杜婉琳, 唐旭, 黃澤杰

(1. 廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2. 華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640)

由于直流輸電工程的大規(guī)模應(yīng)用和輸電走廊的限制[1]，交流和直流輸電線路在空間上發(fā)生交叉跨越的情況無法規(guī)避，交-直流碰線故障時有發(fā)生[2-3]。每年臺風季，超強風雨給廣東電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴峻挑戰(zhàn)。2017年的臺風“天鴿”和2018年的臺風“山竹”，超過15級的超強臺風登陸導致了多起交-直流碰線故障的發(fā)生，給廣東電網(wǎng)的穩(wěn)定造成巨大壓力。

交-直流碰線故障是一種復雜的故障類型，故障后交流和直流線路之間存在直接的電氣連接點，通過故障點，交、直流故障分量在系統(tǒng)間相互滲透，這種現(xiàn)象不同于傳統(tǒng)交流短路，因此其故障特征及其對運行系統(tǒng)帶來的影響也有所區(qū)別。

目前，國內(nèi)外針對交-直流碰線故障方面的研究十分少見[2-3]，關(guān)注重心主要放在交流與直流線路交叉跨越后所帶來的電場、磁場影響方面[4-6]。文獻[2]主要介紹了交-直流碰線故障對直流系統(tǒng)的影響，提出相關(guān)處理策略，但關(guān)于交流保護方面僅作了簡單說明。文獻[3]基于換流閥正常導通且保持基本換相過程情況，提出了交-直流碰線故障下?lián)Q流閥工頻等值阻抗的計算方法。此外，在有直流饋入的交直流互聯(lián)系統(tǒng)中，現(xiàn)有許多針對其故障分析與繼電保護影響的研究[7-12]，但這些都基于純交流故障，尚未考慮本文所研究的故障類型。

本文首先對交-直流碰線短路進行故障特性分析，與傳統(tǒng)故障特征相比較，挖掘交-直流碰線故障特征。在此基礎(chǔ)上，從理論上深入研究距離保護在交-直流碰線故障下的適應(yīng)性。利用PSCAD/EMTDC軟件搭建仿真模型，驗證理論分析的正確性。

1 交-直流碰線短路故障特性分析

交直流互聯(lián)電力系統(tǒng)模型如圖1所示，其中，線路CD為±500 kV天廣直流輸電系統(tǒng)，EF為帶升壓變壓器的交流線路，其余部分為220 kV交流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。正常運行時，線路CD和EF在空間上交叉跨越。假設(shè)線路CD和EF發(fā)生交-直流碰線故障，即f1、f2點交叉短路。本文考慮直流控制保護快速動作特性，在直流保護動作而交流保護尚未起動情況下，分析此時系統(tǒng)故障特征，在故障后1.5個周期處將直流故障極閉鎖[13-15]。

圖1 交直流互聯(lián)電力系統(tǒng)模型Fig.1 AC/DC interconnected power system model

直流閉鎖下的換流閥導通特性由閥兩側(cè)瞬時電壓相對大小決定。以逆變器為例，故障后交流分量通過故障點進入直流系統(tǒng)，受其影響，直流線路電壓呈正弦變化。當直流線路電壓小于換流變壓器閥側(cè)線電壓時，逆變閥因承受反向電壓而關(guān)斷；當直流線路電壓增大至等于換流變壓器閥側(cè)線電壓時，總存在一組逆變閥兩端為正向電壓，只要有觸發(fā)脈沖，逆變閥可以恢復導通。整流閥導通特性分析方法類似。

換流閥導通情況受閥兩側(cè)電壓幅值(線路電壓幅值Udm與閥側(cè)電壓幅值Uvm)相對大小控制：若Udm>Uvm， 則換流閥周期性交替出現(xiàn)完全關(guān)斷和部分閥導通現(xiàn)象，如圖2(a)所示；若Udm≤Uvm， 則換流閥完全關(guān)斷，如圖2(b)所示。受交流工頻特性影響，閥導通時間至多只有半周期。

