基于电压和电流突变量的高压直流输电线路保护原理_邢鲁华

１ 线路保护基本原理
１． １ 基于电压突变量的故障极判别 现有的直流输电系统大多为双极系统 。 由于两 极线路同杆并架 ， 线路间的电磁耦合使得一极线路 电 流 量。 根 故障时健全极线 路 也 将 产 生 暂 态 电 压 、 据叠加原理 ， 直流线路上发生故障时 ， 两极线路的电 压突变量有如下关系 ：
在功 率 反 送 、 单极金属回线运行方式和一极停 电检修等情况下 ， 上述线路两端电流突变量极性关 系依然成立 。 设Δ ｉ ｉ Ｒ ２和 Δ Ｉ ２ 分别为极 ２ 线路两端 Ｒ 和Ｉ 处测 得的电 流 突 变 量 ， 参考正方向分别与 Δ ｉ ｉ Ｒ １和 Δ Ｉ １相 同（ ｕ ｕ ｕ ｕ Δ Ｒ ２和 Δ Ｉ ２ 的参考正方向分别与 Δ Ｒ １和 Δ Ｉ １相 。 上述结论对极 ２ 同样适用 。 同） 直流输电线路发生区 内 故 障 时 ， 故障线路 Ｒ 和 发生区外故障 Ｉ 处测得的 电 流 突 变 量 的 极 性 相 反 ， 时， 两者极性相同 。 因此 ， 可通过比较故障极线路两 端电流突 变 量 的 极 性 区 分 线 路 保 护 区 内 、 外 故 障。 平稳小波变 换 （ 适用于信号降噪和模极大值 ＳＷＴ） １ ０］ ， 分析 ［ 可利用 ＳＷＴ 提 取 电 流 突 变 量 的 小 波 模 极 大值 （ 并降噪 ， 得 到 的 ＷＭＭ 的 极 性 可 反 映 ＷＭＭ） 电流 突 变 量 的 变 化 特 征 。 若 Δ ｉ ｉ Ｒ １与 Δ Ｉ １ 的 ＷＭＭ 的极性相反 ， 则为直流线路保护区内故障 ， 否则为区 外故障 。
］ １ ２ １ ６ － 。 考虑了直流工作电压的影响 ［
图 １ 直流线路故障附加电路 Ｆ ｉ ． １ Ｓ ｕ ｅ ｒ ｉ ｍ ｏ ｓ ｅ ｄ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｄ Ｃ ｌ ｉ ｎ ｅ ｆ ａ ｕ ｌ ｔ ｇ ｐ ｐ
由图 １ 可见 ： （ ） ｕ ｉ Ｚ ３ Δ １ ＝－ Δ Ｒ １（ ｓ Ｒ ＋Ｚ ｌ Ｒ） （ ） （ ） ｕ ｉ ４ Δ １ ＝Δ Ｉ １ Ｚ ｓ Ｉ ＋Ｚ ｌ Ｉ 可认为 Ｚ 通 Ｚ Ｚ ｓ Ｒ＋ ｌ Ｒ 与Ｚ ｓ Ｉ＋ ｌ Ｉ 的相角近似相等 ， ） 过式 （ 与式 （ 的 对 比 可 知， 极１线路发生线路保 ３ ４） 护区内故障时 ， ｉ ｉ Δ Ｒ １与 Δ Ｉ １ 极性相反 。 对于极 １ 线路 Ｒ 处 保 护 区 外 故 障 ， 相应的故障 附加分量网络如图 ２ 所示 。 其中 Ｚ Ｚ Ｚ ｌ＝ ｌ Ｒ＋ ｌ Ｉ 。
邢鲁华 ，陈 青 ，付兆远 ，高湛军 ，于春光
（ ） 山东大学电气工程学院 ，山东省济南市 ２ ５ ０ ０ ６ １
