高压直流输电线路故障定位

第40卷第5期电力系统保护与控制Vol.40 No.5 2012年3月1日Power System Protection and Control Mar. 1, 2012 高压直流输电线路故障定位研究综述

宋国兵，蔡新雷，高淑萍，张健康，李德坤，索南加乐

(西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049)

摘要：综述了国内外开展的直流线路故障定位的研究背景和现状。首先分析了现有直流输电线路故障定位技术的不足，指出了目前工程应用中的直流输电线路故障定位装置只采用行波原理，存在原理单一、对采样率要求高、耐过渡电阻能力差等问题。借鉴交流输电线路故障定位原理的划分方法，对直流输电线路故障定位原理进行了归类研究。将直流输电线路故障定位方法分为行波法和故障分析法，并分别分析和研究了行波法和故障分析法的优缺点，指出故障分析法在直流输电线路故障定位中的广阔应用前景。最后给出了直流输电线路故障定位研究的几点建议与设想。

关键词：直流输电线路；故障定位；行波法；故障分析法

Survey of fault location research for HVDC transmission lines

SONG Guo-bing, CAI Xin-lei, GAO Shu-ping, ZHANG Jian-kang, LI De-kun, SUONAN Jia-le

(School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Abstract: The HVDC line fault location methods at home and abroad are surveyed in this paper. Firstly, the disadvantage of the existing fault location techniques of HVDC transmission line is analyzed, and it is point out that the engineering applications of fault location of HVDC transmission line are based on traveling wave principle at present. The fault location principle is relatively simple, requiring high sampling rate, and its tolerance ability of high resistance is not sufficient. Making use of the dividing method of fault location principle of AC transmission line, the fault location principle of HVDC transmission line is classified and studied. The HVDC transmission line fault location methods are divided into traveling wave method and fault analysis method. Furthermore, the advantages and disadvantages of each fault location principles of HVDC transmission line are reviewed respectively and it is pointed out that fault analysis method has broad application prospects. Finally, several important problems which need to be further studied are proposed.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51177128 and No. 51037005).

Key words: HVDC transmission line; fault location; traveling wave method; fault analysis method

中图分类号： TM77 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2012)05-0133-05

0 引言

与交流输电相比，直流输电具有输送容量大、送电距离远、电网互联方便、功率调节容易、线路走廊窄等诸多优点，因此在远距离电能传输、非同步电网互联、分布式能源接入电网、海岛供电以及大城市中心区域电缆供电等领域具有明显优势[1-10]。

我国幅员辽阔、能源与负荷呈逆向分布，决定了高压直流输电技术在我国具有广阔的应用前景[11]。在舟山直流输电项目之后，先后建设了葛南

基金项目：国家自然科学基金项目(51177128，51037005)等直流输电工程，以及灵宝等直流背靠背联网工程。目前，在建和规划中的直流输电工程数量已渐渐可以和交流输电工程相比拟，已投运直流工程占世界直流输电容量的20%以上，我国已经成为直流输电大国[12]。

直流输电线路是直流系统故障率最高的元件，运行数据也显示我国直流输电可靠性指标偏低[13]。直流线路故障一般是遭受雷击、污秽或树枝等环境因素所造成线路绝缘水平降低而产生的对地故障和闪络。直流输电线路距离长，要跨越不同地形和气候区域，工作条件恶劣，故障概率高，故障巡线难度大，严重影响永久性故障的恢复时间。随着继电

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保护技术的发展，直流线路故障切除的时间将大大缩短，这使得线路损伤较小，只是造成局部绝缘缺陷而无明显的破坏痕迹，故障点的查找困难[1]。因此，准确可靠的故障定位技术，对于减少巡线工作量、加快故障修复速度、减小停电损失，保障电力系统的安全运行，提高系统的经济性和可靠性具有重要意义。直流输电线路故障定位技术有待大力发展和研究。

1 直流输电线路故障定位研究现状

直流输电线路与交流输电线路物理本质相同，只是能量集中频带不同。这使得交流线路的部分故障定位原理也可用于直流输电线路。然而，目前交流输电线路故障定位原理众多，而直流输电线路故障定位原理单一。目前运行中的直流输电线故障定位装置均采用行波原理。实际上，直流线路也可构造多种原理的故障定位方法，以提高故障定位的可靠性。