(a)Udm>Uvm

(b)Udm≤Uvm圖2 直流閉鎖下逆變閥導通情況Fig.2 Conducting state of inverter valve under DC block

通過對閥導通特性的分析，可得出交流短路通道，繼而得到直流系統(tǒng)在交-直流碰線故障點處的工頻等值阻抗。其中，換流閥是直流系統(tǒng)工頻等值阻抗的主要影響因素。

故障后，交流分量經(jīng)故障點進入直流線路。閥導通時，交流分量通過故障極上導通的閥組流入接地極引線。由文獻[3]可知，換流閥正常導通時的工頻等值阻抗主要受變壓器支路、交流側(cè)系統(tǒng)阻抗、變壓器直流偏磁3個因素的影響，綜合分析后發(fā)現(xiàn)換流閥等值阻抗變化范圍較大，主要呈現(xiàn)為感性，需要根據(jù)故障類型、故障合閘角、換相重疊角、電壓等級等因素確定。

閥關(guān)斷時，交流分量無法直接通過故障極構(gòu)成回路。由于直流雙極線路采用同塔架設(shè)，正常運行時兩極線路之間的電磁感應(yīng)引起的相互影響并不明顯。但是當其中一極線路存在工頻分量時，這時直流雙極線路類似于交、直流同塔架設(shè)，故障極的工頻分量通過感性耦合和容性耦合，在非故障極兩側(cè)產(chǎn)生基頻感應(yīng)電壓和電流[16-17]，再經(jīng)由非故障極兩側(cè)的換流閥導通閥組與接地極引線形成回路。

高壓直流輸電距離很長，一般超過1 000 km，因此分布電容很大，其等值阻抗也近似為純?nèi)菪?。而直流線路在直流系統(tǒng)中占比最高，即使有其他感性元件的影響，直流系統(tǒng)工頻等值阻抗角φ仍呈現(xiàn)為容性，同時因為感性元件的影響，φ最終在純?nèi)菪?-90°)和純阻性(0°)之間變化，且直流系統(tǒng)等值阻抗幅值較大。因此，對交流線路而言，交-直流碰線故障相當于經(jīng)容性過渡阻抗的高阻接地故障。利用圖1系統(tǒng)進行PSCAD/EMTDC仿真分析，不同電壓等級時直流系統(tǒng)等值阻抗角如圖3所示。

圖3 不同電壓等級時直流系統(tǒng)等值阻抗角Fig.3 Equivalent impedance angle of DC system at different voltage levels

2 距離保護適應(yīng)性分析

實際上，交-直流碰線故障可以等效為交流線路經(jīng)容性過渡阻抗的接地故障，過渡阻抗為直流系統(tǒng)在交-直流碰線故障點處的工頻等值阻抗，由上文的分析可知直流系統(tǒng)工頻等值阻抗呈容性，并受直流系統(tǒng)中感性元件影響，而當故障類型、線路電壓等級等發(fā)生改變時，主要感性元件換流閥的等值阻抗隨之改變，過渡阻抗也相應(yīng)改變。本節(jié)在對距離保護動作特性進行分析時，將直流系統(tǒng)工頻等值阻抗用過渡阻抗Zf表示，Zf=Rf(cosφ+jsinφ)，-90°<φ<0°。

發(fā)生交-直流碰線故障時的等效系統(tǒng)如圖4所示。

和為電源電動勢，為F1點到K點之間的線路阻抗；ZK、 ZH分別為F1點向K側(cè)、H側(cè)看進去的等效系統(tǒng)阻抗；為F1點電壓；為F1點流向大地的電流；δ為系統(tǒng)功角；為兩側(cè)母線流向線路的電流。圖4 發(fā)生交-直流碰線故障時的電力系統(tǒng)Fig.4 Power system model in AC-DC line touching fault

設(shè)在K側(cè)正方向的F1點處發(fā)生交-直流碰線故障(線路KH區(qū)內(nèi)故障)時，K側(cè)測量阻抗[18-19]

(1)

設(shè)在K側(cè)反方向的F2點處發(fā)生交-直流碰線故障(線路KH反向故障)時，K側(cè)測量阻抗

(2)