摘要 ：在对高压直流输电线 路 区 内 、 外故障和雷击等暂态过程研究 的 基 础 上， 提出了一种基于电 电流突变量变化特征的高压直流输电线路主保护原理 。 该 原 理 对 两 极 线 路 同 侧 保 护 安 装 处 测 压、 得的电压突变量幅值的比值设定阈值 ， 选出故障极 ； 利用故障线路两端电流突变量的极性在线路保 ／ 在区外故障时相同 ， 区分线路上保护区内和区外故 障 。Ｐ 护区内故障时相异 、 Ｓ Ｃ Ａ Ｄ ＥＭＴ Ｄ Ｃ 软件 对实际高压直流输电系统的仿真结果表明 ， 该保护原理在双极两 端 中 性 点 接 地 方 式 下 能 够 快 速 判 别故障极和区分线路上保护区内 、 外故障 ， 可靠排除雷击干扰 ， 在故障性雷击和高阻抗接地时准确 动作 ， 并适用于一极降压和一极 全 压 运 行 、 功 率 反 送、 一极停电检修及单极金属回线运行方式等。 采样频率在 １ ０～１ ０ ０ｋ Ｈ ｚ范围内时可满足保护判据计算要求 。 关键词 ：线路保护 ；高压直流输电 ；电压突变量 ；电流突变量 ；雷击 ；小波变换
｛
ｕ ｜ Δ ｜ ２ （ ） Ｍ（ ＝ ２ ω） ｕ ｜ Δ１ ｜ 的大小 反 映 了 两 极 线 路 故 障 点 处 电 压 突 Ｍ（ ω） 是 频 率 相 关 函 数。 极 １ 线 路 故 障 变量幅值的比值 ， ［ １ ］ ， 时， 实际系统参数计算表明 Ｍ （ 健 ． ５＜ １８－１ ω） ＜０ 全极电压突变量幅值小于故障极 。 双极 系 统 的 仿 真 表 明 ， 在直流线路上发生故障 ， 时 健全极线路两端 保 护 测 量 处 测 得 的 电 压 突 变 量 幅值小于故障极同侧保护测量处测得的电压突变量 幅值 ， 与以 上 故 障 点 处 电 压 突 变 量 幅 值 特 征 相 同 。 由于双极直流系统 两 极 结 构 一 般 相 同 ， 当故障点不
；修回日期 wenku.baidu.com 。 收稿日期 ： ２ ０ １ １ ０ ４ ２ ２ ２ ０ １ １ １ １ １ １ － － － － ） 。 国家电网公司科技项目 （ ５ ２ ５ ０ ９ ０ ９
得的电压 、 电流突变量的暂态特征进行研究 ， 提出基 于电压 、 电流突变量 变 化 特 征 的 高 压 直 流 输 电 线 路 主保护原理 。
０ 引言
目前 已 经 投 入 运 行 的 直 流 输 电 工 程 中 ， 直流线 路保护系统的保护 原 理 主 要 有 行 波 保 护 、 低电压保 换相失败等暂 护和差动保护 。 行 波 保 护 易 受 雷 电 、 态 过 程 的 干 扰， 在线路高阻抗接地时灵敏度不 ［ ］ １ ６ － 。 低电压保护 在 线 路 内 部 发 生 高 阻 抗 接 地 故 足 ］ ７ ８ － 。 电流差动保护很容易 障时可能拒动 ， 可靠性低 ［ 受故障暂态过程和 负 荷 调 整 过 程 的 影 响 ， 不能实现 速动 ； 另外 ， 直流线路差动保护的可靠性受通信通道 ９］ 。 因此 ， 需要研究具有可靠选择性和在高 的影响 ［ 阻抗接地 时 能 准 确 动 作 的 高 压 直 流 输 电 线 路 保 护 原理 。 ］ 文献 ［ 提出了单极直流系统的线路主保护原 １ ０ 理， 结合行波保护原理和边界保护原理 ， 达到故障定 位和区分区内 、 外故障的目的 。 