CN106384993A - 一种差动原理的直流接地极引线保护系统和故障判别方法 - Google Patents

Abstract

一种差动原理的直流接地极引线保护系统和故障判别方法，借鉴高压交流输电系统中广泛使用的线路纵联差动保护技术应用于高压直流输电系统接地极引线短路故障的判别，实现接地极引线的全范围接地短路故障保护，消除了原来采用的不平衡电流保护在接地极侧20％的动作死区；通过纵联差动保护和横联差动保护的综合判据实现了接地极引线接地短路故障和断线故障的判别，以便于对不同的故障类型采取不同的有效策略。从而大大提高了接地极引线保护的可靠性。本发明可以广泛在高压直流输电领域中应用。

Description

一种差动原理的直流接地极引线保护系统和故障判别方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种高压直流输电线路接地极引线(以下简称接地极引线)的全范围差动保护实现和接地极引线短路或断线故障判断的保护系统和故障判别方法。

背景技术

目前现场运行的接地极引线接地故障主要由采集单端量接地极引线不平衡电流保护实现，但是由于不平衡电流阈值要考虑躲开互感器的最大测量误差，无法保护线路全长，目前按80％线路长度、金属接地故障整定，靠近接地极的20％线路长度范围为保护动作死区，如果在此范围内发生接地故障无法切除。

当接地极引线发生单根断线故障时，故障引线无电流通过；当接地极引线发生靠近换流站侧的单根引线接地故障时，非故障引线电流很小甚至可能为0。由于两种故障情况下的电流特征类似，单纯通过不平衡电流判据无法区分故障类型。

纵联差动保护技术是一种成熟应用在交流输电线路的保护方法，纵联保护的原理是利用某种通信通道将输电线路两端的保护装置纵向连接起来，将各端电气量送到对端进行比较，通过电流量的变化情况以判别故障在线路内还是在线路外，从而确定是否切除故障。

发明内容

针对以上问题，本发明借鉴高压交流输电系统中广泛使用的线路纵联差动保护技术应用于高压直流输电系统接地极引线短路故障的判别，实现接地极引线的全范围接地短路故障保护，消除了仅采用的不平衡电流保护时接地极侧20％的动作死区；通过纵联差动保护和横联差动保护的综合判据实现了接地极引线短路和断线故障的判别，以便于对不同的故障类型采取不同的有效策略。

本申请中的一种差动原理的直流接地极引线保护系统具体采用以下技术方案：

一种差动原理的直流接地极引线保护系统，包括4台直流全光纤电流互感器、6台合并单元和3台接地极引线差动保护装置；其特征在于：

接地极通过两根同杆并架并联运行的高压直流输电线路接地极引线与换流站侧接地极母线连接，两根直流接地极引线无论在单极运行还是双极运行情况下都各自分担1/2的直流接地极电流。

每根直流接地极引线在靠近换流站侧和接地极侧分别配置1台直流全光纤电流互感器，每台直流全光纤电流互感器带3个独立的二次输出端；

在换流站侧和接地极侧分别设置3台独立的合并单元，2根直流接地极引线在换流站侧配置的直流全光纤电流互感器二次输出端分别连接至换流站侧3台独立的合并单元的输入端；2根直流接地极引线在接地极侧配置的直流全光纤电流互感器二次输出端分别连接至接地极侧3台独立的合并单元的输入端；

换流站侧和接地极侧每台合并单元对各自侧的2台直流全光纤电流互感器的电流量数字信号报文进行解码，将2路信号按同一采样时刻进行插值后的二次重采样，二次重采样后的报文重新组帧合并为一条含2台互感器电流信息的报文，然后发送给配置在换流站侧的对应的接地极引线差动保护装置；

3台接地极引线差动保护装置基于差动原理分别独立进行直接接地极引线的保护。本申请公开的一种差动原理的直流接地极引线故障判别方法具体采用以下技术方案：

分别在两条接地极引线的换流站侧和接地极侧安装直流全光纤电流互感器，通过比较这四个互感器所测电流值的变化情况，识别故障情况；通过每根接地极引线换流站侧和接地极侧的互感器采集的电流信息构建纵联差动保护，反映接地极引线区内故障。通过纵联差动保护和横联差动保护的综合判据实现了接地极引线短路和断线故障判别，以便于对不同的故障类型采取不同的有效策略。

一种差动原理的直流接地极引线故障判别方法，在直流输电系统换流站侧和接地极侧之间并联设置2根直流接地极引线；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：通过设置在2根直流接地极引线两侧即换流站侧和接地极侧的互感器，实时采集2根直流接地极引线两端的电流信号；