由文獻[20]可知，當過渡阻抗幅值Rf從0到無窮大變化時，測量阻抗隨之變化，由此可作出測量阻抗變化軌跡，即R-jX曲線。本節(jié)研究交-直流碰線故障對距離保護動作特性的影響時以此為觀察對象，分析參數(shù)δ和φ變化時測量阻抗軌跡的變化特征。

ZK.K和ZP.K由線路阻抗值與附加阻抗值兩部分組成，為簡化分析，令Zd=0，即設(shè)故障發(fā)生在K側(cè)母線出口處。

2.1 正方向故障

圖5為Rf由0～+∞變化時正向故障的測量阻抗軌跡，從圖5可看出，Rf從0變化到+∞的過程中，測量阻抗ZK.K沿著測量阻抗軌跡圓弧從原點逐步接近負荷阻抗。參數(shù)δ和φ變化時，測量阻抗軌跡也呈現(xiàn)不同的發(fā)展趨勢。當φ<0°時，δ>0°和δ<0°二者測量阻抗軌跡先從第四象限出發(fā)，然后朝著相反方向延伸變化，軌跡曲線凹向-jX方向，測量阻抗電抗特性負向增大，這容易造成保護越限動作可能性增大，防誤動可靠性降低。

圖5 正向故障時測量阻抗軌跡Fig.5 Measured impedance locus in positive direction fault

測量阻抗電抗特性與距離保護動作可靠性密切相關(guān)，而δ和φ直接影響正向故障測量阻抗電抗值XK.K的大小，為分析δ和φ對XK.K的影響，在Rf=200 Ω情況下，作出隨著δ(-40°<δ<40°)和φ(-50°<φ<0°)變化時，測量阻抗電抗值XK.K的變化趨勢圖，如圖6所示。

(a) XK.K隨δ和φ變化的三維曲面圖

(b) XK.K隨δ和φ變化的平面等高線圖圖6 正向故障時測量阻抗電抗值XK.K變化趨勢Fig.6 Variation trend of XK.K in positive direction fault

由圖6可知，在上述δ和φ變化范圍內(nèi)，大部分區(qū)域的測量阻抗電抗值XK.K為負值，根據(jù)上文的分析，這種情況下若故障發(fā)生在正方向，易造成阻抗繼電器靈敏性升高，保護越限動作可能性增大。由圖6(b)可看出，XK.K不為零的值主要分布在δ=-20°附近。該區(qū)域可大致劃分為3個部分：φ<-35°時，-500 Ω-12°時，XK.K>0，保護動作可靠性較高；當φ=-10°左右時，XK.K?0， 這時很可能造成保護靈敏性降低，保護范圍縮短，保護拒動可能性大大增加。

2.2 反方向故障

圖7為Rf由0～+∞變化時的反向故障測量阻抗軌跡，由圖可知，當φ<0°時，δ>0°和δ<0°二者測量阻抗軌跡從第二象限出發(fā)，隨著Rf的增大，兩條軌跡出現(xiàn)交叉并朝著相反方向繼續(xù)延伸，軌跡曲線凸向jX方向，測量阻抗電抗特性正向增大。這種情況下，反向故障時的測量阻抗進入方向繼電器整定范圍的概率增大，保護越限動作可能性增大。

圖7 反向故障時測量阻抗軌跡Fig.7 Measured impedance locus in reverse direction fault

類似正向故障，可作出反向故障時測量阻抗電抗值XP.K的變化趨勢圖，如圖8所示。

(a) XP.K隨δ和φ變化的三維曲面圖

(b) XP.K隨δ和φ變化的平面等高線圖圖8 反向故障時測量阻抗電抗值XP.K變化趨勢Fig.8 Variation trend of XP.K in reverse direction fault

由圖8可看出，在上述δ和φ變化范圍內(nèi)，測量阻抗電抗值XP.K基本都為正值，通過前文分析已知道，即使故障發(fā)生在反方向，在XP.K>0情況下測量阻抗依然很可能進入方向繼電器整定范圍內(nèi)。由圖8(b)可知，在δ=10°附近，測量阻抗電抗值XP.K隨著φ的減小而增大，在φ<-15°區(qū)域，XP.K已經(jīng)超過200 Ω，這時由于電抗值較大，對距離保護幾乎沒有影響；但在δ為其他值的情況下，0

