龔 飛 李 林 趙森林 鄒 強(qiáng) 汪大全

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

特高壓直流輸電是解決遠(yuǎn)距離、大容量輸電問題的重要方案，不僅在中國(guó)得到了廣泛運(yùn)用，在世界范圍內(nèi)也得到了越來(lái)越多的重視。巴西美麗山二期直流工程是國(guó)家電網(wǎng)獨(dú)立中標(biāo)的第一個(gè)海外特高壓直流工程，是國(guó)家實(shí)施“一帶一路”戰(zhàn)略的走出去工程，該工程線路電壓等級(jí)為±800kV，額定電流為2 500A，輸送容量4 000MW，輸送起點(diǎn)為巴西北部欣谷（Xingu）河畔的美麗山水電站，終點(diǎn)至巴西南部的巴西第二大城市里約熱內(nèi)盧（Rio），線路全長(zhǎng)2 540多km，是巴西迄今為止輸送距離最長(zhǎng)、輸送容量最大的特高壓直流線路，對(duì)保障巴西南部的可靠供電具有重要意義。該工程屬于典型的超長(zhǎng)距離特高壓輸電工程，線路耦合較強(qiáng)，兩極間相互影響較大，因而需要對(duì)常規(guī)的控制保護(hù)策略做出相應(yīng)的改進(jìn)以適應(yīng)長(zhǎng)距離輸電的需要。現(xiàn)有的針對(duì)線路強(qiáng)耦合的改進(jìn)策略較少，且主要集中在控制方面，針對(duì)保護(hù)的很少。文獻(xiàn)[1-3]分析了一極線路重啟中，另一極由于線路強(qiáng)耦合導(dǎo)致功率大幅波動(dòng)的問題，解決策略是在擾動(dòng)過程中短時(shí)閉鎖低壓限流（voltage dependent current limited, VDCL）環(huán)節(jié)，或者是調(diào)整PI參數(shù)，讓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)速度減慢。文獻(xiàn)[4]分析了長(zhǎng)線路中存在一極線路接地，另一健全極出現(xiàn)換相失敗的問題，解決思路是對(duì)換相失敗預(yù)測(cè)控制做出改進(jìn)，當(dāng)健全極檢測(cè)到對(duì)極電壓突變減小后，健全極立刻增大關(guān)斷角來(lái)防止換相失敗。

在美麗山直流的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一極線路接地故障后，非故障極存在線路突變量保護(hù)誤動(dòng)的現(xiàn)象。本文針對(duì)突變量保護(hù)誤動(dòng)，詳細(xì)研究?jī)蓸O間互感的影響機(jī)理，指出兩回線間互感是導(dǎo)致突變量保護(hù)誤動(dòng)的原因，并針對(duì)此種誤動(dòng)給出一種突變量保護(hù)優(yōu)化策略，并在RTDS系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)其他特高壓直流工程有較大的參考意義。

1 直流線路突變量保護(hù)原理

直流線路接地故障是直流運(yùn)行過程中最常見的故障，直流線路接地時(shí)產(chǎn)生的大電流會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生很大的危害，并會(huì)大大影響輸送功率，所以一般要求直流線路保護(hù)能夠快速動(dòng)作[5-10]。直流線路突變量保護(hù)是直流線路中配置的快速保護(hù)之一，與行波保護(hù)相比，不依賴波阻抗，原理簡(jiǎn)單可靠，所以得到了廣泛應(yīng)用。幾乎所有的直流輸電工程都配置了直流線路突變量保護(hù)，其能否準(zhǔn)確動(dòng)作，對(duì)直流輸電的可靠性有重大影響。直流線路突變量保護(hù)原理如圖1所示。