故障定位分为行波法和故障分析法[1]。行波法分为A、B、C、D、E和F型。其中A、C、E、F 型为单端原理，而B、D型为双端原理。故障分析法按照电气量来源可分为单端和双端；按照输电线路模型分为集中参数模型和分布参数模型；按照电气量形式可以分为频域法和时域法[14-16]。

直流线路的故障定位与交流线路又有所不同，使得交流线路故障定位原理只有部分适用于直流线路。主要表现在：直流线路一般较长，具有明显的分布参数特性，因此应采用分布参数模型以保证故障定位精度。直流线路主要传输低频能量，线路故障后无稳定的工频量，基于工频量的频域法故障定位原理不再适用于直流线路。

综上所述，直流输电线路与交流输电线路物理本质并无区别；直流线路故障定位应采用分布参数模型；直流线路故障定位不能采用基于工频量的频域法，一般应在时域中进行。具体可采用的方法有：利用单端和两端量的行波法；基于分布参数模型的单端和两端量的故障分析法。

下面对直流输电线路故障定位研究现状进行分析。

1.1直流输电线路行波故障定位

行波故障定位最早用于交流线路[1]。早期行波法故障定位诞生于20世纪40年代末，由于暂态行波的传播速度比较稳定(接近光速)，检测故障线路上暂态行波在母线与故障点之间的传播时间可以测量故障距离。行波法测距的可靠性和精度在理论上不受线路类型、故障电阻及两侧系统的影响。交流线路行波故障定位存在一些问题：故障行波产生的不确定性(有些故障初相角下没有行波产生)、线路两端非线性组件的动态延时、故障点反射波与对端母线反射波的识别、行波信号的提取、故障初始行波及反射波到达时刻的标定、超高速的采样频率、参数的频变效应和波速度的确定等[14-16]。

目前，直流线路保护和故障定位均采用行波原理[17-20]。与交流线路行波故障定位相比，直流输电线路行波故障定位有以下优势：1）直流电压不会每周期过零，不受故障初相角的影响，且暂态行波能量丰富，波头更容易识别；2）直流系统母线结构变化小，且母线一般只有一条出线，无需区分故障点传播的行波和各母线的反射波和透射波，因此不会受其他线路影响。

基于以上优点，在直流工程中长期以来人们已经接受行波故障定位作为直流输电线路故障定位的唯一方法。目前，运行中的直流输电线故障定位装置均采用行波原理。如西门子、ABB、中科院行波测距装置等。目前应用的直流输电线路行波故障测距基本原理分为A、D两种型式[1]，其中A型为单端原理，D型为双端原理。目前，在实际应用中往往将D型原理作为主要测距原理，而将A型原理作为辅助测距原理。

早在1985年文献[21]就提出利用连续两个反射波头之间的时间差进行单端电气量的直流输电线路故障定位，在能够区分对端反射波和故障点反射波的情况下，该方法具有较高的定位精度。1993年文献[22]给出了一种借助于GPS同步时钟、利用两端电气量的行波故障定位方法，在两侧系统都能够启动的情况下该方法具有较高的可靠性。文献[23]将单端行波定位法与双端行波定位法结合，给出了综合故障定位方法，以提高故障定位的可靠性。文献[24-25]研制了单端、双端行波故障定位系统，并用于直流输电线路，现场运行经验表明，行波用于直流输电线路测距误差一般不超过3 km。文献[25]还指出由于直流线路边界以及行波传播畸变的影响，单端行波测距原理难以自动给出正确的故障测距结果。而双端行波测距原理不受这些因素的影响，可以给出正确的故障测距结果。在实际应用中，应将双端原理作为一种主要测距原理，而将单端原理作为一种辅助测距原理。

由于小波变换具有良好的表征局部信号的能力，且去噪能力较强，可用于识别行波波头。文献[26-27]研究了基于小波变换的直流输电线路故障定位原理。文献[28-31]根据故障暂态信号的奇异点中包含着信号的信息，利用小波变换的模极大值刻画