超高壓直流輸電線路保護

1、電力系統(tǒng)前沿知識講座課題名稱：超高壓直流輸電線路保護的探討 學(xué)校名稱：昆明理工大學(xué)城市學(xué)院 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 班 級：電氣1012 姓 名：萬明貴 學(xué) 號：2010118508233 指導(dǎo)教師：趙四洪超高壓直流輸電線路保護的探討摘要對高壓直流輸電線路的故障我處及其線路保護進行了分析與探討，針對直流線路故障的特點，對各種保護原理進行了簡要分析，認為行波保護作為HVDC系統(tǒng)線路保護的主保護符合高壓直流輸電線路故障特征并具有絕對的優(yōu)越性，為高壓直流輸電線路行波保護的分析與研究提供了理論基礎(chǔ)。高壓直流輸電近年來在世界上得到了訊速的發(fā)展，到目前為止，總?cè)萘窟_50GW左右。其中，在我國相繼建成了

2、100KV舟山海底電纜送電工程、500KV葛上直流輸電工程、500KV天廣直流輸電工程，以及正在建設(shè)的三峽直流輸電工程。因此，如何提高直流線路運行的安全性與可靠性已成為迫切需要解決的問題，而高壓直流線路保護則是直流線路安全穩(wěn)定運行的基本保障，因此，有必要對直流線路保護的主保護-行波保護的原理與保護方案進行進一步的研究與改進。關(guān)鍵詞：高壓直流輸電；線路保護；行波保護1 HVDC系統(tǒng)故障特征及其線路保護1.1 高壓直流輸電技術(shù)的優(yōu)越性及其應(yīng)用現(xiàn)代直流輸電技術(shù)普遍采取交流直流交流的換流方式，高壓直流輸電技術(shù)之所以得到如此蓬勃的發(fā)展，是因為它和交流輸電相比，具有明顯的優(yōu)越性： （1）同樣截面的導(dǎo)線能輸

3、送更大的功率，并且有功損耗更??；（2）直流輸電能迅速精確地實現(xiàn)多目標(biāo)控制，以提高電能質(zhì)量和供電可靠性；（3）流只有正負兩極，輸電線路結(jié)構(gòu)簡單，而且當(dāng)輸電距離大于交直流輸電等價距離時直流線路更節(jié)省投資；（4）每根導(dǎo)線都可以作為一個獨立回路運行，并且可以采用大地或海水作回路；（5）直流線路在穩(wěn)態(tài)運行時沒有電容電流，沿線電壓分布比較平衡，并且沒有集膚效應(yīng)；（6）電纜線路可以在較高的電位梯度下運行；（7）直流輸電的兩端交流系統(tǒng)之間有存在同步運行穩(wěn)定問題；（8）可以聯(lián)絡(luò)兩個不同頻率的交流系統(tǒng)，聯(lián)絡(luò)線上的功率易于控制。 目前，高壓直流輸電技術(shù)在遠距離大容量輸電、海底電纜輸電、兩個交流系統(tǒng)的互聯(lián)、大城市地下

4、輸電、減小短路容量、配合新能源輸電等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。1.2 直流線路故障過程直流架空線路發(fā)生故障時，從故障電流的特征而論，短路故障的過程可以分為行波、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)三個階段。1）初始行波階段故障后，線路電容通過線路阻抗放電，沿線路的電場和磁場所儲存的能量相互轉(zhuǎn)化形成故障電流行波和相應(yīng)的電壓行波。其中電流行波幅值取決于線路波阻抗和故障前瞬間故障點的直流電壓值。線路對地故障點弧道電流為兩側(cè)流向故障點的行波電流之和，此電流在行波第一次反射或折射之前，不受兩端換流站控制系統(tǒng)的控制。為了研究行波對直流線路故障的影響，首先我們對行波傳播理論進行研究：在圖1中，當(dāng)一個正弦電壓源施加到傳輸線時，電壓會沿線