步骤2：分别计算2根直流接地极引线两端的纵差电流，判断纵差电流是否大于预先设定的纵联差动保护定值Iset1，如果某根直流接地极引线两端纵差电流大于所述纵联差动保护定值Iset1，则判断该直流接地极引线发生了区内接地故障；如果2根直流接地极引线两端纵差电流均不大于所述纵联差动保护定值Iset1，则进入步骤3；

步骤3：根据2根直流接地极引线位于换流站侧的互感器监测的实时电流值，计算2根直流接地极引线在换流站侧的横差电流值，判断横差电流值是否大于预先设定的横联差动保护定值Iset2，如果不大于，则判定2根直流接地极引线均处于正常运行状态，否则进入步骤4。

步骤4：分别判断换流站侧2根直流接地极引线的实时电流值是否小于预先设定的有流定值Iset3，小于预先设定的有流定值Iset3的那根直流接地极引线判断为发生了断线故障。

纵联差动保护采用比例制动特性的差动电流保护，纵联差动保护定值Iset1的取值范围为0.117～0.135In；其中，In为每条接地极引线上的额定电流；

所述横联差动保护电流定值Iset2的取值范围为0.09～0.103In。

所述有流定值Iset3的取值按0.05In选取。

进一步优选：

纵联差动保护定值Iset1的取值为0.12In；

横联差动保护电流定值Iset2采用0.1In。

本申请相对于现有技术，具有以下有益的技术效果：

1、实现接地极引线的全范围接地短路故障保护。

接地极引线纵联差动保护的工作原理就是对正常和故障情况下两端的电流差值进行比较进行故障的甄别实现可靠的全范围保护。正常状态下在2根接地极引线两端测量的电流差值理论值为零；而在区内故障状态下，电流两侧的差值将发生突变，最不利的情况下即使在其中一根引线末端故障时差流值也将达到接地极引线电流的一半，即使在接地极侧20％的线路范围内故障也能可靠保护，实现了接地极引线的全范围保护。

2、通过纵联差动保护和横联差动保护的综合判据实现了接地极引线短路和断线故障的可靠判别。接地极引线单根断线或接地后，在横联差动保护判据基础上结合引线纵联差动保护判据进行综合判定，能可靠甄别别断线故障和短路故障。以便于对不同的故障类型采取不同的有效策略。从而大大提高了接地极引线保护的可靠性。

附图说明

图1为接地极引线差动保护系统结构框图；

图2为接地极引线接地故障原理分析图；

图3为接地极引线断线故障原理分析图；

图4为差动原理的直流接地极引线故障判别方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

如图1所示，一种差动原理的直流接地极引线保护系统，包括换流站侧和接地极侧共4台互感器、6台合并单元和3台接地极引线差动保护装置，为保证系统可靠性，即使在人迹罕至的接地极侧也设置专线外引电源的的交直流电源系统提供这些二次装置的直流电源，设置与接地极引线同杆并架的OPGW架空光纤进行换流站和接地极间的数据通信。

接地极通过接地极引线与换流站侧接地极母线连接，为了减少单根接地极引线故障对高压直流输电系统的影响，工程中一般采用同杆并架的两根接地极引线并联运行，两根接地极引线无论在单极运行还是双极运行情况下都各自分担1/2的直流接地极电流。

在接地极侧的2根接地线上分别安装1台直流全光纤电流互感器，每台直流全光纤电流互感器带3个独立的二次输出端至3台独立的合并单元，3台合并单元对2台电子互感器的电流量数字信号进行解码并合并重新组帧后通过站间的OPGW架空光纤进行传送，发送给换流站侧的3台直流保护。同理，换流站侧的互感器和合并单元做相同的配置和处理，不同的是换流站侧的合并单元和直流保护距离比较近，不用通过长距离的OPGW架空光纤进行远距离通信，在换流站内短距离光纤通信即可。

高压直流继电保护系统一般配置三套完全相同的保护装置，三套保护之间在物理和电气联系上完全独立，任意一套保护由于故障、检修或其他原因完全退出时，不会对另外两套保护造成影响，保证了可靠性。因此在换流站侧配置3台接地极引线差动保护装置，3台接地极引线差动保护装置分别与换流站侧3台合并单元和接地极侧3台合并单元相对应，合并单元对各自侧的2台电子互感器的电流量数字信号进行解码并合并重新组帧后发送给保护系统,信息直采直送，不进行任何逻辑处理，每一台接地极差动保护装置分别接收对应的换流站侧合并单元、接地极侧合并单元传送的两条接地极引线两侧共4个电流数据，分别独立进行接地极的差动保护。

接地极侧的二次设备直流电源参考换流站侧配置高可靠性的“两电三充”方式即两组电池三组直流充电机方式。电源采用专用外引交流电源，通过两台直流充电机转换为直流后连接至两段直流母线，其中第三台充电机通过切换方式连接至两段直流母线中的某段母线，实现第一台或第二台充电机故障或检修情况下的后备。另外两段直流母线各有一组直流电池供电，保障交流电源失去后的直流供电。两段直流母线切换后形成第三段直流母线，三段母线分别向各自负荷供电。

