特高压直流输电线路电压突变量保护优化

特高压直流输电线路电压突变量保护优化

张中华

国网山西省电力公司超高压变电分公司   山西太原  030000

摘要:通过特高压工程的直流输电线路接地故障试验发现，当运行阀组数目较多的一极直流输电线路发生接地故障时，另外一极的电压突变量保护可能会发生误动。为了解决此问题，文中首先指出故障行波共模分量的传输速率要小于差模分量的传输速率,共模分量和差模分量到达保护测点处存在一个时间差。其次，分析出电压突变量保护误动的原因是共模分量和差模分量到达保护测点处的时间差大于电压突变量保护的时间定值。再次，提出将共模分量的极性作为识别故障极的判据并据此改进了电压突变量保护。最后，搭建了特高压直流输电实时数字仿真模型，验证了改进方法分析结果的正确性。

关键词：电压突变量保护；共模分量；差模分量

引言

特高压直流输电线路保护一般都配置行波保护、电压突变量保护作为主保护，线路低电压保护、线路纵差保护作为后备保护UT。近几年来，特高压直流输电工程的宜流输电线路长度不断创造新的记录，特高压直流工程在两极线路相继发生故障时会直接双极闭锁而不进行直流线路故障再重启逻辑，极大地增加了特高压直流工程的双极闭锁风险[1]。

1直流输电技术
1.1直流输电技术的类型
  我们可以根据工程的结构区别将直流输电分为下面几类：首先，我们通过线路长度的不同，可以区分为长距离输电和背靠背输电；其次，通过电压等级的不同，可将其分为高压直流输电与特高压直流输电；再次，通过换流站数量的不同，将其分为多端输电与两端输电这两种。最后我们依据工程性质的不同，还可将直流输电区分为背靠背联网技术、远距离大容量滞留架空技术、海底电缆技术以及城市地下电缆技术这四大类[2]。
1.2直流输电技术的优点
  直流输电技术的建设成本很低，架空线路施工过程不需要花费很高的工程造价；直流输电在电能的传输过程中，可以实现将电能的损耗量控制到最低；直流输电技术的电能输送容量非常大；若电路发生故障如短路现象时，直流输电技术有效的控制电流形成，使其在故障发生时实现自我保护功能；直流输电技术还可以优化电线线路的走廊，减少线路铺设施工的浪费；直流输电技术在进行电能调节的时候，可以完成系统的快速响应，为整个电路的运行过程带来安全与稳定的保证；不同步电网在运行中的互联也可以通过直流输电技术得以实现，而且不会威胁系统的稳定性[3]。
1.3直流输电技术的缺点
  直流输电技术的缺点表现在其设备的成本费用很高，其过量承载能力也不是很强；在电能输送过程中，会消耗一定量的无功功率；直流输电技术无法实现借助变压器调节低电压等级且在电能的传输中，一旦受到谐波的影响，就很难有效地控制电能传输质量。

2特高压直流电压突变量保护的改进

2.1定值整定

改进后的电压突变量保护的整定方法与传统的电压突变量保护的整定方法相同。增加的共模分量变化量的极性判据类似于一个方向性判据，因此u^c-u^）的取值不应太大。文中推荐的整定方法如下：（1）定值应大于电压测量误差产生的共模分量变化量。假设单个电压测点的误差为5%,则共模分量的最大误差为10%,其除以相应的时间得到电压测量误差可能产生的最大共模分量变化量。（2）在本极发生区外故障时，比如换流阀与平波电抗器之间的极母线上发生金属性接地故障，线路另一端的共模分量变化量能满足[4]。