5、路分布參數(shù)等效電路蔓延。然而，由于分布電容和電抗器的存在，電壓或電流對這些儲能元件不能突然改變，總是有一個充電和放電過程。分布電感將建立磁場和而分布電容將建立電場。在導(dǎo)線周圍的空間，電場和磁場的能量是相同。“電壓行波和電流行波的傳播過程實際就是電磁場的能量傳輸過程。電壓和電流行波之間的關(guān)系以及輸電線路的參數(shù)，均可用波動方程表示： （1）上式又可寫成 （2）圖1 分布式參數(shù)等值電路及單行波傳輸在方程（1）和（2）， L0是每線長度的電抗，單位的H /公里， C0是每單位長度的電容，單位為F /公里; 我所代表的位置，這是電壓和電流從故障點的x公里。上述方程的一般解公式（達朗貝爾解）： （3）（3

6、）式中為波阻抗 表示行波傳輸速度 表示向前傳輸?shù)那靶胁?它的物理意義是隨著時間增大，前行波沿正方向遠離故障點表示向后傳輸?shù)暮笮胁?根據(jù)指定的故障情況下，一個特殊的解決方案可以得到波動方程。（四）在圖2所示，初始行波產(chǎn)生故障的額外電壓源。假設(shè)故障發(fā)生在t0 ，疊加的電壓源是：（4）行波故障分析以簡單單相無損耗線路為例，假定故障發(fā)生在處，如圖2（a）所示，根據(jù)疊加原理，故障處等同于兩個幅值相同而相位相反的電壓源串聯(lián)，該電壓源的幅值與短路前的電壓幅值是相同的，由此故障后的網(wǎng)絡(luò)便可分成兩個網(wǎng)絡(luò)的疊加，一個是故障前的正常負荷下的網(wǎng)絡(luò)（如圖2c所示），另一個是故障附加網(wǎng)絡(luò)（如圖2d所示）。故障行波便由故障

7、附加網(wǎng)絡(luò)的電壓源產(chǎn)生。圖2疊加理論圖解電路A.負荷行波電力是以電磁波的形式通過電力系統(tǒng)中傳輸線路來傳輸?shù)模俣妇€M的電壓和電流分別為u和i，則有式（5a）相應(yīng)的電流行波的式（5b）其中Z表示波阻抗，圖2（c）中，故障前正常網(wǎng)絡(luò)中行波就是負荷行波。B故障行波 A)初始行波 如圖2（d）所示，初始行波由附加電壓源產(chǎn)生，假定故障在時刻發(fā)生，則故障分量電壓源為其中是故障分量電壓源幅值,為其相角。 波頭可定義為故障電壓行波初始值，并用表示 （7） 波頭是一個突變信號，即階躍響應(yīng)，若用頻域分析，可看出波頭包含大量高次諧波分量，因此，波頭又被稱為初始故障電壓行波高頻波，暫態(tài)電壓初始行波高頻分量可以表示為

8、（tt0）故障瞬間相角 (9)故障后在附加電壓源相角從0到180變化中的極性將和保持相同 這是故障電壓行波的一個非常重要的特征2） 暫態(tài)階段 經(jīng)過初始行波的來回反向和折射后，故障電流轉(zhuǎn)入暫態(tài)階段。直流線路故障電流主要分量有：帶有脈動而且幅值有變化的直流分量（強迫分量）和由直流主回路參數(shù)所決定的暫態(tài)振蕩分量（自由分量）。在此階段，控制系統(tǒng)中定電流控制開始起到較顯著的作用，整流側(cè)和逆變側(cè)分別調(diào)節(jié)使滯后觸發(fā)角增大，抑制了線路兩端流向故障點的電流。3） 穩(wěn)態(tài)階段最終，故障電流進入穩(wěn)態(tài)，兩側(cè)故障電流提供的故障電流穩(wěn)態(tài)值被控制到等于各自定電流控制的整定值，兩側(cè)流入故障點的電流方向相反，故障點電流為兩者之差

9、，即為電流裕額Id。1.3 高壓直流線路保護的要求與配置直流線路發(fā)生故障時，一方面可以利用橋閥控制極的控制來快速地限制和消除故障電流；一方面由于定電流調(diào)節(jié)器的作用，故障電流與交流線路相比要小得多。因此，對直流線路故障的檢測，有能依靠故障電流大小來判別，而需要通過電流或電壓的暫態(tài)分量來識別。然而，系統(tǒng)中運行的絕大多數(shù)繼電保護都是反映于后穩(wěn)態(tài)工頻信息而動作的，例如電流增大、電壓降低、電流和功率方向改變、測量阻抗減小等故障信息。并且這類保護依靠的是穩(wěn)態(tài)工濊量信息，需要較長的時間（數(shù)據(jù)窗）來獲取，限制了微機保護動作的速度；電流互感器飽和造成二次傳變電流失真，使得微機保護中的計算值與實際故障電流的差別很

