李小鵬，滕予非，宋新堯2，李世龍，羅榮森

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西，西安 710049)

0 引 言

目前，特高壓直流輸電作為遠(yuǎn)距離大容量電能輸送的重要通道已在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用，目前在運(yùn)和在建的特高壓直流超過(guò)了10條[1]。直流接地極和接地極線路是特高壓直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，其為換流閥提供參考地電位，同時(shí)作為入地電流的通道。在實(shí)際工程運(yùn)行中，因雷擊或過(guò)電壓閃絡(luò)引起的接地極線路短路、斷線故障已嚴(yán)重威脅到直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為可靠迅速地檢測(cè)和處理接地極線路故障，實(shí)際工程中為接地極線路配備了過(guò)流保護(hù)、電流不平衡保護(hù)和接地極線路阻抗監(jiān)視系統(tǒng)。

過(guò)流保護(hù)和電流不平衡保護(hù)受保護(hù)原理限制存在保護(hù)死區(qū)，難以保護(hù)線路全長(zhǎng)，且在直流輸電系統(tǒng)雙極平衡運(yùn)行或金屬回線運(yùn)行時(shí)無(wú)法發(fā)揮作用。差動(dòng)保護(hù)可以保護(hù)接地極線路全長(zhǎng)，但依然不適用于雙極平衡運(yùn)行或金屬回線運(yùn)行方式，且需要雙端通信，在通信失效時(shí)無(wú)法發(fā)揮作用。為了解決接地極線路保護(hù)的可靠性問(wèn)題，ABB公司提出為直流輸電系統(tǒng)配置基于高頻信號(hào)注入的接地極線路阻抗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

阻抗監(jiān)視系統(tǒng)通過(guò)向接地極線路注入高頻正弦電流信號(hào)，同時(shí)在注入點(diǎn)測(cè)量同頻電壓信號(hào)，間接計(jì)算出接地極線路的阻抗變化。如果阻抗監(jiān)視裝置檢測(cè)到阻抗進(jìn)入動(dòng)作區(qū)并持續(xù)一定時(shí)延，判斷接地極線路發(fā)生了故障。阻抗監(jiān)視系統(tǒng)可以適應(yīng)雙極平衡運(yùn)行方式，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，阻抗監(jiān)視系統(tǒng)曾在短路故障時(shí)發(fā)生過(guò)拒動(dòng)，需要進(jìn)一步分析接地極線路的故障特性以及阻抗監(jiān)視系統(tǒng)在不同故障情況下的動(dòng)作性能[2]。

在接地極線路故障特征分析方面，文獻(xiàn)[3]針對(duì)不同短路故障下接地極線路的暫態(tài)行波的特征進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[4]提出了一種接地極線路短路故障快速識(shí)別方法。文獻(xiàn)[5]分析了接地極線路阻抗監(jiān)視系統(tǒng)在短路故障情況下的動(dòng)作情況，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

然而，上述研究大多是針對(duì)短路故障情況開(kāi)展的研究，較少涉及斷線故障，且缺乏斷線故障后 阻抗監(jiān)視系統(tǒng)的動(dòng)作性能分析。下面著重對(duì)接地極線路斷線故障開(kāi)展理論研究，推導(dǎo)了斷線故障情況下接地極線路阻抗監(jiān)視系統(tǒng)的測(cè)量阻抗變化情況，并進(jìn)一步分析了不同故障位置下阻抗監(jiān)視系統(tǒng)的動(dòng)作性能，為下一步改進(jìn)提供了基礎(chǔ)。

1 接地極線路阻抗監(jiān)視系統(tǒng)

1.1 接地極線路阻抗監(jiān)視系統(tǒng)原理

高壓直流輸電工程接地極線路的阻抗監(jiān)視系統(tǒng)(electrode line impedance supervision，ELIS)如圖1所示。

圖1 ELIS系統(tǒng)

向接地極線路注入高頻電流信號(hào)后可以在注入點(diǎn)測(cè)得對(duì)應(yīng)頻率的電壓值。目前國(guó)家電網(wǎng)有限公司已經(jīng)投運(yùn)的高壓直流輸電工程中，注入信號(hào)頻率均為13.95 kHz[5]。通過(guò)測(cè)量對(duì)應(yīng)頻率的電壓電流值即可計(jì)算出接地極線路的等效阻抗，進(jìn)而判斷線路上是否發(fā)生故障。為了防止高頻電流進(jìn)入直流系統(tǒng)，在接地極線路兩端還分別裝設(shè)有阻波器。其中接地極側(cè)的阻波器還并聯(lián)有匹配電阻，其阻值與接地極線路等效波阻抗相當(dāng)。

ELIS系統(tǒng)在換流站內(nèi)向接地極線路注入13.95 kHz的高頻電流，同時(shí)對(duì)注入點(diǎn)的同頻電壓進(jìn)行檢測(cè)，并計(jì)算出接地極線路的阻抗。ELIS系統(tǒng)的動(dòng)作條件為

ΔZ=|Zeq-Znormal|≥Zset

(1)

式中：Zeq為測(cè)量阻抗；Znormal為正常運(yùn)行時(shí)接地極線路等效阻抗；ΔZ為測(cè)量阻抗與正常運(yùn)行時(shí)阻抗差值；Zset為整定阻抗，工程中一般取30 Ω。

1.2 正常運(yùn)行時(shí)接地極線路阻抗

接地極線路正常運(yùn)行時(shí)，接地極引線的等效電路如圖2所示。

圖2 正常運(yùn)行時(shí)接地極線等效電路

由圖2可得，此時(shí)

(2)

