CN104122489A - 一种直流输电线路单相接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流输电线路单相接地故障选线方法，包含以下顺序的步骤：继电保护装置上电；赋值给行波保护定值△₁、△₂；测量保护安装侧接地极线路电压U_dN；计算接地极电压平均值U_dN-AVG；判断是否满足U_dN-AVG>△₁或-U_dN-AVG>△₁：若满足则进入下一步骤，若不满足则重复本步骤；测量接地极电压单向变化时间判断是否满足若满足且U_dN-AVG>△₁则为故障极为负极，若满足且-U_dN-AVG>△₁则故障极为正极，若不满足则为暂态扰动。本发明的方法，不需换流站或正负极线间通信，动作迅速可靠，且在单极降压运行时仍可保证耐受较高的过渡电阻。

Description

一种直流输电线路单相接地故障选线方法

技术领域

本发明涉及电力系统直流输电领域，具体涉及一种直流输电线路单相接地故障选线方法。

背景技术

随着我国经济迅速发展，能源需求与自然资源分布不均的特点日渐突出，对于远距离，大功率的高压直流输电工程需求不断增加。因此，近年来，我国已有多条高压直流输电工程投产或投运，高压直流输电有：天广、贵广、兴安、两渡等，特高压直流工程有：云南-广州、溪洛渡-浙西、哈密-河南、酒泉-湖南、向家坝-上海、锦屏-苏南等等，可见直流输电在电网的安全稳定和资源的优化配置方面有着积极的意义，大力推动了我国“西电东送”工程的快速发展。

但是，直流输电距离长，发生接地或雷击故障的几率高于其他直流元件，而直流线路保护存在各种各样的问题，与其重要的地位不相符：

(1)单极降压运行时，线路保护故障选线可靠性较低。当本极单极降压运行时，本极线路故障时，故障分量等比例下降，但对极线路故障时，本极线路上产生的耦合分量不变。因此相当于，在降压运行时干扰分量明显增加，导致降压极线路保护区分故障极难度增加，可靠性降低。

(2)直流线路保护的可靠性差。直流线路保护采用行波保护作为线路的主保护，其特点为动作速率较快，在故障发生后约5-15ms即可动作，但动作可靠性较差，在直流输电工程运行中已多次发生由于行波保护异常动作，导致直流双击闭锁的事故发生。

(3)直流线路保护对于高阻接地故障的动作延迟长。直流线路保护采用电流差动保护作为后备保护，其特点为耐受过渡电阻能力较高，但需要换流站间通讯(20-30ms)且保护延迟长(0.5s-1s)，无法实现直流线路故障的快速识别。

综上，本方法现基于实际工程条件及面临的问题，从直流线路接地故障与雷击故障时暂态特性出发，在接地故障选线的原理上加以创新，对提高直流故障选线方法的适应性和保护性能的提高着重要的理论和工程价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有直流线路保护在降压运行时保护可靠性下降且耐受过渡电阻能力不足的确定，提供一种具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种直流输电线路单相接地故障选线方法，其特征在于：包含以下顺序的步骤：

1)继电保护装置上电；

2)赋值给行波保护定值△₁、△₂；其中△₁为本故障选线方法的接地极电压启动定值；△₂为接地极电压单向变化时间的判断定值；

3)测量本极线路电压U_dN；

4)计算接地极电压平均值U_dN-AVG；

5)判断是否满足U_dN-AVG>△₁或-U_dN-AVG>△₁：

a.若满足则判断线路上发生故障或扰动，进入下一步骤；

b.否则，返回步骤4)

6)计算接地极电压单向变化时间

7)判断是否满足

a.若满足，且U_dN-AVG>△₁，则判断为负极线路发生接地故障；

b.若满足，且-U_dN-AVG>△₁，则判断为正极线路发生接地故障；

c.否则为暂态扰动。

优选的，步骤2)中，所述的接地极电压启动定值△₁需大于直流输电线路稳定运行时的接地极电压绝对值最大值。

优选的，步骤2)中，所述的接地极电压单向变化时间的判断定值△₂需小于区内接地故障且大于雷击扰动情况。

优选的，步骤3)中，本极线路电压U_dN的测量电压为：

a)对于线模分量而言，由于衰减相同，幅值相同，极性相反，因此在阀的低压端接地极U_dN1＝0，即线模分量相互抵消；

b)对于地模分量而言，由于衰减相同，幅值相同，极性相同，因此在阀的低压端接地极U_dN0＝2kU_地模，其中k为线路及阀的衰减系数和线路末端折射系数的综合，即地模分量同向叠加。

