特高压直流线路保护研究现状分析 郭建华

特高压直流线路保护研究现状分析郭建华

发表时间：2018-12-03T15:13:18.320Z 来源：《河南电力》2018年12期作者：郭建华1 赵宇亭2 李平伟2 寇大鹏2 齐建伟2

[导读] 文中总结对直流线路的行波保护、微分欠压保护、纵联电流差动保护等国内外研究现状进行综合分析，以整理研究思路，为进一步的保护原理研究和工程实现技术提出建议。

（1.国网辽宁省电力有限公司检修分公司辽宁沈阳 110000；

2.国网山西省电力有限公司检修分公司山西太原 030032）

摘要：与常规高压直流系统相比，特高压直流输电系统结构更复杂，运行方式更为多样，对控制和保护的要求也更高。据数据统计，目前运行中的特高压直流输电工程继电保护的可靠性明显偏低，其中以直流线路的故障率为最高。文中总结对直流线路的行波保护、微分欠压保护、纵联电流差动保护等国内外研究现状进行综合分析，以整理研究思路，为进一步的保护原理研究和工程实现技术提出建议。

关键词：特高压直流线路；行波保护；微分欠压保护；纵联电流差动保护

1特高压直流输电的优势

第一，直流输电系统不存在稳定问题，可以实现电网非同期互联在交流电力系统中所有的同步发电机必需保持同步运行。交流输电在一定的输电电压下，容许其输电距离和功率受到网络参数和结构的限制，但必需采取措施提高稳定性，增加了投资费用。而直流输电系统是连接两个交流系统，由于直流输电线路不存在电抗，没有上述交流存在的稳定问题。因此直流输电的输送距离和容量不受同步运行稳定性的限制，还可以连接两个频率不同系统，实现非同期电网互联，极大提高了系统稳定性。第二，可以限制短路电流如果采用交流输电技术连接两个交流系统，增大了短路容量，这样就可能需要更换断路器或者增设限流装置来提高整个网络安全性。然而采用直流输电线路连接两个交流系统，直流系统的定电流控制将快速把电流限制在额定功率附近，短路容量将不因为互联而增大。第三，功率翻转（改变功率的流动方向）直流输电在正常运行时保证稳定输出，在发生事故情况下，可以紧急支援故障系统，也可以抑制次同步震荡和阻尼震荡。在与交流线路并列运行时，如果交流输电线路发生短路故障，直流输送的功率可短暂增大以降低系统发电机转子加速，提高系统的可靠性。第四，不存在电容电流当直流线路稳态运行时没有电容电流，沿线的电压分布平稳，无空载或轻载时交流长线中部及受端电压发生异常升高的现象，不需要并联电抗器补偿电压。第五，可以节约输电线路的走廊按相同500kV电压考虑，一条交流输电线路走廊约为50米，一条直流输电线路走廊约为40米，而前者容量为后者的两倍，即交流传输效率约为直流的一半。

2特高压直流线路关键保护分析

经过几十年研究，利用换流技术的直流输电线路先后在换流阀、控制特性和系统结构等方而都有了显著的进展。目前形成的输电格局包括半控型器件晶闸管的电流源换流器直流输电技术，主要用于远距离、大容量电能传输；全控型器件包括门极可关断晶体管和绝缘栅双极型晶体管的电压源换流器直流输电技术，可用于受端弱系统和分布式电源接入电网等。经过多年研究，直流输电线路的网架结构已从传统两端系统发展为多段系统，还引进了储能设备等；直流输电线路也逐渐从海底电缆发展为电缆和架空输电线路并存；影响直流输电线路的指标如输送功率、距离、电压等级以及可控性等均在逐渐提高，对保护配置的性能要求也越来越高。

2.1行波保护

2.1.1电压行波保护

直流输电线路电压行波保护以输电线路电压变化率、线路电压变化量判据以及线路电流变化量判据作为主要判据，对故障行波到达线路末端时引起的末端电气量的剧烈变化进行检测与判别，以快速反应线路故障，实现对输电线路的可靠保护，直流线路电压行波变化本身不设置延时，行波保护动作后将启动直流线路故障恢复顺序，同时发出声光报警并进行事故记录及故障录波。对永久性故障，启动直流系统紧急停运。

2.1.2极波行波保护

当直流线路上发生对地短路故障时，会从故障点向线路两端传播故障行波，直流系统两端的换流站保护装置通过检测极波的变化即可检测直流线路上是否发生故障，其可以构成直流线路快速保护；另外，当线路发生故障时两个接地极母线会吸收电容器上的电荷然后分别产生一个较大的冲击电流，根据两极直流电压的变化以及产生的冲击电流构成地模波，利用地模波的极性来判断故障极。极波行波保护动作后，同样启动直流线路故障恢复顺序并进行相应的故障录波。一旦高压直流输电线路发生故障，则会发生反行波，要想确保电力系统运行稳定，则必须要进行行波保护工作，作为直流输电线路的主保护。

2.2微分欠压保护

微分欠压保护，也叫电压突变量保护，是直流输电线路行波保护的后备保护。微分欠压保护作为行波保护的后备保护，保护只在整流侧投入。微分欠压动作后，出口信号同样会启动线路故障恢复顺序，启动事故音响报警，启动事件记录以及故障录波装置。对永久性故障，启动直流系统紧急停运。此方法具有微分和欠压两种保护判据以及一段时间延迟设置，实现对故障的判别以保护直流线路。微分判据即检测线路电压变化率，与行波保护中的电压变化率计算方法及定值相同。当直流线路发生故障时，直流线路电压以较高速率降低到一个较低值，微分检测环节快速动作：为使微分检测更完善，同时要检测直流欠电压水平以躲开运行过程中扰动的影响。较高的微分整定值和较低的欠电压水平，再配以适当延时以防止暂态电压波动下的保护误动。微分欠压保护主要依靠检测电压微分数值和电压幅值水平。微分欠压保护的电压微分整定值与行波保护整定值是相同的，但其电压变化率的上升沿延时约为20ms（行波保护约为6ms），因此，微分欠压保护在行波保护退出运行时，可以作为整个保护系统的后备保护，但这种保护方法耐过渡电阻能力十分有限，当线路长度超过1000km时，其耐电阻能力将低于7欧姆。微分欠压保护的动作速度比行波保护略慢，灵敏度和可靠性比行波保护高，但仍然存在耐过渡电阻能力差、灵敏度低、整定缺乏依据需要通过仿真试验整定等问题。

2.3纵联电流差动保护

直流输电线路纵差保护，作为行波保护和微分欠压保护的后备保护，其目的是检测直流线路上的行波和微分欠压保护不能检测到的高阻接地故障。直流输电线路纵差保护动作后，其出口逻辑与行波保护及微分欠压保护一致。直流线路纵差保护的工作原理就是检测并比较同极线路在整流侧以及逆变侧的电流（对测量电流可能出现的时延进行适当的补偿），当两者的差值的绝对值达到整定值之后，保护延迟时间发出动作信号。同时，当线路电流产生波动时，保护会闭锁一定时间以消除对纵差保护的干扰。在进行参数整定时，电流差值的整定