源換流器高壓直流輸電（CSCHVDC）；而基于全控型器件的電壓源換流器高壓直流輸電（VSC-HVDC）主要用于受端弱系統(tǒng)。同時(shí)，高壓直流輸電線路的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由原本兩端系統(tǒng)發(fā)展為多段系統(tǒng)；輸電線路也從僅有海底電纜發(fā)展為架空線路與電纜并存；并且高壓直流輸電在傳送距離、功率、電壓等各方面均有提高。

現(xiàn)行的直流輸電線路繼電保護(hù)方案主要來自ABB和SIEMENS公司。主保護(hù)配置行波保護(hù)、微分欠壓保護(hù)，后備保護(hù)包括低電壓保護(hù)和縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)。

1.2 現(xiàn)存問題

從保護(hù)原理上來說，現(xiàn)有直流輸電繼電保護(hù)方案可靠性低、理論不完善。在主保護(hù)方面體現(xiàn)在靈敏度差、故障投入時(shí)間過短、缺乏整體依據(jù)、采樣率要求過高以及在抗干擾能力上表現(xiàn)不佳；在后備保護(hù)方面，主要體現(xiàn)在保護(hù)速度較慢，低電壓保護(hù)時(shí)由于依據(jù)缺乏，往往不能保證選擇性。

從保護(hù)配置上說，直流輸電保護(hù)種類過于單一，可靠性差，且缺乏故障后的快速有效反應(yīng)。對于直流電輸電和交流電輸電，差異主要體現(xiàn)在能量集中的頻帶，其他并無本質(zhì)區(qū)別，而交流輸電由于長時(shí)間的實(shí)踐應(yīng)用，相對可靠性高、理論完善。因此，可借鑒交流輸電繼電保護(hù)的成功經(jīng)驗(yàn)，并切實(shí)結(jié)合直流輸電線路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和控制特性，以求得更為完善、高效的直流輸電繼電保護(hù)系統(tǒng)。

2 繼電保護(hù)線路設(shè)計(jì)原則及要點(diǎn)分析

2.1 線路主保護(hù)

影響線路主保護(hù)的因素紛繁復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)者在進(jìn)行主保護(hù)線路設(shè)計(jì)時(shí)一定要結(jié)合實(shí)際，當(dāng)進(jìn)行線路規(guī)劃時(shí)，需要兩臺原理不同的裝置用于不同通道，其中一套可采用分相電流差動(dòng)縱聯(lián)保護(hù)裝置，另一套采用相電壓補(bǔ)償縱向保護(hù)裝置[2]。

2.2 線路后備保護(hù)

線路的后備保護(hù)充當(dāng)主保護(hù)補(bǔ)充者的角色，但其重要性仍不可忽視。在進(jìn)行后備保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，一是要注意控制線路兩端切除故障差，二是要做好接地距離與相間距離保護(hù)設(shè)備的整體配置，同時(shí)，距離保護(hù)特征不需局限于傳統(tǒng)的四邊形、圓形等，可以植入微機(jī)保護(hù)的思想，真正全方位地提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2.1 并聯(lián)電抗器保護(hù)

并聯(lián)電抗器發(fā)揮的作用是：當(dāng)直流輸電線路出現(xiàn)故障時(shí)，會觸發(fā)相應(yīng)的自動(dòng)保護(hù)裝置動(dòng)作，但若經(jīng)過判斷，故障超過了線路所能承受標(biāo)準(zhǔn)，便會觸發(fā)并聯(lián)電抗器保護(hù)動(dòng)作，迅速將兩側(cè)斷路器斷開，從而避免較大故障引發(fā)更嚴(yán)重的后果。

2.2.2 自動(dòng)重合閘

實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)重合閘主要包括單相重合閘、三相重合閘以及快速重合閘幾種模式。對不同模式的自動(dòng)重合閘的選擇，主要取決于過電壓水平：在非全相條件下，假若過電壓倍數(shù)在可允許的范圍內(nèi)，一般采用單相重合閘；但若過電壓水平超過允許范圍，則采用三相重合閘更為安全。

3 在高壓直流輸電線路下常用的繼電保護(hù)技術(shù)

3.1 行波保護(hù)

在直流輸電條件下，行波保護(hù)是主保護(hù)措施，它的原理是：通過識別線路故障時(shí)故障點(diǎn)向線路兩端傳播的反行波，從而對故障作出判斷[3]。當(dāng)前，實(shí)際直流輸電線路采用的行波保護(hù)方案分ABB和SIEMENS兩種。在ABB方案下，采用極波檢測故障，并用地模波確定故障級；而在SIEMENS方案下，利用電壓微分作為啟動(dòng)判據(jù)，并通過反行波在10MS內(nèi)的突變量微分來確定故障。兩種方案檢測方式不同，效果也略有差異：SIEMENS方案因微分環(huán)節(jié)，所以相對ABB方案檢測速度較慢，但正因微分環(huán)節(jié)，使得SIEMENS方案在抗干擾方面表現(xiàn)更好。