由于交-直流碰線故障相當于交流線路發(fā)生了經(jīng)容性過渡阻抗接地故障，通過對正方向故障與反方向故障時距離保護動作特性的分析可知，容性過渡阻抗對距離保護動作可靠性產(chǎn)生很大的影響。

3 仿真分析

(a)R和jX值(故障后全曲線)

(b)R和jX值(故障穩(wěn)態(tài)放大曲線)

(c)矢量圖圖9 正向單相碰線故障時K側(cè)測量阻抗Fig.9 Measured impedance at K side in positive direction single-phase line fault

由圖9的曲線1、2、3可知，正向區(qū)內(nèi)交-直流單相碰線故障時：測量阻抗R值比交流高阻接地小，滿足阻抗繼電器電阻特性動作要求；測量阻抗jX值為負值，其絕對值比交流高阻接地大。由圖9(b)可知，以故障點(f1-f2)為坐標原點，正方向區(qū)內(nèi)3種故障情況下測量阻抗均處于第四象限，且交-直流碰線故障時的測量阻抗比交流單相高阻接地時更趨近-jX軸，可能超出阻抗繼電器動作范圍，距離保護拒動可能性較大。由圖9的曲線4、5、6可知，正方向區(qū)外故障時測量阻抗的分布與區(qū)內(nèi)故障類似，測量阻抗進入上級線路阻抗繼電器動作范圍的可能性較大，距離保護可能誤動。

在f1-f2處發(fā)生正極-A相碰線故障，此時對于線路HG的H側(cè)保護來說為反方向故障，線路KHG電壓等級分別為750 kV、500 kV、220 kV時的H側(cè)測量阻抗仿真結(jié)果如圖10所示。

(a)R和jX值(故障后全曲線)

(b)R和jX值(故障穩(wěn)態(tài)放大曲線)

(c)矢量圖1—線路KHG電壓等級為220 kV；2—線路KHG電壓等級為500 kV；3—線路KHG電壓等級為750 kV圖10 反向單相碰線故障時H側(cè)測量阻抗Fig.10 Measured impedance at H side in reverse direction single-phase line fault

由圖10可知，發(fā)生反向交-直流單相碰線故障時，H側(cè)測量阻抗R值和jX值受交流線路電壓等級影響，尤其是R值，不同電壓等級下其大小和方向都發(fā)生改變。由圖10(b)可知，隨著電壓等級的降低，測量阻抗R值由負方向變化到正方向，即測量阻抗由第二象限逐漸進入第一象限，同時測量阻抗jX值也逐漸減小，這大大增加了測量阻抗進入H側(cè)阻抗繼電器動作范圍的可能性，進而導致保護誤動。

4 結(jié)論

交流和直流線路交叉跨越現(xiàn)象日益增多，交-直流碰線故障發(fā)生概率增大，故障后系統(tǒng)故障特征區(qū)別于傳統(tǒng)交流短路，對交流線路距離保護產(chǎn)生影響。本文通過理論分析和仿真驗證得出以下結(jié)論：

a)考慮直流控制保護快速動作及單極閉鎖，不同交-直流碰線故障情況下，換流閥導通狀態(tài)有所差異，交流短路通道也不同。但對交流線路而言，不同類型的交-直流碰線故障具有共性，該類故障可以簡化為經(jīng)容性過渡阻抗的高阻接地故障；

b)對于交流線路距離保護，不同系統(tǒng)狀態(tài)和故障情況下的交-直流碰線短路可造成阻抗繼電器測量電抗值的波動，從而導致距離保護的欠范圍或者超越動作。不同故障位置對距離保護的影響結(jié)果和程度不同：區(qū)內(nèi)故障時易使保護欠范圍動作；正向區(qū)外故障時易使保護超越動作；反向區(qū)外故障時，交流故障線路電壓等級越低，距離保護誤動可能性越大。