圖1 直流線路突變量保護(hù)原理

圖1中，d為微分運(yùn)算，第一項(xiàng)表示直流線路電壓（UDL）突變減小，第二項(xiàng)表示直流線路電流（IDL）增大（整流站為增大，逆變站為電流減小），第三項(xiàng)表示直流線路低電壓。突變量啟動(dòng)后配置展寬環(huán)節(jié)的原因是電壓突變的時(shí)間很短，但是為了加強(qiáng)保護(hù)出口的可靠性，需要配置一定的延時(shí)，如果不加展寬，就可能在延時(shí)過后檢測(cè)不到突變量。所以為了使突變量保護(hù)準(zhǔn)確、可靠、快速動(dòng)作，一旦檢測(cè)到電壓突變，突變量啟動(dòng)將會(huì)展寬T1時(shí)間（一般取為5～10ms左右）。若這段時(shí)間內(nèi)，直流低電壓維持了T2的時(shí)間（T2一般延時(shí)1～2ms左右），則保護(hù)就會(huì)出口。直流線路保護(hù)的動(dòng)作結(jié)果是首先會(huì)嘗試2～3次的移相再啟動(dòng)，如果重啟次數(shù)達(dá)到保護(hù)定值，就會(huì)閉鎖換流閥。

在美麗山二期直流RTDS系統(tǒng)中模擬極2靠Rio站線路接地故障，發(fā)現(xiàn)此時(shí)Xingu站極1會(huì)有直流線路突變量保護(hù)誤動(dòng)作，極2和極1的波形分別如圖2和圖3所示，UDL、IDL、DUDT_TRIP分別表示Xingu站直流線路電壓、線路電流、突變量保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。分析圖2和圖3波形可以發(fā)現(xiàn)，在極2接地故障時(shí)，極2線路電壓會(huì)快速下降，電流會(huì)突增；但同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)非故障極1的線路電壓也是突變減小的，電流增大，初始階段的特征與故障極完全一致，如果此時(shí)突變量保護(hù)不做改動(dòng)，那么此時(shí)非故障極的突變量保護(hù)就會(huì)誤動(dòng)。另外，如果兩條線路同時(shí)檢測(cè)到故障，由于巴西電網(wǎng)比較脆弱，承受不住雙極同時(shí)故障移相對(duì)電網(wǎng)的沖擊，按巴西國(guó)調(diào)（ONS）要求，此時(shí)進(jìn)行雙極閉鎖，會(huì)損失大量的功率，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響。

圖2 極2線路故障極波形

圖3 極1非故障極波形

2 直流線路互感影響分析

故障開始后的初始階段，非故障極的電壓變化趨勢(shì)與故障極基本一致，這是由于電磁耦合產(chǎn)生的結(jié)果。由于直流輸電一般采用同塔共設(shè)，兩條直流線路間存在較強(qiáng)的電磁耦合，線路越長(zhǎng)，影響就越大。巴西直流工程的線路長(zhǎng)達(dá)2 500多km，超過了大部分的特高壓直流輸電工程。巴西工程的線路參數(shù)見表1。

表1 直流線路參數(shù)

根據(jù)表1參數(shù)，可以算出直流線路的自感及互感，自感為[11]

式中：L0為單位長(zhǎng)度自感；μ0為磁導(dǎo)率，具體數(shù)值為 4π ×1 0-7H/m；l為線路長(zhǎng)度；Ds為分裂導(dǎo)線的等效半徑，對(duì)于六分裂導(dǎo)線，有

式中：r′=0.779r，r為分裂導(dǎo)線半徑；d為分裂導(dǎo)線間距。代入?yún)?shù)值，可以算出單位長(zhǎng)度自感為3.225mH/km，整條線路的自感L1為8.27H。

直流線路互感為

式中：M0為單位長(zhǎng)度互感；Dm為導(dǎo)線間距。代入?yún)?shù)值，可以算出單位長(zhǎng)度互感為2.479mH/km，整條線路的互感M1為6.3H?？梢钥闯?，互感相比自感來(lái)說(shuō)，數(shù)值并不小，因而不能忽略其影響。

