金 鑫 羅 鐘

（1.國網(wǎng)湖北檢修公司特高壓交直流運檢中心 2.國網(wǎng)湖北檢修公司宜昌運維分部）

0 引言

直流輸電系統(tǒng)要進(jìn)行較高功率的電能傳輸，需要通過高壓直流輸電線路來完成，因此需要保證直流輸電線路的穩(wěn)定，使整個輸電系統(tǒng)與電網(wǎng)處于正常運轉(zhuǎn)的狀態(tài)。由于科技的發(fā)展，直流輸電線路的功率與長度在不斷增加，我國最長的直流輸電線路的長度已經(jīng)達(dá)到了1907km，較長的直流輸電線路能夠提升輸電功率、降低電力系統(tǒng)工程成本，提高輸送電路的經(jīng)濟(jì)性，但是隨之而來的電路故障發(fā)生概率也較普通電路系統(tǒng)要多，特別是在高壓環(huán)境下，在長距離直流輸電線路出現(xiàn)故障將會對電力系統(tǒng)的安全運行造成極大影響。這樣就需要加強(qiáng)直流輸電線路的繼電保護(hù)功能，為直流輸電線路提供穩(wěn)定的運行環(huán)境。

1 高壓直流線路的構(gòu)成及故障種類

1.1 直流輸電線路構(gòu)成

直流輸電線路的結(jié)構(gòu)較為簡單明了，其功能之一在于將整流站與逆變站進(jìn)行直接相連，直流輸電線路的正負(fù)極線路結(jié)構(gòu)平衡以至于不用進(jìn)行特別處理，具體直流輸電線路示意圖如圖1所示。由于直流輸電線路的線路距離普遍較長，因此為有效預(yù)防雷擊災(zāi)害，需要通過雙重避雷措施來對其進(jìn)行保障。

1.2 直流輸電線路的故障種類

圖1 直流輸電線路示意圖

直流輸電線路由于線路過長會經(jīng)常受到斷線、短路等故障的影響，這都是在單一直流線路中較常出現(xiàn)的故障，而在與交流線路進(jìn)行連接的情況下，還可能出現(xiàn)碰線故障。在以上故障類型中發(fā)生頻率最高的故障為線路對地短路，造成該故障的主要原因是由于直流輸電線路的硬件設(shè)施在長期的自然環(huán)境影響下，出現(xiàn)受損使得絕緣體喪失作用所導(dǎo)致；也有的是因為樹木枝葉與線路接觸后造成線路對地閃絡(luò)現(xiàn)象的發(fā)生；惡劣的環(huán)境與極端的天氣也會造成線路絕緣體出現(xiàn)放電現(xiàn)象對線路造成影響；雷電打擊到直流輸電線路后，可能在線路上產(chǎn)生較大的電壓而造成線路的電流在短時間內(nèi)提升，當(dāng)超過線路絕緣體所能承受的電流與電壓的負(fù)荷量后，將產(chǎn)生不同程度的線路故障。再出現(xiàn)對地短路故障后，線路部分會在持續(xù)高壓與高電流的情況下形成電弧，與部分非防火材質(zhì)接觸后易造成起火現(xiàn)象，當(dāng)故障越發(fā)嚴(yán)重后，將使得整個直流線路系統(tǒng)形成癱瘓狀態(tài)，從而對電網(wǎng)造成嚴(yán)重危害。

2 直流線路保護(hù)及其特征量動態(tài)特性仿真

2.1 電壓變化率的動態(tài)特性

圖2展示的內(nèi)容為不同類型的電流故障狀態(tài)下，電壓變化率du／dt的直觀反映。

圖2 不同類型的電流故障狀態(tài)下電壓變化率du／dt的動態(tài)特性

根據(jù)圖2（a）的表現(xiàn)，直流輸電線路的故障發(fā)生位置與電壓變化率du／dt的響應(yīng)程度具有較為清楚的關(guān)系，即故障位置越遠(yuǎn)的電壓變化程度越小，造成這種狀況的原因在于線路距離對故障行波造成直接影響，距離的增加使得故障行波產(chǎn)生變化，使得電壓變化率的響應(yīng)變小。