仿真表明 ， 该混合保 护原理在 雷 击 干 扰 和 高 阻 抗 接 地 时 能 准 确 判 断 故 障， 但该保护原理需 要 识 别 ２ 个 行 波 波 头 并 进 行 降 采 样 频 率 高、 计 算 量 大、 对 硬 件 要 求 较 高。 噪处 理 ， ］ 文献 ［ 提出利用线路两端电压 、 电流突变量的乘积 ４ （ 即暂态能量 ） 的正负极性判别区内 、 外故障 ； 利用两 极暂态能量的幅值大小选定故障极 。 考虑 到 现 有 直 流 系 统 大 多 为 双 极 系 统 ， 本文利 ／ 用Ｐ Ｓ Ｃ Ａ Ｄ ＥＭＴ Ｄ Ｃ 软 件 建 立 中 国 银 东 ±６ ６ ０ｋ Ｖ 直流输电系统仿真模型 ； 对高压直流输电线路区内 、 外故障和雷击等暂态过程中两极线路保护安装处测
２ 故障性雷击及雷击干扰下动作特征分析
为了研究故障性雷击和雷击干扰情况下两极线 路电压突变量幅值比值和线路两端电流突变量的极 本文采用实 际 系 统 的 仿 真 模 型 进 行 了 仿 真 性特征 ， 计算 。 直流线路雷击暂态仿真的建模方法如下 。 ） ／ 为简化防雷 计 算 ， 采用２ １ ． ６μ ｓ ５ ０μ ｓ的 等 值 斜角波表示雷电流 ， 通过受控电流源与等值波阻抗 的并联电路实现雷电流源 。 ） 由于 ７ 故 ２ ５％ ～９ ０％ 的雷 电 流 都 是 负 极 性 的 ， 采用负极性雷电流 。 雷 电 通 道 波 阻 抗 Ｚ ０ 的数值取 为３ ０ ０ Ω。 ） 采用多波阻抗模型表示杆塔 。 ３ ） 绝缘子串闪络模型通过压控开关及其并联电 ４ 容实现 。 ） 在判断绝缘 子 串 是 否 闪 络 时 ， 按照物理过程 ５ 采用 ２ 种 判 据 ： 若 绝 缘 子 串 上 的 电 压 与 伏—秒 特 性 曲线相交 ， 即 判 为 闪 络； 若绝缘子串上的电压不与 伏 — 秒特性曲 线 相 交 ， 但超过绝缘子串放电电压的 也判为闪络 。 其中 ， ５ ０％ 时 ， ５ ０％ 放电电压的取值是
图 ２ 整流侧直流母线故障附加电路 Ｆ ｉ ． ２ Ｓ ｕ ｅ ｒ ｉ ｍ ｏ ｓ ｅ ｄ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｏ ｆ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ｓ ｉ ｄ ｅ ｂ ｕ ｓ ｆ ａ ｕ ｌ ｔ ｇ ｐ ｐ
、 选取极 １ 线 路 上 距 离 整 流 侧 ０ ． ５ｋ ｍ 处（ ＬＲ ） 线路中点 （ 和距离逆 变 侧 ０ ＬＭ ） ． ５ｋ ｍ 处（ Ｌ ３处杆 Ｉ） 塔位 置 （ 如 图 ３ 所 示） 为 例， 进行雷击暂态过程的 仿真 。
第３ ６ 卷 第 ９ 期 ２ ０ １ ２年５月１ ０日
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ６ Ｎ ｏ ． ９ Ｍ ａ １ ０， ２ ０ １ ２ ｙ
： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ １ ０ ２ ６． ２ ０ １ ２． ０ ９． ０ １ １ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ ０ － ｊ