巴西美麗山二期極1直流輸電系統(tǒng)等效電路如圖4所示，直流場(chǎng)主要由換流閥、平波電抗器、直流濾波器（direct current filter, DCF）、直流線路、接地極、直流斷路器及隔離開關(guān)等構(gòu)成。系統(tǒng)的正常運(yùn)行方式是由Xingu送電Rio，稱為功率正送模式，通常采用雙極正送方式；如在枯水季節(jié)，會(huì)運(yùn)行在功率反送模式，功率由Rio送往Xingu。

圖4 極1直流輸電系統(tǒng)等效電路

假設(shè)極2靠Rio站末端發(fā)生故障，那么此時(shí)極2的線路電流IDL2將會(huì)突然增大，由于互感影響[12-15]，相當(dāng)于此時(shí)在極1線路上疊加一個(gè)電源，此時(shí)極1線路由于互感而感應(yīng)出的電壓如式（4）所示。根據(jù)楞次定律，其電壓極性有利于極1電流的增大。

分析圖2可知，故障極極2的電流變化率為1.817/0.000 2kA/s，根據(jù)式（4），在極1等效的電壓為57 235kV，持續(xù)時(shí)間為0.2ms。其后故障極極2電流的變化很不規(guī)則，有增大也有減小，這是由于兩極互相耦合引起的。但分析初始階段0.2ms對(duì)于分析互感影響已經(jīng)足夠，能看出極1電壓突變減小的過程，這段時(shí)間對(duì)于極1的突變量啟動(dòng)也是足夠的，因而此分析過程也不失一般性。由于電壓突變量動(dòng)作時(shí)間很短，在這段時(shí)間內(nèi)，換流器來(lái)不及調(diào)節(jié)，并且為了簡(jiǎn)化電路分析，忽略一些次要參數(shù)，接地極的等效電感可以忽略，把直流濾波器等效為一個(gè)電容，此時(shí)極1的電流回路可以等效為如圖5所示的等效電路，L1為線路自感，RL為線路電阻，典型值為17Ω，Cdcf為直流濾波器的等效電容，美麗山工程為2.4μF。

圖5 極1電流回路的等效電路

根據(jù)上述電路，Xingu站和Rio站的直流線路電壓的關(guān)系為

對(duì)式（5）進(jìn)行積分，并考慮初始條件，可以得出兩站線路電壓的關(guān)系。根據(jù)圖5的等效電路，有

式中：ULxin(0-)為故障起始時(shí)的Xingu站初始電壓，正送時(shí)一般為800kV；ULrio(0-)為故障起始時(shí)的Rio站初始電壓，由于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行存在線路壓降，正送時(shí)一般為758kV左右；ε(t)為階躍信號(hào)。對(duì)上述微分方程進(jìn)行拉普拉斯變換后，可得

經(jīng)過運(yùn)算后，可得出Xingu線路電壓為

其中，δ、ω、φ的定義為

代入線路參數(shù)及初始電壓，可得Xingu站線路電壓為

根據(jù)式（10），可以得出極1非故障極計(jì)算波形如圖6所示?？梢钥闯龀跏茧A段0.2ms內(nèi)的電壓、電流變化趨勢(shì)與實(shí)際的RTDS波形基本一致，說(shuō)明極1電壓突變確實(shí)是由互感引起的。

