特高壓直流線路保護原理及動作策略分析

特高壓直流線路保護原理及動作策略分

析

摘要：特高壓直流輸電系統以其大功率遠距離傳輸、控制快速靈活、損耗低

的特點，在現代電力系統中得到了廣泛的應用。目前實際工程中將基于故障初始

行波的單端保護作為直流線路的主保護。雖然行波保護動作速度快，但其耐受過

渡電阻能力較差；當發生高阻接地故障時，行波保護靈敏性不夠，需要依賴作為

后備保護的電流差動保護來識別故障。但由于分布電容電流、直流控制特性以及

區外交流故障的影響，傳統電流差動保護具有低整定值、長延時的動作特點，導

致故障在直流控制暫態階段長時間存在而難以切除。因此，如何充分利用故障過

程中直流控制暫態階段的故障特征實現故障的快速判別，對于提升現有特高壓直

流線路電流差動保護的動作性能具有重要意義。

關鍵詞：特高壓；直流線路；保護原理；動作策略

中圖分類號：TM721 文獻標識碼：A

1特高壓直流輸電線路的故障分析與保護

1.1特高壓直流輸電線路故障特點

在直流輸電線路的網路架構上，在多個方面有著明顯的優勢。結構上，分布

簡單，層次分明；造價上，由于線路不復雜，導線需求相比交流少，可節約大量

資金。輸送性能上也比較強。如圖1所示的為直流輸電線路雙極輸電結構，可見，

該輸電線路的結構對稱，在進行相關潮流分析時，由于線路分布參數一致，可大

大進行簡化。

圖1 直流輸電線路雙極輸電結構

在2014年，我國建成的哈密南到鄭州的高壓直流輸電線路全長約為2192km。

大多數比較長的輸電線路，經過的地理位置條件不一，在不同的地區，氣候因素

影響重大，線路極易發生故障。根據國家電網公布的故障數據，在直流輸電系統

總故障中，線路故障占比50%以上。其中，線路故障的特點，主要表現在四個方

面:

1)發生故障后，線路中的故障電流會導致電弧的產生，容易引起火災，在自

然情況沒有人為干預的情況下，難以熄滅。在交流系統中發生這種故障時，通常

采用交流斷路器切除即可，但在直流系統中，該方法無效。為了解決這一問題，

基本是都是采用控制換流站觸發延遲角的方法。

(2)在直流系統中采取的控制措施，對該系統的線路保護和后備保護的影響

需要進行考慮。直流輸電系統的控制對系統的各個特征量具有強相關性，所以，

控制措施不能像交流系統一樣，忽略對保護的影響。

(3)直流輸電線路的故障發生的位置不同對線路的保護也有較大影響。

(4)采用運行方式不同的直流輸電系統，當發生故障時，各種電氣量的變化

情況也不一樣，加大了線路保護的困難。

1.2直流輸電線路保護原理

[1]

經過對直流輸電線路保護長期探索，常用的兩種保護方式為行波保護和微分

欠壓保護。其中行波保護在直流輸電系統中至關重要，能夠在線路發生故障時，

及時響應，進行故障的切除，保證系統損害最小；微分欠壓保護，則是為了當行

波保護沒有產生效果時，提供給系統的另一種保護方式，主要是為了加強系統的

安全性。

故障發生時，系統中電氣特征量的變化非常迅速，行波保護的原理就是根據

系統中電壓的變化和電流的變化為依據，通過機器識別出故障行波各個電氣量變

化情況，對不同的故障類型進行分類，再根據故障進行針對處理，完成對線路的

最佳保護。

2特高壓直流線路動作策略

由于同時具有線路兩端的故障信息，作為交流輸電線路的主保護，電流差動

保護被稱為最理想的保護原理，也被譽為有絕對選擇性的快速保護原理。在常規

直流輸電工程中，在配備單端量行波保護為主保護的同時，一般采用電流差動保

護為后備保護，動作于線路高阻故障時線路主保護行波保護拒動的情況。然而，

目前工程中直流輸電線路差動保護直接利用線路兩端的測量電流做差動。隨著直

流線路長度增加和電壓等級的提高，線路分布電容和阻抗參數頻變的影響逐漸增

加。傳統電流差動保護僅靠閾值整定難以區分區外金屬性故障和區內高阻故障。

工程中一般采用增加延時的方式防止區外故障和系統功率波動引起的誤動，延時

最長可達秒級。而直流線路故障發展速度快，因此，傳統電流差動保護往往起

不到保護的作用。

從電流差動保護原理來看，傳統電流差動保護存在誤動的原因在于線路兩端

直接測量電流無法反應線路上傳輸電流的真實值。因此，提高差動保護可靠性的

關鍵在于如何消除線路參數頻變的影響。直流線路電流差動保護誤動是由于線路

分布電容的影響，作者提出一種分布電容電流補償方法從而提高了保護的可靠性。

然而，影響準確性的因素不僅僅在于分布電容，從波動學原理來看，線路阻抗參

數的頻變特征同樣影響差動電流計算的準確性。因此，提高電流差動保護性能必

須從行波傳播過程出發。

[3]

[2]

基于行波理論的電流差動保護方法也被稱為行波差動保護，而行波差動保護

的關鍵和難點在于如何準確、快速求解線路方程。目前，應用于直流線路的行波

差動保護主要基于依頻模型和貝瑞隆模型。依頻模型是分析求解線路方程最為準

確的模型，基于波過程原理分析了傳統電流差動保護存在的缺陷，基于依頻模型

提出一種新型電流差動保護；部分學者對各種求解模型進行了對比分析，指出依

頻模型的準確性最高，為了提高保護的計算速度采用Marti模型進行差動電流求

解。然而，依頻模型基于頻域計算，需要一定窗長的采樣數據，且其復雜的時頻

域變換和卷積運算必然帶來一定的計算延時，從而影響保護的速動性。基于定

常系數的貝瑞隆模型具有更快的計算速度，還有學者曾提出一種基于貝瑞隆模型

的電流差動保護方法，具有更好的速動性；對影響行波電流差動保護的因素進行

了詳細分析，指出輸電線路線模參數頻變性較低，利用貝瑞隆模型可準確求解線

模電氣量的低頻分量，并提出了基于線路分布參數模型的電流差動保護方法，通

過利用計算準確性較高的線模電流構造差動保護判據，利用地模差動電流計算值

與線模差動電流計算值的比值構造選極判據，在保證靈敏性、選擇性和可靠性的

前提下有效提高了電流差動保護的速動性。

此外，有外學者將能量引入差動保護，如將Teager能量算法引入差動保護

原理中，利用線路兩端Teager能量差構造差動保護判據，但是該文章針對的應

用場景為直流配電網，對于高壓直流系統的適應性有待進一步研究；通過抓取故

障行波的模極大值構造等效行波以減小差動保護的通信壓力，并利用差電流的能

量構造保護判據提高保護的可靠性和耐過渡電阻能力。這種方法可以提高差動保

護的可靠性和抗擾能力，然而卻降低了差動保護的速動性。因此，相關保護方法

及其應用有待進一步研究。

總而言之，通過對高壓直流輸電線路故障的分析，得出了直流輸電線路中故

障發生后，針對不同電氣量的變化采用行波保護的方式對線路進行保護，可以較

好的進行故障切除，使線路恢復到正常的工作狀態。

參考文獻

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