10、大，從而引起保護裝置的不正確動作；工頻距離保護不能正確區(qū)分線路區(qū)內(nèi)故障和系統(tǒng)振蕩。可見，依賴工頻量信息的傳統(tǒng)保護已經(jīng)不能適應(yīng)超高壓長距離直流輸電的需要了。因此，一種基于故障態(tài)信息的新原理保護-行波保護成為解決問題的關(guān)鍵。目前，世界上廣泛采用行波保護作為高壓直流線路保護的主保護，它是利用故障瞬間所傳遞的電流、電壓行波來構(gòu)成超高速的線路保護。由于暫態(tài)電流、電壓行波不受兩端換流站的控制，其幅值和方向皆能準(zhǔn)確反映原始的故障特征而有受影響，可見其可靠性是很高的。而且，同基于工頻電氣量的傳統(tǒng)保護相比，行波保護具有超高速的動作性能，其保護性能不受電流互感器飽和、系統(tǒng)振蕩和長線分布電容等的影響。另一方面，相比

11、于交流系統(tǒng)，在直流系統(tǒng)中行波保護具有更明顯的優(yōu)越性。首先，在交流系統(tǒng)中，如果在電壓過零時刻（初相角為0）發(fā)生故障，則故障線路上沒有故障行波出現(xiàn)，保護存在動作死區(qū)；直流系統(tǒng)中不存在電壓相角，則無此限制。其次，交流系統(tǒng)中電壓、電流行波的傳輸受母線結(jié)構(gòu)變化的影響圈套，并且需要區(qū)分故障點傳播的行波和各母線的反射波以及透射波，難度較大；由于高壓直流線路結(jié)構(gòu)簡單，也不存在上述問題。目前，高壓直流線路保護普遍以行波保護（traveling wave protection）作為主保護，當(dāng)直流線路發(fā)生故障時，從故障點到兩端換流站會分別反射不同的故障電壓、電流行波，據(jù)此可以檢測故障。行波保護動作時，將起動直流線路

12、故障恢復(fù)順序控制（整流側(cè)），即按預(yù)先設(shè)定的次數(shù)，按一定的去游離時間，全壓起動或降壓起動故障的直流極；若經(jīng)重起動后仍不成功，將閉鎖兩端閥組。同時，高壓直流線路保護采用低電壓保護（low voltage protection）、斜率保護（derivative and level protection）、縱差保護(longitudinal differential protection)等作為行波保護的后備保護。2 行保護的分類與HVDC發(fā)展動向迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者提出了基于多種原理的行波保護，按照有無通道分，主要有兩類：有通道保護和無通道保護，如表1所示： 目前，高壓直流輸電正處于大力發(fā)展階段。我

13、國和世界上其它許多國家一樣，正在現(xiàn)有的建設(shè)和運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，積極開展直流輸電技術(shù)的研究和發(fā)展工作。由于高壓直流輸電技術(shù)所涉及的問題非常廣泛，為了突出重點，下面簡要介紹直流輸電的幾個主要發(fā)方向以及研究課題：1） 輸電參數(shù)越來越高。目前民辦上運行參數(shù)最高的巴西伊泰普（Itapu）直流輸電工程的運行參數(shù)已經(jīng)達到：600KV，3150MW，783km。2） 基于串聯(lián)電容換相的換流器技術(shù)。3） 基于電壓源換流器的輕型直流輸電系統(tǒng)。4） 研制高參數(shù)大容量可控硅元件，改進換流閥的機、電、熱各方面的結(jié)構(gòu)，以進一步降低換流器的造價和可靠性。5） 研究交、直流的并列（或并聯(lián)）運行和調(diào)節(jié)，以提高輸送功率的極限。6） 研制直流斷路器和發(fā)展多端直流系統(tǒng)。7） 緊湊型換流站的設(shè)計和應(yīng)用。8） 應(yīng)用新技術(shù)縮短直流線路的保護動作時間和提高保護動作的可靠性。3 結(jié)論本文對高壓直流輸電的故障特征及其線