高壓直流輸電線路保護(hù)與故障測(cè)距原理研究.pdf

1、直流輸電線路保護(hù)和故障測(cè)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(cè)和清除線路故障的任務(wù)，其運(yùn)行性能將直接影響直流輸電系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全運(yùn)行。統(tǒng)計(jì)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(dòng)作率只有50％。我國(guó)直流輸電工程的發(fā)展位于世界前列，但對(duì)現(xiàn)有直流輸電線路保護(hù)與故障測(cè)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(yùn)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(guó)高壓直流輸電線路保護(hù)與故障測(cè)距的理論水平和加快直流保護(hù)系統(tǒng)的自主研發(fā)勢(shì)在必行。
　　現(xiàn)已投運(yùn)的直流輸電線路主保護(hù)易受雷電、換相失敗等暫態(tài)過(guò)程的干擾，耐受過(guò)渡電阻能力有限，判據(jù)門(mén)檻值整定計(jì)算復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于對(duì)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(hào)能量小、對(duì)裝置采樣率要求高、缺乏整定依據(jù)或整定計(jì)算依賴仿真結(jié)果等問(wèn)題。高壓直流輸電線路故障測(cè)距所采用的

3、原理可分為行波法和故障分析法。目前運(yùn)行中的直流輸電線路故障測(cè)距裝置均采用行波原理，行波故障測(cè)距的可靠性在高阻接地故障和波頭識(shí)別失敗時(shí)受限?；诠收戏治龇ǖ墓收蠝y(cè)距原理性能穩(wěn)定，故障測(cè)距精度一般沒(méi)有行波法高，部分原理耐受過(guò)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(cè)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(jī)理，給出了仿真案例

4、實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)直流線路電氣量的暫態(tài)特征進(jìn)行分析;提出了耐受過(guò)渡電阻能力強(qiáng)、判據(jù)門(mén)檻值整定不依賴于仿真計(jì)算的高壓直流輸電線路主保護(hù)原理和可靠性良好、測(cè)距精度高、耐受過(guò)渡電阻能力強(qiáng)的直流輸電線路雙端行波故障測(cè)距新算法。主要研究?jī)?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(cè)距研究的考慮因素出現(xiàn)在文獻(xiàn)的理論分析和仿真驗(yàn)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(cè)距角度出發(fā)，開(kāi)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(duì)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(duì)故障暫態(tài)的響應(yīng)時(shí)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(yùn)行方式的運(yùn)行條件與控制策略，并對(duì)不同故障前運(yùn)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(duì)比分析;分析了直流濾波環(huán)節(jié)的阻抗特性及其對(duì)故障后暫態(tài)過(guò)程的影響，提出在直流輸電線路故障暫態(tài)電壓電流信號(hào)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(guò)渡電阻值對(duì)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(jì)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(duì)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(jī)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(cè)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(mén)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(shí)相反，在區(qū)外故障時(shí)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(dòng)性的要求，判據(jù)門(mén)檻值整定方法簡(jiǎn)潔且不依賴于仿真計(jì)算;在10kHz及以上的采樣頻率范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn);只需對(duì)端電流突變量的極性信息，對(duì)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(guó)銀東±6

9、60kV直流輸電工程的實(shí)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(yàn)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(dòng)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(yùn)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(guò)渡電阻能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電線路的全線速動(dòng)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(shí)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(duì)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(shí)不同;通過(guò)將電壓和電流突變量在一段時(shí)間內(nèi)的積分值與設(shè)定門(mén)檻值比較，提出了電壓和電流突變量的方向判據(jù);通過(guò)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(mén)檻值整定不依賴于仿真計(jì)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(shí)別直流輸電線路保護(hù)區(qū)內(nèi)故障，對(duì)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(jì)算5ms數(shù)據(jù)窗內(nèi)的積分值，對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算速度和采樣頻率要求較低，采樣頻率為10kHz及以上時(shí)即可滿足保護(hù)判據(jù)計(jì)算要求。
　　利用±660kV高壓直流輸電系統(tǒng)的PSCAD仿真數(shù)據(jù)對(duì)該保護(hù)原理在不同故障情況下的動(dòng)

12、作特性進(jìn)行了驗(yàn)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(shí)能準(zhǔn)確動(dòng)作，在雷擊干擾和線路保護(hù)區(qū)外故障等情況下不誤動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)直流輸電線路的全線準(zhǔn)確速動(dòng)保護(hù)，適用于雙極直流輸電系統(tǒng)的多種運(yùn)行方式，實(shí)用性強(qiáng)。
　　(4)高壓直流輸電線路雙端行波故障測(cè)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(diǎn)，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(guò)程，聯(lián)立直流輸電線路本端和對(duì)端的行波波頭傳

13、播特性曲線可計(jì)算出故障位置。本文通過(guò)檢測(cè)沿線分布電流的初次突變時(shí)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(cè)距新算法及其實(shí)現(xiàn)策略。該故障測(cè)距算法無(wú)需另外增加測(cè)量點(diǎn)，對(duì)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(cè)距算法在兩端雙極直流輸電系統(tǒng)的多種可能運(yùn)行方式下，在線路全長(zhǎng)范圍內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)距，故障點(diǎn)靠近線路中點(diǎn)時(shí)測(cè)距準(zhǔn)確度升高，測(cè)距精度不受過(guò)渡電阻值和

14、直流線路出口故障的影響，最大故障測(cè)距誤差約為線路全長(zhǎng)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(cè)距，雖然本文故障測(cè)距算法的計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，但是其可靠性、抗干擾能力和耐受過(guò)渡電阻能力有顯著提高，而故障測(cè)距誤差與之基本相同，保留了行波故障測(cè)距原理定位精度高的優(yōu)點(diǎn)。因此，本文故障測(cè)距算法可作為現(xiàn)有直流輸電線路雙端行波故障測(cè)距的有效補(bǔ)充。
　　本文研究?jī)?nèi)容及成果對(duì)提高直流輸電線路保護(hù)與故障測(cè)距理論水平有重要學(xué)術(shù)價(jià)值