优选的，步骤4)中，所述的接地极电压平均值U_dN-AVG的计算方式如下：

$U_{\mathrm{dN}-\mathrm{AVG}}\left(n\right)=\frac{U_{\mathrm{dN}}\left(n\right)+U_{\mathrm{dN}}(n-1)+......+U_{\mathrm{dN}}(n-8)+U_{\mathrm{dN}}(n-9)}{10}$

其中，n表示为当前采样点位置，因此接地极电压平均值U_dN-AVG实际为相邻10个采样点接地极电压U_dN的平均值。

优选的，步骤6)中，所述的接地极电压单向变化时间的计算方式如下：

$T_{U_{\mathrm{dN}}}=(n_{\mathrm{end}}-n_{\mathrm{start}})\mathrm{\ΔT}$

其中，n_start为本方法满足步骤5)的第一个采样点位置；若U_dN-AVG>△₁，则n_end为第一个满足于U_dN-AVG<0的采样点位置；若-U_dN-AVG>△₁，则n_end为第一个满足于U_dN-AVG>0的采样点位置；△T为本方法中的采样时间间隔。

优选的，步骤7)中，还包括对△₁和△₂进行整定的步骤，整定的原则如下：

△₁＝k*max(U_dN)

其中，max(U_dN)为线路正常运行时，接地极电压最大波动值；k为可靠系数，大于1；T_UdN-接地和T_UdN-扰动分别为线路接地故障和暂态扰动时，接地极电压波头向故障极的相反方向变化时间。

本发明的工作原理如下：

当单回直流线路的一极发生故障时，可认为是在故障极上叠加一与线路电压幅值相同、极线相反的电压源(故障分量)，同时在非故障极上耦合出耦合分量，而故障分量和耦合分量又可以解耦成地模和线模分量：

其中，地模分量在故障极和非故障上幅值相等，极性相同；线模分量在故障极和非故障上幅值相等，极性相反，而由于故障极和非故障正常运行电压极线相反，因此线模使两者的线路电压绝对值均变小，而地模使故障极电压绝对值下降，而使非故障极线路电压绝对值增加。

因此，当一极降压运行时，全压运行极上出现接地故障，降压运行极上耦合分量与其全压运行时相同，因而增加了行波保护拒误动风险，实际上可理解为增加了故障极识别难度。

上述问题的关键则为由于电磁耦合特性，非故障极的耦合分量由故障极决定，两根极线中模分量幅值相同，因此当非故障极降压运行，耦合分量中的地模、线模与运行电压的比值增大。

虽然上述特征即给行波保护带来的不利的影响，但是也应提供了较为便利的故障极区分方法。

图1(a)和图1(b)给出了直流线路故障时，线模和地模行波自故障点开始的传播过程，两者极性、幅值虽然不同，但传播路径基本一致，自故障点分别向线路始端和末端传播，分别经过直流线路、平波电抗器、换流阀和接地极极线而后与大地发生全反射。

而故障极和非故障极的同模分量在线路及阀上的衰减系数近似相等，因两者在阀的低压端接地极同向或反向叠加：

a)对于线模分量而言，由于衰减相同，幅值相同，极性相反，因此在阀的低压端接地极U_dN1＝0，即线模分量相互抵消。

b)对于地模分量而言，由于衰减相同，幅值相同，极性相同，因此在阀的低压端接地极U_dN0＝2kU_地模，其中k为线路及阀的衰减系数和线路末端折射系数的综合，即地模分量同向叠加。

综上可知，阀的低压端接地极的测量电压为：

即接地极线上只存在地模分量。而由于地模分量极性与故障极性相反，而虽然地模波经过线路末端折射，但在接地极电压波头仍满足上述特征，如图2所示，因此可利用接地极电压波头极性判断故障极。

而过渡电阻改变并不影响接地极电压波头向故障极的相反方向变化时间(例如正极故障，T(U_dN<0))，如图3(a)、图3(b)和图4(a)、4(b)所示。

而以10/350μs的30kA雷电流模拟非故障雷击，由图5可知，暂态扰动时接地极电压波头向故障极的相反方向变化时间明显小于线路接地故障。

综上可知，利用接地极电压波头极性及接地极电压波头向故障极的相反方向变化时间可准确的判断故障极和区分暂态扰动，且存在一定裕度。

由于为避免测量装置的噪音干扰，可对接地极进行平均值处理，因此直流输电线路单相接地故障选线方法的判断公式如下所示：

其中，值U_dN-AVG实际为相邻10个采样点接地极电压U_dN的平均值；为接地极电压波头向故障极的相反方向变化时间；△₁、△₂为判断定值。

本发明的整定原则如下：

△₁＝k*max(U_dN)

