高壓直流輸電線路保護(hù)與故障測距原理研究.pdf

1、直流輸電線路保護(hù)和故障測距是直流輸電工程保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著快速檢測和清除線路故障的任務(wù)，其運行性能將直接影響直流輸電系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全運行。統(tǒng)計研究表明直流輸電線路已成為直流輸電系統(tǒng)中故障率最高的元件，而直流輸電線路保護(hù)的正確動作率只有50％。我國直流輸電工程的發(fā)展位于世界前列，但對現(xiàn)有直流輸電線路保護(hù)與故障測距裝置核心技術(shù)的掌握仍然不足，缺乏系統(tǒng)的理論支持，已投運直流輸電工程的保護(hù)系統(tǒng)大多采用ABB和SIEMENS兩家公司的

2、技術(shù)路線。提高我國高壓直流輸電線路保護(hù)與故障測距的理論水平和加快直流保護(hù)系統(tǒng)的自主研發(fā)勢在必行。
　　現(xiàn)已投運的直流輸電線路主保護(hù)易受雷電、換相失敗等暫態(tài)過程的干擾，耐受過渡電阻能力有限，判據(jù)門檻值整定計算復(fù)雜。國內(nèi)外學(xué)者致力于對現(xiàn)有直流輸電線路主保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)或提出新型主保護(hù)原理，其中部分保護(hù)新原理存在理論不完備、保護(hù)判據(jù)所用信號能量小、對裝置采樣率要求高、缺乏整定依據(jù)或整定計算依賴仿真結(jié)果等問題。高壓直流輸電線路故障測距所采用的

3、原理可分為行波法和故障分析法。目前運行中的直流輸電線路故障測距裝置均采用行波原理，行波故障測距的可靠性在高阻接地故障和波頭識別失敗時受限。基于故障分析法的故障測距原理性能穩(wěn)定，故障測距精度一般沒有行波法高，部分原理耐受過渡電阻能力有限。
　　全面深入的高壓直流輸電系統(tǒng)故障暫態(tài)分析可為直流輸電線路保護(hù)與故障測距原理的研究工作奠定基礎(chǔ)。本文研究了高壓直流輸電系統(tǒng)故障暫態(tài)特性分析需要考慮的影響因素，深入分析了相應(yīng)影響機理，給出了仿真案例

4、實現(xiàn)方案，并對直流線路電氣量的暫態(tài)特征進(jìn)行分析;提出了耐受過渡電阻能力強、判據(jù)門檻值整定不依賴于仿真計算的高壓直流輸電線路主保護(hù)原理和可靠性良好、測距精度高、耐受過渡電阻能力強的直流輸電線路雙端行波故障測距新算法。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)高壓直流輸電系統(tǒng)故障暫態(tài)特性研究。
　　現(xiàn)有直流輸電系統(tǒng)故障暫態(tài)分析相關(guān)內(nèi)容大多作為線路保護(hù)與故障測距研究的考慮因素出現(xiàn)在文獻(xiàn)的理論分析和仿真驗證中，受文獻(xiàn)篇幅和考查內(nèi)容所限。本

5、文從直流輸電線路保護(hù)與故障測距角度出發(fā)，開展了較為全面的高壓直流輸電系統(tǒng)故障暫態(tài)特性分析。對直流輸電系統(tǒng)的基本控制原理和控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析了控制系統(tǒng)對故障暫態(tài)的響應(yīng)時間和電氣量的故障穩(wěn)態(tài)值;研究了兩端雙極直流輸電系統(tǒng)多種可能運行方式的運行條件與控制策略，并對不同故障前運行方式下直流線路故障電壓電流的暫態(tài)特征進(jìn)行了對比分析;分析了直流濾波環(huán)節(jié)的阻抗特性及其對故障后暫態(tài)過程的影響，提出在直流輸電線路故障暫態(tài)電壓電流信號的低頻帶

6、特征分析中，可將直流濾波器和平波電抗器視為固定阻抗;分析了故障類型、故障位置和過渡電阻值對直流線路故障電壓電流暫態(tài)特征的影響;研究直流輸電線路的雷電放電計算模型，給出了雷擊暫態(tài)仿真中雷電流源、桿塔模型、絕緣子閃絡(luò)模型和輸電線路模型的仿真建模方法，對故障性雷擊和雷擊干擾下直流線路電壓電流的暫態(tài)特征進(jìn)行了分析;研究了直流輸電系統(tǒng)換相失敗的形成機理、判斷標(biāo)準(zhǔn)和單雙極換相失敗的仿真方法，分析了換相失敗情況下直流線路電壓電流的暫態(tài)特征。以上工作可

7、為后續(xù)高壓直流輸電系統(tǒng)故障暫態(tài)分析研究提供直接有效的參考，為直流輸電線路保護(hù)與故障測距原理研究奠定基礎(chǔ)。
　　(2)考慮故障選極的高壓直流輸電線路保護(hù)原理研究。
　　分析了故障后直流輸電線路電壓突變量的暫態(tài)幅值特征，發(fā)現(xiàn)故障極線路的電壓突變量幅值大于健全極，且電壓突變量的積分值能夠更好地體現(xiàn)這一特征;提出了利用兩極線路電壓突變量積分值的比值構(gòu)造的故障選極判據(jù)，給出了判據(jù)門檻值整定方法;分析了故障后直流輸電線路電流突變量的暫態(tài)