直流接地极引线保护装置只在换流站配置，但是需要采集上百公里外接地极侧的测量数据，需要配置通信链路进行数据传输。为了保证可靠性，直流接地极引线保护系统使用的接地极到换流站的通信链路采用沿接地极引线同杆架设的OPGW架空光纤。

接地极引线接地故障判别原理分析如图2所示，接地极引线纵联差动保护的工作原理就是对正常和故障情况下两端的电流差值进行比较来进行故障的甄别实现的全范围保护。正常状态下在接地极引线两端的纵差电流理论值为零。在区内故障状态下，电流两侧的纵差值将发生突变，即使在接地极引线末端故障时纵差值也将达到接地极引线电流的一半。此时假定引线全长为1，在L1线距离换流站L(0≤L≤1)处发生接地故障时各个互感器的测量电流和纵差横差计算电流见下面各公式：(备注：Ie1：1线换流站侧电流；Ie2：2线换流站侧电流；Ie3：1线接地极侧电流；Ie4：2线接地极侧电流；I_eΔz1：故障线纵差电流；I_eΔz2：非故障线纵差电流；I_eΔH：两线横差电流；Ie为2条接地极引线上的总电流即接地极电流)

$I_{e1}=I\×\frac{1}{1+L}$

$I_{e2}=I_{e4}=I_e\×\frac{L}{1+L}$

I_e3＝0

$I_{e\mathrm{\Δ}z1}=I_{e1}=I_e\×\frac{1}{1+L}---\left(1\right)$

I_eΔz2＝I_e2-I_e4＝0

$I_{e\mathrm{\Δ}H}=I_e\×\frac{1-L}{1+L}---\left(2\right)$

从式(2)可看出，在靠近接地极侧的线路范围内金属性接地故障时，相当于L趋近1，在换流站侧的2个互感器测量到的电流横差值趋近于0。但是不平衡电流保护的不平衡电流下限阈值要可靠需要躲开互感器的测量误差，对此范围内的接地故障不能反应，不平衡电流保护的保护范围将大大缩小。

从式(1)可看出，即使在靠近接地极侧的线路范围内发生接地故障，相当于L趋近1，接地极引线两侧互感器测量到的电流纵差值最小也在0.5Ie以上，在单极运行时接地极引线流过大电流情况下(几千安电流)完全可以躲开两端电流互感器大量程下的测量误差(几安电流)；在双极运行时小电流情况下(几安电流)也能躲开两端电流互感器小量程下的的测量误差(0.5安)。在单极和双极运行情况下，接地故障能快速可靠甄别，实现了接地极引线的全范围快速保护。

接地极引线断线故障判别实现方法。接地极单根引线的断线故障判别原理如图3所示。接地极引线L1单根断线时：

Ie1＝Ie3＝0，Ie2＝Ie4＝Ie,I_eΔz1＝0,I_eΔz2＝0,I_eΔH＝Ie

两线横差电流值为1倍Ie，但是仅这个横差电流值判据不能确定一定是接地极引线发生了单根断线。例如：接地极引线的2根导线L1和L2，在L1首端(靠近换流站侧)一定范围内的金属性接地短路故障时横差电流值也在1倍Ie左右，这两种情况需要进行区分以便采取不同的控制系统策略。针对此情况本发明提出在横差判据基础上结合纵差判据进行综合判定：在单根接地时，总会有1根线路纵差为至少0.5倍Ie；但是在单根断线时，2根线路纵差均为0。通过此综合判据，可以避免单独通过单端量的横差判据造成某些范围内实际接地故障时的断线告警误判，实现接地极引线的断线可靠甄别。

基于上述分析，本申请公开了一种差动原理的直流接地极引线故障判别方法，其步骤顺序如附图4所示：

步骤1：故障发生后，接地极引线差动保护采集到4个互感器的电流信号，并合成纵差电流和横差电流，并将根据触发动作量的不同实现对故障类型的判断。

步骤2：根据L1(L2)的纵差电流进行判断，如果L1(L2)的纵差电流大于纵联差动保护定值Iset1，直接判断为L1(L2)发生了接地故障。如果L1和L2都不满足条件可以断定L1和L2都没有发生接地故障，并进入步骤3进行进一步判断。

所述纵联差动保护采用比例制动特性的差动电流保护，纵联差动保护定值Iset1的取值范围为0.117～0.135In，优选采用0.12In，比例系数推荐采用0.1。(In为每条接地极引线上的额定电流)。

