戴文睿，李小鵬，林 圣

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所，北京 100081；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；3.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

0 引 言

高壓直流輸電因其在遠距離、大容量跨區(qū)輸電中的優(yōu)勢而在中國迅猛發(fā)展[1-2]。然而，在現(xiàn)有高壓直流輸電系統(tǒng)故障中輸電線路故障占比較高；且據(jù)統(tǒng)計，目前輸電線路保護的正確動作率僅有50%，其余故障由直流控制系統(tǒng)響應(yīng)動作。這會引起不必要的系統(tǒng)停運，造成巨大的設(shè)備損耗和經(jīng)濟損失[3]。

現(xiàn)有高壓直流線路保護體系由行波保護、微分欠壓保護和縱差動保護等組成。行波保護是線路保護的主保護，其主要任務(wù)是快速切除嚴重的區(qū)內(nèi)故障，如金屬性接地故障[4-5]。微分欠壓保護和縱差動保護作為行波保護的后備保護，主要任務(wù)是切除主保護未能切除的高阻故障。行波保護作為高壓直流輸電線路故障的第一道防線，其重要性不言而喻。因此，對現(xiàn)有工程中采用的輸電線路保護方案的適應(yīng)性進行分析，進而為改進現(xiàn)有保護方案提供依據(jù)，顯得尤為迫切。

為分析和提高行波保護的適應(yīng)性，國內(nèi)外專家學者進行了大量研究[6-9]。文獻[6]對西門子公司和ABB公司的行波保護性能進行了分析和對比，研究了兩種保護方案在不同的過渡電阻、故障距離等情況下的保護效果。文獻[7-8]從現(xiàn)階段行波保護缺乏成熟整定原則而存在誤整定等問題出發(fā)，提出了高壓直流輸電線路行波保護的整定原則。文獻[9]分析了不同采樣頻率對直流線路行波保護判據(jù)的影響，并給出了行波保護采樣頻率選取的建議。以上研究對行波保護適應(yīng)性進行了分析，并從不同角度提高了其適應(yīng)性，但未充分考慮實際保護方案中的信號展寬環(huán)節(jié)對保護適應(yīng)性的影響。

基于實際工程所采用的行波保護邏輯，搭建了考慮信號展寬的西門子行波保護模型。在此基礎(chǔ)上分析不同類型的區(qū)內(nèi)外接地故障下西門子行波保護的適應(yīng)性，并對適應(yīng)性不足的原因進行了分析。分析結(jié)果表明，信號展寬一定程度上提高了西門子行波保護的可靠性，但保護判據(jù)中的電壓變化量判據(jù)較大地影響了其對于區(qū)內(nèi)高阻故障和區(qū)外低阻故障的選擇性。

1 西門子行波保護配置方案

1.1 直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有高壓直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)結(jié)構(gòu)

由圖1可知，在輸電線路的邊界兩側(cè)分別安裝有分流器1和分流器2，濾波器的線路側(cè)安裝有分壓器。

1.2 考慮展寬的西門子公司行波保護配置方案

現(xiàn)有高壓直流輸電工程中，線路行波保護主要采用西門子公司和ABB公司的保護方案[10]。西門子公司和ABB公司的行波保護原理較有代表性，國內(nèi)廠家的行波保護原理大多與之類似。下面主要以西門子公司的保護方案作為研究對象。

西門子公司的行波保護方案利用分壓器1測得的電壓變化量Δud和電壓變化率dud/dt以及分流器2測得的直流電流變化量Δid作為主要判據(jù)，對線路故障后產(chǎn)生的劇烈電壓和電流的波動進行快速檢測。其具體的動作判據(jù)如式(1)所示。

(1)