根據(jù)圖2（c）的表現(xiàn)，d3與d4位置的故障所對應(yīng)的電壓變化率要大于d5與d6位置的電壓變化率，主要原因在于換流變壓器對故障行波進(jìn)行抑制。而從圖2（a）與圖2（b）來看，在一定的距離中，如與線路整流側(cè)出口長度距離超過20以上，兩極線路故障所對應(yīng)的電壓變化率程度較為相似，并且與區(qū)外線路故障相比，兩級線路上的故障所對應(yīng)的電壓變化率程度要高。在這種情況下，通過電壓變化率來對區(qū)內(nèi)與區(qū)外故障進(jìn)行明確區(qū)分將會造成線路保護(hù)的范圍受到限制，并且電壓變化率的響應(yīng)在不同運行方式的影響下也會表現(xiàn)出規(guī)律性相差無幾。

2.2 電壓變化量的動態(tài)特性

圖3展示的內(nèi)容為不同類型的電流故障狀態(tài)下，電壓變化量Δu的直觀反映。

圖3 不同類型的電流故障狀態(tài)下電壓變化量Δu的動態(tài)特性

根據(jù)上圖的電壓變化率表現(xiàn)，線路中任何位置的故障對于電壓變化量Δu的影響程度都表現(xiàn)得較為平衡。由此可見，通過電壓變化量來對故障的位置進(jìn)行明確與細(xì)化定位不具有現(xiàn)實可行性。并且電壓變化量的響應(yīng)在不同運行方式的影響下也會表現(xiàn)出規(guī)律性相差無幾。

2.3 電流變化量的動態(tài)特性

直流輸電線路發(fā)生線路故障的狀況中，根據(jù)不同故障的類型，導(dǎo)致線路本極行波保護(hù)所檢測到的電流變化量的動態(tài)特征具有明顯的不同，產(chǎn)生該狀態(tài)的主要原因為：當(dāng)本極線路發(fā)生故障時，故障電流的線模分量與地模分量都會向過流保護(hù)傳輸，而當(dāng)對極線路發(fā)生故障時，僅有現(xiàn)模分量通過保護(hù)。

在故障狀態(tài)下對穩(wěn)態(tài)分量進(jìn)行剔除，能夠?qū)﹄娏髯兓喀的狀態(tài)進(jìn)行確定，能夠?qū)Σ煌恢玫墓收纤a(chǎn)生的電流變化量進(jìn)行確認(rèn)，其電流變化量的動態(tài)特性如圖4所示。

圖4 電流變化量在線路不同位置故障時的動態(tài)特性

根據(jù)圖4的表現(xiàn)，由于線路故障的位置不同，使得電流變化量Δi的響應(yīng)情況也不同，能夠依次對線路故障的位置進(jìn)行判別。

3 仿真結(jié)果分析

（1）控制系統(tǒng)對于電壓變化率 du／dt與電壓變化量Δu的作用較小，兩者僅能對線路故障發(fā)生后的初始行波狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)；在出現(xiàn)線路故障后，控制系統(tǒng)對電氣量進(jìn)行相應(yīng)的處理后形成低電壓水平udl，能夠在故障后的暫態(tài)階段對故障進(jìn)行應(yīng)對；直流線路在故障出現(xiàn)后需要在對兩側(cè)電流波動的影響進(jìn)行規(guī)避，之后直流控制系統(tǒng)已經(jīng)對線路故障進(jìn)行深入處理，使得線路運行正常。

（2）電壓變化率du／dt對于線路故障的響應(yīng)，取決于故障所在的區(qū)域，對于兩極線路的故障響應(yīng)程度較大，而對于兩極以外區(qū)域的線路故障響應(yīng)較小。電壓變化量Δu只對線路中的故障狀態(tài)響應(yīng)較大，而對其他類型的擾動響應(yīng)較小，因此能夠?qū)收吓c非故障類型進(jìn)行區(qū)分。電流變化量Δi對于故障的響應(yīng)也跟故障位置是否處于本極線路具有較強(qiáng)聯(lián)系，其表現(xiàn)為本極響應(yīng)大于對極響應(yīng)。