其中，max(U_dN)为线路正常运行时，接地极电压最大波动值；k为可靠系数，大于1；T_UdN-接地和T_UdN-扰动分别为线路接地故障和暂态扰动时，接地极电压波头向故障极的相反方向变化时间。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、耐受过渡电阻能力强。传统直流线路保护利用电压电流定值区分接地故障，因而在高阻接地时，由于保护动作量下降导致发生保护异常动作。而本方法基本原理利用电压变化极性判断故障极线，利用变化时间区分接地故障和暂态扰动，而直流线路上极性特征和时间特征受过渡电阻的影响较小，在高阻接地时仍可保证正确判断。

2、计算量小，动作迅速。首先本方法对采样频率的要求不高，在直流线路现有采样条件下即可正常工作。其次本方法计算量小，主要集中在平均值U_{dN_AVG}的求取与变化时间的测量，明显小于现有技术。同时由于直流线路末端阻抗特性的影响，本方法在故障行波到达10ms内即可完成判断，动作迅速。

3、不增加通讯环节。由于直流系统正负极均对接地极电压进行测量，因此本方法利用直流线路单端单极的电气信息即可完成判断，无需换流站间通讯和正负极间通讯，不受通信失败的影响，具有较高的工程适用价值。

4、单极降压运行时仍可保证较高的灵敏度。当一极发生接地故障时，另一极全压或降压运行时耦合处的感应电压幅值相同，但降压运行相当对非故障极耦合出更大的暂态干扰，这导致现有技术在降压运行时性能下降严重。而本方法利用电压极性，理论上不受运行电压幅值的影响，因此单极降压运行时仍可保证较高的灵敏度。

附图说明

图1(a)为线模行波传播过程图；

图1(b)为地模行波传播过程图；

图2为正极故障与负极故障接地极电压对比；

图3(a)为线路中点正极金属性整流侧接地极电压；

图3(b)为线路中点正极金属性逆变侧接地极电压；

图4(a)为线路中点正极高阻接地整流侧接地极电压；

图4(b)为线路中点正极高阻接地逆变侧接地极电压；

图5为接地故障与非故障雷击时接地极电压对比；

图6为故障选线方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图6，一种具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法，包括以下顺序的步骤：

1)继电保护装置上电；

2)赋值给行波保护定值△₁、△₂；其中△₁为本故障选线方法的接地极电压启动定值；△₂为接地极电压单向变化时间的判断定值；

3)测量本极线路电压U_dN；

4)计算接地极电压平均值U_dN-AVG；

$U_{\mathrm{dN}-\mathrm{AVG}}\left(n\right)=\frac{U_{\mathrm{dN}}\left(n\right)+U_{\mathrm{dN}}(n-1)+......+U_{\mathrm{dN}}(n-8)+U_{\mathrm{dN}}(n-9)}{10}$

其中，n表示为当前采样点位置。

5)判断是否满足U_dN-AVG>△₁或-U_dN-AVG>△₁：

a.若满足则判断线路上发生故障或扰动，进入下一步骤；

b.否则，返回步骤4)

6)计算接地极电压单向变化时间

7)判断是否满足

$T_{U_{\mathrm{dN}}}=(n_{\mathrm{end}}-n_{\mathrm{start}})\mathrm{\&Delta;T}$

其中，n_start为本方法满足步骤5)的第一个采样点位置；若U_dN-AVG>△₁，则n_end为第一个满足于U_dN-AVG<0的采样点位置；若-U_dN-AVG>△₁，则n_end为第一个满足于U_dN-AVG>0的采样点位置。

a.若满足，且U_dN-AVG>△₁，则判断为负极线路发生接地故障；

b.若满足，且-U_dN-AVG>△₁，则判断为正极线路发生接地故障；

c.否则为暂态扰动。

工程实施例：

采用PSCAD/EMTDC仿真软件，参考云广直流工程的系统参数，构建同塔单回直流输电系统模型。同塔单回直流输电线路模型采用依频参数模型构建，线路全长1418Km。然后，在该直流输电系统模型的基础上，根据本发明的直流输电线路单相接地故障选线方法，编写MATLAB计算程序。保护采样时间间隔0.15ms。