然而，兩種行波保護(hù)方案均存在耐過渡電阻能力有限、采樣要求高、抗干擾能力不強(qiáng)、依賴的故障特征能量小且持續(xù)時(shí)間短、理論不嚴(yán)密等問題。

考慮到行波保護(hù)在運(yùn)行中的諸多問題，學(xué)者們做了更多的嘗試進(jìn)行優(yōu)化：如基于可靠性的優(yōu)化，給出在小波變換基礎(chǔ)上的行波方向保護(hù)新原理；基于保護(hù)選擇性優(yōu)化，對測距式行波距離保護(hù)進(jìn)行嘗試；基于靈敏度優(yōu)化，探索極性比較式原理等等。

3.2 微分欠壓保護(hù)

微分欠壓保護(hù)是直流輸電線路的主保護(hù)，同時(shí)也作為行波保護(hù)的后備保護(hù)存在，主要通過檢測電壓微分?jǐn)?shù)值和電壓幅值水平來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

對于微分欠壓保護(hù)，ABB和SIEMENS兩種方案的原理相同，均為測定電壓微分及幅值，且電壓微分定值與行波保護(hù)一致，只是將上升沿從6ms延時(shí)至20ms，從而在行波保護(hù)退出或上升沿寬度不足時(shí)，微分欠壓保護(hù)可以發(fā)揮充分的后備作用。

相比于行波保護(hù)，微分欠壓保護(hù)運(yùn)行速度稍慢，但同時(shí)也提高了準(zhǔn)確度，只是在耐過渡電阻能力上依然十分有限。

3.3 低電壓保護(hù)

低電壓保護(hù)是行波保護(hù)和微分欠壓保護(hù)的后備保護(hù)，它的原理僅僅通過檢測電壓幅值來進(jìn)行故障判斷和繼電保護(hù)，按照設(shè)計(jì)，應(yīng)主要用于切除在行波保護(hù)和微分欠壓保護(hù)就未能動(dòng)作的高阻故障，但實(shí)際應(yīng)用中，很大部分的直流工程并未配備低電壓保護(hù)措施。

低電壓保護(hù)分為線路低電壓保護(hù)和極控低電壓保護(hù)兩種，前者比后者保護(hù)定值高，且前者動(dòng)作后啟動(dòng)線路重啟程序，而后者動(dòng)作后封鎖故障極。

雖然低電壓保護(hù)原理簡單，但存在選擇性差、動(dòng)作速度低、難以準(zhǔn)確區(qū)分區(qū)內(nèi)與區(qū)外高阻故障等問題。

3.4 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)

縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)是直流輸電的后備保護(hù)，它的原理是利用雙端電氣量來實(shí)現(xiàn)絕對的選擇性，按照設(shè)計(jì)，僅用于切除高阻故障。

現(xiàn)行的縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)，由于并未完全考慮電容電流問題，僅利用電流兩端的加和作為差動(dòng)判據(jù)，需要較長時(shí)間等待，相對動(dòng)作速度慢。以SIEMENS的縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)方案為例，在故障初期電流波動(dòng)大，差動(dòng)保護(hù)會延遲600ms作用，加上差動(dòng)判據(jù)本身的500ms延時(shí)，也就是說差動(dòng)動(dòng)作最快也要在故障1100ms后才能作用，而在這個(gè)期間內(nèi)，可多次發(fā)生由于極控低電壓保護(hù)直接閉鎖故障極的事故，設(shè)備失去重啟機(jī)會，縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)未能真正發(fā)揮后備保護(hù)的作用。

為提升直流輸電差動(dòng)保護(hù)性能，可進(jìn)行改進(jìn)的方向有很多，如通過電容電流補(bǔ)償提高差動(dòng)保護(hù)的靈敏性；將原本的高頻通道升級為光纖通道以實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作速度提升；通過區(qū)內(nèi)、區(qū)外電流突變差別來辨認(rèn)故障方向；優(yōu)化在直流輸電下線路低電壓、極控低電壓、大觸發(fā)角等措施的先后時(shí)間配合等等。

4 總結(jié)

由上文對幾種繼電保護(hù)的分析可知，高壓直流輸電繼電保護(hù)系統(tǒng)存在原理單一、可靠性差、理論不完善等諸多問題。為針對問題實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，一方面在實(shí)際的發(fā)展中可結(jié)合直流輸電的特點(diǎn)，借鑒交流輸電的成功經(jīng)驗(yàn)；另一方面，也應(yīng)加強(qiáng)對繼電保護(hù)技術(shù)的科學(xué)性探索。

參考文獻(xiàn)

[1]黃華斌.高壓直流輸電線路繼電保護(hù)技術(shù)研究[J].通訊世界,2015,21:202-203.

[2]宋國兵,高淑萍,蔡新雷,張健康,饒菁,索南加樂.高壓直流輸電線路繼電保護(hù)技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,22:123-129.

[3]郭偉紅,張磊,王萌,馬曉東.高壓直流輸電線路繼電保護(hù)技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2014,25:26.

閆其堯（1984—），男，江蘇南京人，中國礦業(yè)大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)碩士，工程師，現(xiàn)供職于中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

作者簡介：