式中，下標set表示該判據(jù)下對應(yīng)電氣量的閾值。

在保護裝置的實際配置中，保護的動作并不需要以上3個判據(jù)同時滿足，而是通過信號展寬、延時等環(huán)節(jié)來提高保護動作的可靠性。西門子公司行波保護的實際保護邏輯如圖2所示。圖2中：MAX為取數(shù)據(jù)窗內(nèi)數(shù)據(jù)的最大值；NCM為比較器，將輸入值與判據(jù)閾值進行比較，若輸入值大于判據(jù)閾值則輸出1，反之輸出0；AND為與邏輯，兩個輸入均為1則輸出1，否則輸出0；PDF為保持器，當輸入從1變?yōu)?時，輸出仍然為1并保持設(shè)置時間后變?yōu)?；MOF為單穩(wěn)觸發(fā)器，當輸入值出現(xiàn)一個上升沿時，輸出寬度為設(shè)置時間的高電平信號。某實際工程中，電壓變化量判據(jù)閾值為0.3 pu，電壓變化率判據(jù)閾值為0.14 pu/ms，電流變化量判據(jù)閾值為0.5 pu，pu為額定運行數(shù)值。

圖2 西門子行波保護邏輯

由圖2可知，在實際保護裝置中，將分壓器1采集到的直流電壓ud與兩個工頻信號周期前的直流電壓做差，得到直流電壓變化量Δud。將分壓器1采集到的直流電壓與0.15 ms前的直流電壓進行差分求導(dǎo)，得到直流電壓變化率dud/dt。當直流電壓變化率滿足保護判據(jù)，該判據(jù)出口信號會被展寬6 ms。在展寬期間，電壓變化率判據(jù)也滿足，則行波保護中的電壓信號出口，并展寬12 ms。在電壓信號展寬期間，電流判據(jù)滿足，則行波保護信號出口，判斷直流線路發(fā)生接地故障，進行直流線路故障恢復(fù)順序。

2 西門子行波保護適應(yīng)性仿真分析

為分析現(xiàn)有工程中高壓直流輸電線路行波保護的適應(yīng)性，根據(jù)某一實際工程搭建±800 kV直流輸電系統(tǒng)PSCAD仿真模型，額定電流為5 kA，線路全長1500 km。

在軟件中實現(xiàn)考慮信號展寬的西門子行波保護，對以下典型故障情況下的保護動作情況進行仿真分析。

1)設(shè)定0.6 s時，正極線路上距整流側(cè)500 km處發(fā)生過渡電阻為125 Ω的接地故障。故障發(fā)生45 ms內(nèi)，行波保護所用電氣量及保護動作情況的仿真結(jié)果如圖3所示(圖中點劃線為展寬后信號，后同)。

圖3 線路區(qū)內(nèi)故障仿真(過渡電阻125 Ω)

由圖3可知，在發(fā)生過渡電阻為125 Ω的區(qū)內(nèi)接地故障后45 ms內(nèi)，若不考慮各個判據(jù)滿足后信號的展寬，在故障后15 ms時，電壓變化率判據(jù)與電流變化量判據(jù)滿足，但電壓變化量判據(jù)不滿足，保護在此時拒動。而當電壓變化量判據(jù)在31.65 ms滿足時，電壓變化量判據(jù)與電流變化量判據(jù)在此時又無法滿足，導(dǎo)致行波保護判據(jù)無法同時滿足，保護拒動。在考慮各個判據(jù)滿足后的信號展寬后，在故障后15 ms時，電壓變化率判據(jù)和電流變化量判據(jù)均滿足，兩個環(huán)節(jié)的輸出均變?yōu)?。且在這兩個判據(jù)不滿足后，兩個環(huán)節(jié)的輸出仍分別保持6 ms的高電平輸出。在電壓變化率判據(jù)和電流變化量判據(jù)保持輸出1的6 ms內(nèi)，電壓變化量判據(jù)得到滿足，行波保護判據(jù)得到滿足，保護準確動作。信號展寬實際上提高了保護動作的可靠性。

2)設(shè)定0.6 s時，正極線路上距整流側(cè)500 km處發(fā)生過渡電阻為175 Ω的接地故障。故障發(fā)生45 ms內(nèi)，行波保護所用電氣量及保護動作情況的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 線路區(qū)內(nèi)故障仿真(過渡電阻175 Ω)