步骤3：根据换流站侧L1和L2之间的横联差动电流Ie1和Ie2进行进一步判断，如果Ie1和Ie2的横差电流大于横联差动保护定值Iset2，由于步骤2已经判定L1和L1都没有发生接地故障，可以推断是L1或L2发生了断线故障，并进入步骤4进行下一步判断。如果Ie1和Ie2的横差电流小于横联差动保护定值Iset2，则可以判定为L1和L2都是是正常状态。所述横联差动保护电流定值Iset2的取值范围为0.09～0.103In，实际使用采用0.1In。(In为每条接地极引线上的额定电流)。

步骤4：结合L1(L2)的电流进行下一步判断，如果L1的电流小于L1(L2)的有流定值Iset3，直接判断为L1(L2)发生了断线故障。

其中，所述有流定值Iset3的取值按0.05IN选取。

本申请以800万kW输送功率，±800kV的特高压直流系统为例，电流为10000A，单根接地极引线额定电流为5000A，纵联差动保护电流启动定值Iset1为600A，纵联差动保护电流定值为500A，有流定值为250A。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种差动原理的直流接地极引线保护系统，包括4台直流全光纤电流互感器、6台合并单元和3台接地极引线差动保护装置；其特征在于：

接地极通过两根同杆并架并联运行的高压直流输电线路接地极引线即直流接地极引线与换流站侧接地极母线连接，两根直流接地极引线无论在单极运行还是双极运行情况下都各自分担1/2的直流接地极电流。

每根直流接地极引线在换流站侧和接地极侧分别配置1台直流全光纤电流互感器，每台直流全光纤电流互感器带3个独立的二次输出端；

在换流站侧和接地极侧分别设置3台独立的合并单元，2根接地极引线在换流站侧配置的直流全光纤电流互感器的3个二次输出端分别连接至换流站侧3台独立的合并单元的输入端；2根直流接地极引线在接地极侧配置的直流全光纤电流互感器二次输出端分别连接至接地极侧3台独立的合并单元的二次输入端；

换流站侧和接地极侧每台合并单元对各自侧的2台直流全光纤电流互感器的电流量数字信号报文进行解码，并将2路信号按同一采样时刻进行插值后的二次重采样，二次重采样后的报文重新组帧合并为一条含2台互感器电流信息的报文，然后发送给配置在换流站侧的对应的接地极引线差动保护装置；

3台直流接地极引线差动保护装置只在换流站侧配置，每台保护装置收集换流站侧和接地极侧的6台合并单元电流信息后基于差动保护原理分别独立进行直流接地极引线的保护。

2.一种差动原理的直流接地极引线故障判别方法，在直流输电系统换流站侧和接地极侧之间并联设置2根直流接地极引线；其特征在于：

分别在两条接地极引线的换流站侧和接地极侧安装直流全光纤电流互感器，通过比较这四个互感器所测电流值的变化情况，识别故障情况；通过每根接地极引线换流站侧和接地极侧的互感器采集的电流信息构建纵联差动保护，反映接地极引线区内故障；通过纵联差动保护和横联差动保护的综合判据实现接地极引线短路和断线故障的判别。

3.一种差动原理的直流接地极引线故障判别方法，在直流输电系统换流站侧和接地极侧之间并联设置2根直流接地极引线；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：通过设置在2根直流接地极引线两侧即换流站侧和接地极侧的互感器，实时采集2根直流接地极引线两端的电流信号；

步骤2：分别计算2根直流接地极引线两端的纵差电流，判断纵差电流是否大于预先设定的纵联差动保护定值Iset1，如果某根直流接地极引线两端纵差电流大于所述纵联差动保护定值Iset1，则判断该直流接地极引线发生了区内接地故障；如果2根直流接地极引线两端纵差电流均不大于所述纵联差动保护定值Iset1，则进入步骤3；

步骤3：根据2根直流接地极引线位于换流站侧的互感器监测的实时电流值，计算2根直流接地极引线在换流站侧的横差电流值，判断横差电流值是否大于预先设定的横联差动保护定值Iset2，如果不大于，则判定2根直流接地极引线均处于正常运行状态，否则进入步骤4。

步骤4：分别判断换流站侧2根直流接地极引线的实时电流值是否小于预先设定的有流定值Iset3，小于预先设定的有流定值Iset3的那根直流接地极引线判断为发生了断线故障。

4.根据权利要求3所述的差动原理的直流接地极引线故障判别方法，其特征在于：

纵联差动保护采用比例制动特性的差动电流保护，纵联差动保护定值Iset1的取值范围为0.117～0.135In；其中，In为每条接地极引线上的额定电流；

所述横联差动保护电流定值Iset2的取值范围为0.09～0.103In。

所述有流定值Iset3的取值按0.05In选取。

5.根据权利要求4所述的差动原理的直流接地极引线故障判别方法，其特征在于：

纵联差动保护定值Iset1的取值为0.12In；

横联差动保护电流定值Iset2采用0.1In。