基于电压和电流突变量的高压直流输电线路保护原理
由图 ２ 可知 ， 忽略线路对地电容的分流 ， 可认为 ， 。 那么 与 极性相同 对于 处的 ｉ ＝ ｉ ｉ ｉ Ｉ Δ Δ Δ Δ Ｒ １ Ｉ １ Ｒ １ Ｉ １ 保护区外故障 ， 也可近 似 认 为 Δ 那么 Δ ｉ ｉ ｉ Ｒ １ ＝Δ Ｉ １， Ｒ １ 。 与Δ 极性也相同 ｉ Ｉ １ — ６ ２ —
· 学术研究 · 邢鲁华 ， 等 基于电压和电流突变量的高压直流输电线路保护原理
， 秒） 行波到达保护安 装 处 １ ． ５ｍ ｓ后 扰 动 过 程 已 经 结 束 ，特 提 取 行 波 到 达 保 护 安 装 处 后 ｜ ｕ Δ ｜， Ｒ １
ｕ ｕ ｕ ｜ Δ ｜， ｜ Δ ｜和｜ Δ ｜的最大值 。 Ｉ １ Ｒ ２ Ｉ ２ 。保护 电压和电流突变量的计算间距为 １ ０ｍ ｓ
— ６ １ —
（ ） ２ ０ １ ２， ３ ６ ９
在直流线路上 （ 如发 生 交 流 侧 接 地 故 障 ） 时， 大量仿 真计算表明 ， 两极线 路 同 侧 保 护 测 量 处 测 得 的 电 压 突变量的幅值基本相同 。 、 设Δ 极２线路 ｕ ｕ ｕ ｕ Δ Δ Δ Ｒ １， Ｒ ２， Ｉ １， Ｉ ２分 别 为 极 １ 整流侧和逆变侧保 护 装 置 和 测 量 装 置 安 装 处 （ 分别 测 得 的 电 压 突 变 量。 当 幅 值 比 值 记为 Ｒ 和 Ｉ） ／ ／ ｕ ｕ ｕ ｕ ｜ Δ Δ ｜和｜ Δ Δ ｜均 大 于 所 设 阈 值 时 可 以 Ｒ １ Ｒ ２ Ｉ １ Ｉ ２ 判定为极 １ 故障 ， 否则判为非极 １ 故障 。 同理 ， 可根 ／ ／ 据幅值比值｜ 和 是否大于所 ｕ ｕ ｕ ｕ Δ Ｒ２ Δ Ｒ１｜ ｜ ΔＩ ｜ ２ Δ Ｉ １ 设阈值判断极 ２ 是否发生故障 。 此阈值的取值应结 合实际系统故障情况下两极电压突变量幅值的比值 并以该系统的 Ｍ （ 最大值的倒数作为参考 。 范围 ， ω） １． ２ 基于电流突变量极性的区内故障判别 以极 １ 为例 ， 当极 １ 线路发生保护区内故障时 ， 其故障分量附 加 网 络 如 图 １ 所 示 。 图 中 ： ｕ Δ １ 为故 障附加电压源 ； 和 分别为极 线路 ｉ ｉ １ Ｒ 处和Ｉ Δ Δ Ｒ １ Ｉ １ 处测得的电流突 变 量 ； Ｚ ｓ Ｒ 和Ｚ ｓ Ｉ分 别 为 整 流 侧 和 逆 ； 变侧交流系统 等 值 阻 抗 Ｚ ｌ Ｒ 和Ｚ ｌ Ｉ 分 别 为 整 流 站 和 逆变站至故障点的线路阻抗 。
ｕ ｉ ｉ Δ Δ １ ＝Ｚ ｓ １ ＋Ｚ ｍΔ ２ （ ） １ ｕ ｉ ｉ Δ Δ ２ ＝Ｚ ｍΔ １ ＋Ｚ ｓ ２ 、 式中 ： 极２线路故障点处电 ｕ ｕ Δ １ 和Δ ２ 分别为极 １ 、 极２线路故障点 压突变 量 ； ｉ ｉ Δ １ 和 Δ ２ 分别为极１ ； 处电流突变量 ； 为导 线 自 阻 抗 Ｚ Ｚｍ 为 两 导 线 间 的 ｓ 互阻抗 。 定义函数 Ｍ （ 如下 ： ω）