式中：Zeq為接地極線等效阻抗；ZP為接地極線路末端并聯(lián)的匹配電阻，其值等于線路的波阻抗Zc；Z和Y分別為輸電線路PI型等效電路中的等效阻抗和等效導(dǎo)納，其計(jì)算公式為

(3)

將式(3)代入式(2)可得

Znormal=ZC

(4)

由此可知，正常運(yùn)行時(shí)，接地極線路等效阻抗為線路的波阻抗。

2 接地極線路在斷線時(shí)的等效阻抗

2.1 雙回線斷線故障

當(dāng)距離接地極引線首端x處發(fā)生雙回線斷線故障時(shí)，接地極線等效電路圖如圖3所示。

圖3 雙回線斷線故障時(shí)接地極等效電路

圖中，Z1、Y1和Z2、Y2分別是兩段線路的等效阻抗和等效導(dǎo)納，其計(jì)算公式為

(5)

則接地極引線的等效阻抗Zeq為

(6)

2.2 單回線斷線故障

當(dāng)特高壓直流接地極線路出現(xiàn)單回?cái)嗑€故障時(shí)，其等效網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 單回線路斷線故障時(shí)接地極線等效電路

將圖4進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖5。

圖5 單回線斷線故障時(shí)接地極線簡(jiǎn)化電路

圖5中各變量的表達(dá)式為

(7)

將圖5進(jìn)一步經(jīng)電路等效變換簡(jiǎn)化為圖6。

圖6 單回線路故障時(shí)接地極線簡(jiǎn)化電路

圖6可表達(dá)為

(8)

由圖6可得等效阻抗Zeq為

(9)

3 接地極線路阻抗監(jiān)視系統(tǒng)動(dòng)作性能分析

3.1 雙回線斷線時(shí)ELIS動(dòng)作性能分析

采用某±800 kV特高壓直流工程的接地極線路參數(shù)來(lái)分析ELIS系統(tǒng)的性能。在該特高壓直流輸電工程中，接地極線路采用同桿雙回架設(shè)，線長(zhǎng)100 km，具體參數(shù)如表2所示。注入信號(hào)源位于接地極線路換流站端，注入頻率為13.95 kHz。為了減少線路上高頻駐波的影響，在接地極線路兩端還分別裝設(shè)有阻波器。

表2 單回接地極線路參數(shù)

利用表2參數(shù)，首先仿真接地極線路長(zhǎng)度變化時(shí)，不同故障點(diǎn)雙回線斷線故障時(shí)的故障阻抗，得到故障阻抗與正常運(yùn)行時(shí)的最小阻抗差值隨線路長(zhǎng)度的變化情況，如圖7所示。

圖7 不同接地極線路長(zhǎng)度下最小的阻抗偏差值

由圖7可知，在線路長(zhǎng)度在100 km以?xún)?nèi)時(shí)，任意地點(diǎn)發(fā)生雙回線斷線故障時(shí)，阻抗差值最小值也在130 Ω以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于整定值30 Ω，ELIS系統(tǒng)不會(huì)拒動(dòng)。

3.2 單回線斷線時(shí)ELIS系統(tǒng)動(dòng)作性能分析

首先考察在線路長(zhǎng)度為100 km時(shí)，發(fā)生單回線斷線故障，不同故障距離下的阻抗差值，如圖8所示。

由圖8可知，在接地極線路長(zhǎng)度為100 km時(shí)，接地極線路單回線故障后阻抗變化量均大于門(mén)檻值，ELIS系統(tǒng)不會(huì)拒動(dòng)。

在以上仿真中接地極線路長(zhǎng)度均為100 km。為了研究接地極線路長(zhǎng)度對(duì)故障后阻抗變化量的影響，設(shè)置接地極線路長(zhǎng)度從5 km一直增加到100 km。同時(shí)在接地極線路上每隔0.1 km設(shè)置一個(gè)單回線斷線故障點(diǎn)，在不同的線路長(zhǎng)度下故障后阻抗變化量最小值如圖9所示。

圖8 不同故障距離下阻抗偏差值

圖9 不同接地極線路長(zhǎng)度下最小阻抗偏差值

由圖9可以看出，在某些線路長(zhǎng)度下單回線斷線故障后的最小阻抗變化量將遠(yuǎn)小于門(mén)檻值，這就意味著在這些故障情況下ELIS系統(tǒng)將會(huì)拒動(dòng)。

由圖9可知這些特殊情況的線路長(zhǎng)度接近于注入信號(hào)半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。

圖10 接地極線路長(zhǎng)度為10倍注入信號(hào)半波長(zhǎng)時(shí)阻抗偏差

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，將線路長(zhǎng)度設(shè)置為注入信號(hào)半波長(zhǎng)的10倍，接地極線路單回?cái)嗑€故障后的阻抗變化量如圖10所示。

由圖10可以看出，當(dāng)故障距離為注入信號(hào)半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，線路單回?cái)嗑€故障后測(cè)量阻抗與正常運(yùn)行時(shí)的測(cè)量阻抗相當(dāng)，這就意味著在這種情況下ELIS系統(tǒng)將會(huì)拒動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

前面首先分析了接地極線路在雙回?cái)嗑€和單回?cái)嗑€故障后的等效阻抗，然后利用接地極線路參數(shù)研究了不同故障下ELIS的動(dòng)作性能。研究表明：ELIS系統(tǒng)在接地極線路雙回?cái)嗑€時(shí)能可靠發(fā)現(xiàn)故障，但在接地極線路長(zhǎng)度為注入信號(hào)半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，在某些故障距離下ELIS系統(tǒng)將無(wú)法發(fā)現(xiàn)線路上的單回線斷線故障。