2.2性能分析

区内故障时，在差模分量到达保护测点时刻，传统的电压突变量保护不满足电压定值不会动作,必须要等到共模分量也到达保护测点处才能满足定值。式（17）和式（18）给出的改进算法增加了共模分量的极性判别,也是要等到共模分量到达保护测点处保护才动作,两者在快速性上并无差别根据推荐的整定方法，在本极发生区外故障时，增加的共模变化量极性判据仍然可以满足。因此，在本极线路发生区外接地故障时，改进后的电压突变量保护的可靠性、灵敏性和耐过渡电阻的特性取决于％i,与改进前相比并无差异。在另外一极线路发生接地故障时，增加的共模分量变化量的极性判据避免了双极线路的耦合导致保护误动,提高了可靠性。另外，因为改进算法的核心理论是基于共模分量和差模分量传播速率的差异,而共模分量和差模分量传播速率只取决于线路的参数，与接地故障电阻大小无关，所以改进算法既适用于金属性接地故障，又适用于非金属性接地故障。 

3优化措施分析
3.1安装附件
  在直线塔的附件安装过程需要用到两线提升器，这里的提升器都采用“V”型绳套在导线的横担下面，在前后两侧的预留孔中进行悬挂，这样可以保证横担的均匀受力。用提线装置提起导线，通过50kN机动绞磨做牵引控制，将三轮放线滑车逐个和悬挂装置解开并放落到地面，再通过柔性钢丝绳把V型绝缘子串临时固定，通过传递工具绳控制，便可将悬挂装置和绝缘子连接部位解开，再慢慢放下悬挂装置。最后，对绝缘子串高度进行调整，起吊线夹联板并进行连接，导线线夹安装完毕。

3.2利用边界特性的单端量保护

  采用边界元件的单端量保护往往利用特征频率或特征频带分量、高频分量构成区内外判据，旨在弥补行波保护抗高阻故障能力差的不足，实现直流线路保护的全线速动。在区内、外故障时，边界元件对特定频带信号表现出的阻滞作用不同，因此区内、外故障时分流器处检测到的特征频带电流大小不同。利用直流线路一端特征频带电流幅值便可识别区内外故障，且可实现故障极与故障方向的判别。来自区外的高频电压信号通过平波电抗器和直流滤波器后衰减，其能量显著减小，线路的边界具有隔离高频量的作用，因此可结合电流行波方向和形态谱判断区内外故障。根据边界元件对高频量的阻滞特性，得出区内、外故障时能量频谱分布存在差异的结论，利用信息熵测度描述极波暂态分量的分布并构造了保护判据，该方法具有良好的耐受高阻故障能力。

4结束语

文中首先通过时模变换解耦了高度耦合的正极电压和负极电压。其次，指出在特高压双极运行阀组数目不一致时引起电压突变量保护误动的原因是在差模分量到达保护测点后,共模分量在电压突变量保护的时间定值如内没到达保护测点。再次，提出将电压共模分量变化量的极性作为识别故障极的主要判据，并将此判据与传统电压突变量保护的判据融合成改进的电压突变量保护。最后，通过仿真计算验证了改进的电压突变量保护的可靠性。特高压直流输电系统在两极运行阀组数目不一致时，传统的电压突变量保护存在误动风险，如果误动,两极线路相继故障会导致特高压直流双极闭锁。文中提出的改进的电压突变量保护在区内故障时，其灵敏性、可靠性、快速性、选择性与传统的电压突变量保护无本质区别，但是在区外故障时，其可靠性和选择性优于传统的电压突变量保护,降低了特高压直流工程双极闭锁风险。

参考文献

[1]刘云.同塔并架高压直流输电线路故障及保护特性研究[J].电力工程技术,2019,38(3):163-169.

[2]赵碗君•高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2004.

[3]曹润彬，李岩，许树楷，黄伟煌，李明，郭铸.特高压混合多端直流线路保护配置与配合研究[J].南方电网技术，2018，12（11）：52-58+83.
  [4]孙超，陶留海，尹飞，李忠民，樊建军.特高压直流输电线路跳线绝缘子更换器具研究[J].中国新技术新产品，2018（17）：74-75.