圖6 極1非故障極計(jì)算波形

3 直流線路突變量保護(hù)及優(yōu)化

對(duì)于由互感影響引起的非故障極直流電壓突變，控制系統(tǒng)來(lái)不及反應(yīng)，所以優(yōu)化的方向應(yīng)是防止保護(hù)誤動(dòng)[16-20]。對(duì)于故障極來(lái)說(shuō)，由于接地故障一直存在，此時(shí)線路電壓會(huì)一直很低；而對(duì)于非故障極來(lái)說(shuō)，在互感影響消失后，此時(shí)電壓會(huì)恢復(fù)到一個(gè)較高的水平，但根據(jù)實(shí)際的RTDS波形，恢復(fù)過程不是完全平滑上升的，上升過程還伴隨著電壓的抖動(dòng)，所以若通過延時(shí)來(lái)躲過互感影響這一過程，需要很長(zhǎng)的延時(shí)，不能滿足突變量保護(hù)快速性的要求。因而為了兼顧快速性與可靠性，利用故障極和非故障極的差異，對(duì)突變量保護(hù)做如下優(yōu)化：適當(dāng)加長(zhǎng)保護(hù)延時(shí)，以躲過互感影響，一旦在保護(hù)延時(shí)時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到電壓升高，就馬上閉鎖突變量保護(hù)一段時(shí)間，防止其誤動(dòng)。改進(jìn)后的突變量保護(hù)優(yōu)化策略如圖7所示，圖7中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的功能表示一旦輸入從0到1，輸出馬上變1并保持設(shè)定的時(shí)間T，之后輸出變?yōu)榱?，直到輸入再一次?變?yōu)?。

圖7 突變量保護(hù)優(yōu)化策略

在保護(hù)延時(shí)時(shí)間段T2（2～5ms左右）內(nèi)，如果在檢測(cè)到線路電壓低后的T3（1～5ms左右）時(shí)間段內(nèi)，又檢測(cè)到電壓升高，那么此時(shí)封鎖突變量保護(hù)T4（10～50ms左右）的時(shí)間。相比于常規(guī)只加長(zhǎng)延時(shí)來(lái)躲過電壓跌落過程的方法，本改進(jìn)方式動(dòng)作時(shí)間更短，保護(hù)定值也不需要做大量改動(dòng)，兼顧了保護(hù)的快速性及可靠性，因而更有優(yōu)越性。

為了驗(yàn)證上述策略的有效性，在RTDS系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)條件為雙極正送滿功率4 000MW，靠逆變站Rio站故障，這是因?yàn)榭烤€路末端故障時(shí)，互感影響的是整條線路，因而更具代表性。

試驗(yàn)波形如圖8和圖9所示，其中UDL表示直流電壓，IDL表示直流電流，DUDT_TRIP表示突變量保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，DUDT_BLK表示閉鎖突變量保護(hù)信號(hào)，使其不動(dòng)作?？梢钥闯觯诩尤刖€路突變量保護(hù)的改進(jìn)策略后，線路突變量保護(hù)準(zhǔn)確識(shí)別了互感影響，非故障極極1可靠不動(dòng)作，而故障極極2仍可以準(zhǔn)確動(dòng)作，證明了所提的改進(jìn)策略確實(shí)是有效的。

圖8 Xingu站極1非故障極波形

圖9 Xingu站極2故障極波形

由于美麗山特高壓直流工程是單閥組的特高壓，為了驗(yàn)證對(duì)于雙閥組特高壓也有類似的優(yōu)化作用，在RTDS平臺(tái)上對(duì)國(guó)內(nèi)某雙閥組特高壓也做了 類似仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)波形如圖10所示，線路故障前極1電壓400kV，極2電壓800kV，電流都為5 000A，故障點(diǎn)位于極2靠逆變側(cè)。圖10中UDL_OP表示對(duì)極（極2）電壓，可以看出，在加入線路突變量保護(hù)的改進(jìn)策略后，線路突變量保護(hù)準(zhǔn)確識(shí)別了互感影響，非故障極極1可靠不動(dòng)作，證明了所提的改進(jìn)策略對(duì)于雙閥組特高壓直流也是有效的。

圖10 整流站極1非故障極波形

4 結(jié)論

本文針對(duì)美麗山直流RTDS中發(fā)現(xiàn)的突變量保護(hù)誤動(dòng)問題，首先介紹了線路突變量保護(hù)的一般性原理，然后詳細(xì)研究了互感引起突變量保護(hù)誤動(dòng)的機(jī)理，給出了一種突變量保護(hù)的優(yōu)化策略，并通過RTDS證明了所提策略的有效性。本文所提的改進(jìn)策略，對(duì)其他已建的和在建的特高壓直流都有一定的參考意義。