超高压直流输电线路保护资料

电力系统前沿知识讲座

课题名称：超高压直流输电线路保护的探讨学校名称：昆明理工大学城市学院

专业：电气工程及其自动化

班级：电气1012

姓名：万明贵

学号：2010118508233

指导教师：赵四洪

超高压直流输电线路保护的探讨

摘要

对高压直流输电线路的故障我处及其线路保护进行了分析与探讨，针对直流线路故障的特点，对各种保护原理进行了简要分析，认为行波保护作为HVDC系统线路保护的主保护符合高压直流输电线路故障特征并具有绝对的优越性，为高压直流输电线路行波保护的分析与研究提供了理论基础。

高压直流输电近年来在世界上得到了讯速的发展，到目前为止，总容量达50GW左右。其中，在我国相继建成了100KV舟山海底电缆送电工程、500KV 葛上直流输电工程、500KV天广直流输电工程，以及正在建设的三峡直流输电工程。因此，如何提高直流线路运行的安全性与可靠性已成为迫切需要解决的问题，而高压直流线路保护则是直流线路安全稳定运行的基本保障，因此，有必要对直流线路保护的主保护-行波保护的原理与保护方案进行进一步的研究与改进。

关键词：高压直流输电；线路保护；行波保护

1 HVDC系统故障特征及其线路保护

1.1 高压直流输电技术的优越性及其应用

现代直流输电技术普遍采取交流－直流－交流的换流方式，高压直流输电技术之所以得到如此蓬勃的发展，是因为它和交流输电相比，具有明显的优越性：（1）同样截面的导线能输送更大的功率，并且有功损耗更小；

（2）直流输电能迅速精确地实现多目标控制，以提高电能质量和供电可

靠性；

（3）流只有正负两极，输电线路结构简单，而且当输电距离大于交直流

输电等价距离时直流线路更节省投资；

（4）每根导线都可以作为一个独立回路运行，并且可以采用大地或海水

作回路；

（5）直流线路在稳态运行时没有电容电流，沿线电压分布比较平衡，并

且没有集肤效应；

（6）电缆线路可以在较高的电位梯度下运行；

（7）直流输电的两端交流系统之间有存在同步运行稳定问题；

（8）可以联络两个不同频率的交流系统，联络线上的功率易于控制。

目前，高压直流输电技术在远距离大容量输电、海底电缆输电、两个交流系统的互联、大城市地下输电、减小短路容量、配合新能源输电等方面都得到了广泛的应用。

1.2 直流线路故障过程

直流架空线路发生故障时，从故障电流的特征而论，短路故障的过程可以分为行波、暂态和稳态三个阶段。

1）初始行波阶段

故障后，线路电容通过线路阻抗放电，沿线路的电场和磁场所储存的能量相互转化形成故障电流行波和相应的电压行波。其中电流行波幅值取决于线路波阻抗和故障前瞬间故障点的直流电压值。线路对地故障点弧道电流为两侧流向故障点的行波电流之和，此电流在行波第一次反射或折射之前，不受两端换流站控制系统的控制。

为了研究行波对直流线路故障的影响，首先我们对行波传播理论进行研究：在图1中，当一个正弦电压源施加到传输线时，电压会沿线路分布参数等效电路蔓延。然而，由于分布电容和电抗器的存在，电压或电流对这些储能元件不能突然改变，总是有一个充电和放电过程。分布电感将建立磁场和而分布电容将建立电场。在导线周围的空间，电场和磁场的能量是相同。“电压行波和电流行波的传播过程实际就是电磁场的能量传输过程。

电压和电流行波之间的关系以及输电线路的参数，均可用波动方程表示：

u

i L x t i u C x t

∂∂-

=∂∂∂∂-=∂∂ （1）

上式又可写成

220022220022

u

i L C x t i

u L C x

t ∂∂=∂∂∂∂=∂∂ （2）

图1 分布式参数等值电路及单行波传输

在方程（1）和（2）， L0是每线长度的电抗，单位的H /公里， C0是每单位长度的电容，单位为F /公里; ü我所代表的位置，这是电压和电流

从故障点的x 公里。上述方程的一般解公式（达朗贝尔解）：

1212()()

1[()()]x x u u t u t v v x x i u t u t zc v v

=-++=--+ （3） （3）式中

L C 为波阻抗 1v LC =表示行波传输速度 1x u t v ⎛⎫

- ⎪⎝⎭

表示向前传输的前行波 它的物理意义是随着时间增大，前行波沿正方向远离故障点

1x u t v ⎛⎫

+ ⎪⎝⎭

表示向后传输的后行波 根据指定的故障情况下，一个特殊的解决方案可以得到波动方程。（四）在图2所示，初始行波产生故障的额外电压源。假设故障发生在t0 ，叠加的电压源是：()()1sin k f F e t e wt ϕ=-+（4）

行波故障分析

以简单单相无损耗线路为例，假定故障发生在1F 处，如图2（a ）所示，根据叠加原理，

故障处等同于两个幅值相同而相位相反的电压源串联，该电压源的幅值与短路前的电压幅值是相同的，由此故障后的网络便可分成两个网络的叠加，一个是故障前的正常负荷下的网络（如图2c 所示），另一个是故障附加网络（如图2d 所示）。故障行波便由故障附加网络的电压源产生。

图2叠加理论图解电路

A .负荷行波

电力是以电磁波的形式通过电力系统中传输线路来传输的，假定母线M 的电压和电流分别为u 和i ，则有式

()/2F S u Zi =+ ()/2R S u Zi =-（5a ）

相应的电流行波的式

()/2F S u Zi Z =+ ()/2R S u Zi Z =--（5b ）

其中Z 表示波阻抗，图2（c ）中，故障前正常网络中行波就是负荷行波。 B ．故障行波[]16

A)初始行波

如图2（d ）所示，初始行波由附加电压源产生，假定故障在0t 时刻发生，则故障分量电压源为()()1sin k f F e t e wt ϕ=-+

其中f e 是故障分量电压源幅值,1F ϕ为其相角。 波头可定义为故障电压行波初始值，并用`ftth u 表示

()`01sin ftth f F u e wt ϕ=-+ （7）