8、極性特征，發(fā)現(xiàn)故障極線路兩端電流突變量的極性在區(qū)內(nèi)故障時相反，在區(qū)外故障時相同;提出了利用故障極線路兩端電流突變量極性構(gòu)造的區(qū)內(nèi)故障判據(jù)，并采用平穩(wěn)小波變換提取電流突變量的極性。由此構(gòu)成的高壓直流輸電線路主保護(hù)滿足選擇性和速動性的要求，判據(jù)門檻值整定方法簡潔且不依賴于仿真計算;在10kHz及以上的采樣頻率范圍內(nèi)均可實現(xiàn);只需對端電流突變量的極性信息，對通信通道的可靠性要求較低，尤其適用于需要選擇故障極的情況。
　　基于中國銀東±6

9、60kV直流輸電工程的實際參數(shù)，本文建立了±660kV高壓直流輸電系統(tǒng)的PSCAD仿真模型，利用仿真數(shù)據(jù)驗證了考慮故障選極的高壓直流輸電線路保護(hù)原理在不同故障情況下的動作特性。仿真結(jié)果表明，該保護(hù)原理在兩端雙極直流輸電系統(tǒng)的多種運行方式下能夠快速選出故障極和判別直流輸電線路保護(hù)區(qū)內(nèi)故障，耐受過渡電阻能力強，可實現(xiàn)高壓直流輸電線路的全線速動保護(hù)。
　　(3)基于電壓和電流突變量方向的高壓直流輸電線路保護(hù)原理研究。
　　考慮故障

10、選極的直流輸電線路保護(hù)一般在極-極故障這一罕有情況發(fā)生時不能正確工作，因此，本文提出了直接判別直流線路保護(hù)區(qū)內(nèi)故障的直流輸電線路保護(hù)原理。對故障后直流線路電壓和電流突變量的暫態(tài)特征分析發(fā)現(xiàn)，直流輸電線路兩端電壓和電流突變量的方向在直流輸電線路保護(hù)區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障時不同;通過將電壓和電流突變量在一段時間內(nèi)的積分值與設(shè)定門檻值比較，提出了電壓和電流突變量的方向判據(jù);通過比較線路兩端電壓和電流突變量的方向，提出了基于電壓和電流突變量方向的高

11、壓直流輸電線路保護(hù)原理。該保護(hù)原理的判據(jù)門檻值整定不依賴于仿真計算;僅利用線路兩端電壓和電流突變量的方向信息便可準(zhǔn)確識別直流輸電線路保護(hù)區(qū)內(nèi)故障，對通信通道的可靠性要求不高;不需要進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)同步處理;電壓和電流突變量方向判據(jù)僅計算5ms數(shù)據(jù)窗內(nèi)的積分值，對數(shù)據(jù)計算速度和采樣頻率要求較低，采樣頻率為10kHz及以上時即可滿足保護(hù)判據(jù)計算要求。
　　利用±660kV高壓直流輸電系統(tǒng)的PSCAD仿真數(shù)據(jù)對該保護(hù)原理在不同故障情況下的動

12、作特性進(jìn)行了驗證。該保護(hù)原理在直流線路保護(hù)區(qū)內(nèi)故障性雷擊、高阻接地故障和極-極故障時能準(zhǔn)確動作，在雷擊干擾和線路保護(hù)區(qū)外故障等情況下不誤動，能實現(xiàn)直流輸電線路的全線準(zhǔn)確速動保護(hù)，適用于雙極直流輸電系統(tǒng)的多種運行方式，實用性強。
　　(4)高壓直流輸電線路雙端行波故障測距新算法研究。
　　分析了故障行波在直流輸電線路上的傳播特點，發(fā)現(xiàn)可用行波波頭傳播特性曲線表征故障行波在線路上的傳播過程，聯(lián)立直流輸電線路本端和對端的行波波頭傳

13、播特性曲線可計算出故障位置。本文通過檢測沿線分布電流的初次突變時刻求出線路兩端的行波波頭傳播特性曲線，提出了直流輸電線路雙端行波故障測距新算法及其實現(xiàn)策略。該故障測距算法無需另外增加測量點，對通道的可靠性要求不高，算法數(shù)據(jù)窗口短，可不受控制系統(tǒng)調(diào)整的影響?；赑SCAD的仿真結(jié)果表明，本文故障測距算法在兩端雙極直流輸電系統(tǒng)的多種可能運行方式下，在線路全長范圍內(nèi)均能實現(xiàn)準(zhǔn)確測距，故障點靠近線路中點時測距準(zhǔn)確度升高，測距精度不受過渡電阻值和

14、直流線路出口故障的影響，最大故障測距誤差約為線路全長的0.1129％。相較于現(xiàn)有高壓直流輸電工程中應(yīng)用的雙端行波故障測距，雖然本文故障測距算法的計算過程較為復(fù)雜，但是其可靠性、抗干擾能力和耐受過渡電阻能力有顯著提高，而故障測距誤差與之基本相同，保留了行波故障測距原理定位精度高的優(yōu)點。因此，本文故障測距算法可作為現(xiàn)有直流輸電線路雙端行波故障測距的有效補充。
　　本文研究內(nèi)容及成果對提高直流輸電線路保護(hù)與故障測距理論水平有重要學(xué)術(shù)價值