高壓直流輸電(High Voltage Direct Current, HVDC)在異步電網(wǎng)互聯(lián)以及遠距離大容量送電中應(yīng)用廣泛。HVDC輸電距離一般超過1000km,沿途地理/氣候條件復(fù)雜惡劣,線路故障可能性較高,亟需探討可靠的直流線路保護。
目前直流線路一般采用行波保護為其主保護,微分欠電壓保護和電流差動保護作為后備保護。行波保護動作速度快,但在高阻接地故障時波頭檢測困難;微分欠電壓保護基于線路電壓微分和幅值構(gòu)成判據(jù),耐過渡電阻能力差;電流差動保護主要用于識別高阻接地故障,但現(xiàn)有判據(jù)未充分考慮線路分布電容的影響,動作速度較慢,甚至長達1.1s。
現(xiàn)有高壓直流線路保護分為雙端量保護和單端量保護。目前,雙端量線路保護的研究熱點主要基于行波原理和突變量分析。單端量線路保護研究熱點主要基于直流系統(tǒng)的邊界特性。直流輸電線路兩端均配置平波電抗器和直流濾波器,形成直流線路邊界,起到阻隔高頻量的作用,然而此類保護大多忽略直流線路對高頻量的衰減作用。
而對于特高壓直流輸電長線路,在線路末端區(qū)內(nèi)故障時,尤其是末端區(qū)內(nèi)高阻接地故障時,線路首端保護元件測得的高頻量,可能小于整流側(cè)近區(qū)區(qū)外金屬性接地故障時保護元件測得的高頻量,從而造成單端暫態(tài)量保護定值整定困難,甚至使其無法保護線路全長。為解決這一問題,有學(xué)者分別利用故障電流、直流電抗器壓降構(gòu)成方向判別元件,與邊界元件配合實現(xiàn)全線保護,而此類方法的保護速動性、可靠性有所下降。
圖1 雙極HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
對此,華北電力大學(xué)的研究人員首先分析線路邊界的阻抗頻率特性,并結(jié)合疊加原理,對直流輸電線路區(qū)內(nèi)以及區(qū)外故障分量附加網(wǎng)絡(luò)進行研究發(fā)現(xiàn):區(qū)內(nèi)故障時,對于線路兩端的任意一端,其邊界線路側(cè)特定頻帶能量大于邊界閥側(cè)的值,兩者之比較大;整流端(逆變端)區(qū)外故障時,整流端(逆變端)邊界線路側(cè)特定頻帶能量小于邊界閥側(cè)的值,兩者之比較小。由此,提出基于線路邊界兩側(cè)特定頻帶能量比值的保護方案。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建向上特高壓直流輸電工程模型,仿真分析所提保護方案的正確性。
圖2 保護方案流程
大量仿真實驗表明,該保護方案能夠可靠保護線路全長,具備良好的耐過渡電阻能力;原理簡單,計算量小,且快速性遠優(yōu)于常規(guī)電流差動保護;識別判據(jù)中可采用高階能量比值放大區(qū)內(nèi)外故障特征差異,門檻值整定容易。
高頻分量衰減速度快,理論上采樣數(shù)據(jù)窗長度足夠小才能保留其暫態(tài)特征,而從可靠性和高頻分量易受雷電干擾角度出發(fā),數(shù)據(jù)窗長度不宜太小,因此可綜合考慮上述因素影響,進一步探究結(jié)合防雷擊干擾策略的邊界保護方案。
以上研究成果發(fā)表在2020年第9期《電工技術(shù)學(xué)報》,論文標題為“基于直流濾波環(huán)節(jié)暫態(tài)能量比的高壓直流線路縱聯(lián)保護”,作者為戴志輝、劉寧寧、何永興、魯浩、劉媛。