高压直流输电线路暂态保护分析与展望

廖毅敏

摘 要：高压直流输电系统以其输送距离长、功率大、低损耗等独特优势在电力系统中发挥重要作用，其运行稳定性和安全性要求很高。快速切除系统中故障成为系统保护设备、提供优质电能的有效措施之一。从现有直流输电工程运行可见，线路故障是系统停运主要原因，且现有直流线路保护存有缺陷。因此迫切需要进行直流输电线路保护研究、提高直流输电线路保护可靠性。基于此，本文主要对高压直流输电线路暂态保护与展望进行分析探讨。

关键词：高压直流输电线路;暂态保护;展望

1、前言

目前国内的所有直流输电控制与保护系统均采用ABB和西门子的装备和技术。高压直流线路保护通常采用行波保护作为主保护，微分欠压保护作为行波保护的后备保护，纵联电流差动保护作为直流线路发生高阻短路时的后备保护及前二者的后备保护。大量运行经验与研究表明，上述高压直流输电保护的原理、方案以及配置有较大缺陷，多起直流输电系统的闭锁停运事故是由于保护的误动和拒动引起的。研究高速、可靠、高灵敏度的行波保护新原理和方案是高压直流输电系统亟待解决的问题。

2、现有高压直流输电线路单端暂态保护原理

目前国内外学者研究高压直流输电线路暂态保护的基本思想是：平波电抗器、直流滤波器构成高压直流输电线路边界，该边界对高频量有很强的衰减，利用保护元件来区分本端的区内和区外故障。可以称之为利用保护元件区分本端区内外故障的高压直流输电线路单端电压暂态保护原理，该暂态保护原理如图1所示。

现有利用保护元件区分本端区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理的基本原理为：直流输电线路的两端均加装有平波电抗器和直流滤波器，平波电抗器和直流滤波器构成直流输电线路固有的边界。该直流输电线路边界的频率特性为：高压直流输电线路边界是一个低通滤波器，对高频量有很强的衰减作用。该原理忽略直流输电线路的影响，即不考虑直流输电线路对高频量的衰减作用。所以该原理认为：当直流输电线路区外d3点故障时，故障暂态电压高频量由于直流输电线路边界的衰减作用，在保护安装处检测到暂态电压的高频分量很小;而直流输电线路区内d1点、d2点故障时，由于不考虑直流输电线路对高频量的衰减作用，故障暂态电压的高频分量将无衰减地传至保护安装点，于保护安装处检测到的故障暂态电压的高频分量较大。所以，该暂态保护原理认为利用区内、区外故障时在保护安装点检测到的暂态电压高频分量大小的差异就能准确地区分直流输电线路的区内、区外故障。

3、直流线路行波保护研究现状

目前的高压直流输电线路的行波保护以及其后备保护的原理和配置还有许多漏洞，需要进一步研究新的保护原理和算法。事实上，交流输电线路的行波保护自20世纪70年代就已经出现，包括行波方向判别式、行波距离、行波极性判别式等保护原理。进入90年代以来，随着小波分析、多分辨分析与波形奇异性检测等技术的不断成熟和发展，研究者们又赋予了行波保护新的内涵，即不再仅局限于行波波头的信息，而是对在一个时间段内的整个暂态行波波形的时频信息进行综合分析，得到区内外故障的特征差异，进而构造新的暂态保护或边界保护。

近年来，在交流输电线路的行波保护、暂态保护以及边界保护的启发下，众多保护研究者将交流输电线路的行波保护原理“移植”到高压直流输电线路的保护中，取得了一系列的成果。

文献根据线路内部故障时故障暂态高频分量较为丰富而外部故障时高频分量较少的特征，利用小波多分辨分析，提出了高压直流线路暂态边界保护判据，并对雷电冲击进行了识别。文献则利用区内故障行波极性相同，而区外故障行波极性相反的特征，利用小波变换工具，提出了直流线路的行波极性比较式的保护判据。

4、问题总结

要想提出可靠的高品质直流输电线路的保护，必须解决下面几个方面的基础理论问题。

（1）边界保护类型实际上是利用直流输电线路边界对高频暂态分量的影响特征：区外故障時，初始暂态行波透过线路边界，而区内故障时不需透过线路边界，从而使得区内外故障在高频分量特征上具有较大差异。那么具有非线性电力电子开关器件的线路边界的透射系数的模型，当故障发生在整流或逆变的交流侧行波透过非线性的线路边界后的特征就成为必须解决的问题。

（2）行波距离保护类型是利用检测初始行波和在本端线路边界发射后再从故障点反射的行波之间的时间差构成保护原理，那么对于具有非线性边界的直流线路边界的反射系数的模型和行波在边界反射后的特征的研究就对行波距离保护的可靠性和安全性至关重要。

（3）目前所有的行波保护的新原理都是基于故障后的叠加原理，即认为故障后的故障附加网络是在故障点叠加一个与故障前电压大小相等方向相反的电压源，在这个附加电源的作用下，行波向线路两端传播，例如行波极性判别式原理。但叠加原理仅适用于线性网络，对于非线性的直流输电系统，这一原理是否有效就值得深入研究，探索新的适合直流系统故障暂态过程分析的方法是解决高压直流输电线路暂态保护的基础问题之一。

（4）对于暂态行波保护来说，高过渡电阻短路是一道很难逾越的鸿沟，因为当过渡电阻较大时，行波波头中含有的高频分量大量减少，从而导致波头不明显，给暂态行波检测带来困难。因此必须有一套能够反映包括暂态量和稳态量在内的克服较大过渡电阻的保护作为高过渡电阻故障的主保护，由于故障后低电压限流等控制系统的作用，电流纵差动保护不能满足速动性要求。研究反映全部电气量信息具有灵敏度高，抗过渡电阻能力强，故障特征持续，不受控制系统作用的影响，不受线路边界特征的影响等，这些新型直流输电线路的暂态保护原理、判据、算法和方案是继电保护研究者的重要内容。

参考文献

[1]束洪春，刘可真，朱盛强，等.±800kV特高压直流输电线路单端电气量暂态保护[J].中国电机工程学报，2010，30（31）：108-117.

[2]张保会，张嵩，尤敏，等.高压直流线路单端暂态量保护研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（15）：18-23.