由圖4可知，在發(fā)生過渡電阻為175 Ω的區(qū)內(nèi)接地故障后45 ms內(nèi)，電壓變化率判據(jù)和電流變化量判據(jù)均得到滿足，而電壓變化量判據(jù)不滿足，導(dǎo)致行波保護無法啟動，保護拒動。在45 ms后，即使行波保護動作，也失去了其作為主保護應(yīng)有的速動性。實際上，在45 ms后，由于故障初期得到滿足的電壓變化率判據(jù)和電流變化量判據(jù)均不滿足，使得行波保護依然拒動。

3)設(shè)定0.6 s時，整流側(cè)區(qū)外直流母線上發(fā)生金屬性接地故障。故障發(fā)生45 ms內(nèi)，行波保護所用電氣量及保護動作情況的仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在整流側(cè)區(qū)外故障發(fā)生后的45 ms內(nèi)，僅電壓變化率判據(jù)滿足，不滿足行波保護動作條件，保護不動作。在故障發(fā)生的45 ms后，由于控制系統(tǒng)對輸電系統(tǒng)的作用，電氣量將不會達到保護動作條件。

圖5 整流側(cè)金屬性故障仿真

4)設(shè)定0.6 s時，逆變區(qū)外直流母線上發(fā)生金屬性接地故障。故障發(fā)生45 ms內(nèi)，行波保護所用電氣量及保護動作情況的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 逆變側(cè)金屬性故障仿真

由圖6可知，在逆變側(cè)區(qū)外故障發(fā)生后的45 ms內(nèi)，電壓、電流保護判據(jù)均滿足，滿足行波保護動作條件，保護誤動作。

為進一步說明現(xiàn)有行波保護在不同故障條件下，對于區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障的適應(yīng)性。分別設(shè)置距整流側(cè)500 km、1000 km和1500 km距離下不同過渡電阻的區(qū)內(nèi)故障,以及在整流側(cè)直流母線和逆變側(cè)直流母線上設(shè)置不同過渡電阻的區(qū)外故障，獲得行波保護的部分動作情況如表1所示。

根據(jù)表1可知，當輸電線路上距整流站500 km處發(fā)生125 Ω接地故障時，西門子公司行波保護可靠動作。當輸電線路上距整流站500 km處發(fā)生130 Ω接地故障時，西門子公司行波保護因為過渡電阻的增大可能不動作。在輸電線路上距整流站1000 km和1500 km發(fā)生接地故障時，行波保護拒動風險也可能隨過渡電阻增大而增加。

表1 不同故障位置時的仿真結(jié)果

線路區(qū)內(nèi)的仿真結(jié)果說明，西門子公司行波保護對于區(qū)內(nèi)高阻接地故障，容易因為過渡電阻的增大而拒動。且通過典型仿真案例可知，行波保護判據(jù)中的電壓變化量判據(jù)是西門子公司行波保護拒動的首要原因。當整流側(cè)直流母線發(fā)生最嚴重的金屬性故障時，西門子公司行波保護也不誤動，說明西門子公司行波保護對于整流側(cè)直流母線故障不會出現(xiàn)誤動。當逆變側(cè)直流母線發(fā)生50 Ω及以下過渡電阻故障時，若直流母線保護未在行波保護動作前切除故障，就可能引起西門子公司行波保護的誤動。

綜上所述，西門子公司行波保護對于區(qū)內(nèi)高阻故障和逆變側(cè)區(qū)外較為嚴重的故障不能做到可靠動作。因此存在對區(qū)內(nèi)高阻故障靈敏性不足，對逆變側(cè)區(qū)外故障可靠性不足的問題。

3 結(jié) 論

基于考慮信號展寬的西門子公司行波保護模型，分析了不同類型的區(qū)內(nèi)外接地故障下西門子公司行波保護的適應(yīng)性，并對其適應(yīng)性不足的原因進行了分析。分析結(jié)果如下：

1)信號展寬一定程度上提高了西門子公司行波保護對區(qū)內(nèi)高阻故障的可靠性，但提升效果一般；

2)保護判據(jù)中的電壓變化量判據(jù)較大程度地影響了其對于區(qū)內(nèi)高阻故障和區(qū)外低阻故障的選擇性。