保护整定结果如下：

△₁＝k*max(U_dN)＝1.2*8.2≈10(kV)

分别在线路距离整流侧15km、709km和1403km处设置不同的故障类型和过渡电阻，观察故障选线模型的输出结果，如下表1所示。

表1 故障仿真结果

理论和实际表明本发明，动作速度快，能够有效的区分故障极线路，不受高阻接地的影响。且距故障点较近端在多种故障条件下均可正确判断故障类型。在单极降压运行时，本方法仍能够保持良好的极线及故障类型的判断能力。因此本发明可大大提高直流线路保护的灵敏性、可靠性和速动性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直流输电线路单相接地故障选线方法，其特征在于：包含以下顺序的步骤：

1)继电保护装置上电；

2)赋值给行波保护定值△₁、△₂；其中△₁为本故障选线方法的接地极电压启动定值；△₂为接地极电压单向变化时间的判断定值；

3)测量本极线路电压U_dN；

4)计算接地极电压平均值U_dN-AVG；

5)判断是否满足U_dN-AVG>△₁或-U_dN-AVG>△₁：

a.若满足则判断线路上发生故障或扰动，进入下一步骤；

b.否则，返回步骤4)；

6)计算接地极电压单向变化时间

7)判断是否满足

a.若满足，且U_dN-AVG>△₁，则判断为负极线路发生接地故障；

b.若满足，且-U_dN-AVG>△₁，则判断为正极线路发生接地故障；

c.否则为暂态扰动。

2.根据权利要求1所述的直流输电线路单相接地故障选线方法，其特征在于：步骤2)中，所述的接地极电压启动定值△₁需大于直流输电线路稳定运行时的接地极电压绝对值最大值。

3.根据权利要求1所述的直流输电线路单相接地故障选线方法，其特征在于：步骤2)中，所述的接地极电压单向变化时间的判断定值△₂需小于区内接地故障且大于雷击扰动情况。

4.根据权利要求1所述的直流输电线路单相接地故障选线方法，其特征在于：步骤3)中，本极线路电压U_dN的测量电压为：

a)对于线模分量而言，由于衰减相同，幅值相同，极性相反，因此在阀的低压端接地极U_dN1＝0，即线模分量相互抵消；

b)对于地模分量而言，由于衰减相同，幅值相同，极性相同，因此在阀的低压端接地极U_dN0＝2kU_地模，其中k为线路及阀的衰减系数和线路末端折射系数的综合，即地模分量同向叠加。

5.根据权利要求1所述的直流输电线路单相接地故障选线方法，其特征在于：步骤4)中，所述的接地极电压平均值U_dN-AVG的计算方式如下：

$U_{\mathrm{dN}-\mathrm{AVG}}\left(n\right)=\frac{U_{\mathrm{dN}}\left(n\right)+U_{\mathrm{dN}}(n-1)+......+U_{\mathrm{dN}}(n-8)+U_{\mathrm{dN}}(n-9)}{10}$

其中，n表示为当前采样点位置，因此接地极电压平均值U_dN-AVG实际为相邻10个采样点接地极电压U_dN的平均值。

6.根据权利要求1所述的直流输电线路单相接地故障选线方法，其特征在于：步骤6)中，所述的接地极电压单向变化时间的计算方式如下：

$T_{U_{\mathrm{dN}}}=(n_{\mathrm{end}}-n_{\mathrm{start}})\mathrm{\&Delta;T}$

其中，n_start为本方法满足步骤5)的第一个采样点位置；若U_dN-AVG>△₁，则n_end为第一个满足于U_dN-AVG<0的采样点位置；若-U_dN-AVG>△₁，则n_end为第一个满足于U_dN-AVG>0的采样点位置；△T为本方法中的采样时间间隔。

7.根据权利要求1所述的直流输电线路单相接地故障选线方法，其特征在于：步骤7)中，还包括对△₁和△₂进行整定的步骤，整定的原则如下：

△₁＝k*max(U_dN)

其中，max(U_dN)为线路正常运行时，接地极电压最大波动值；k为可靠系数，大于1；T_UdN-接地和T_UdN-扰动分别为线路接地故障和暂态扰动时，接地极电压波头向故障极的相反方向变化时间。