摘要：中国地域辽阔，能源资源与负荷中心分布极不均衡，随着经济建设的快速发展，大容量长距离输电成为必然。特高压直流输电在远距离、大容量输电场合和大区互联场合相比于交流输电系统有着突出的优势。基于此，本文以特高压直流线路为切入点，对特高压直流线路保护原理及动作策略进行分析。
关键词:特高压直流；原理；策略
1特高压直流系统结构分析
特高压直流输电系统主要包括整流站、逆变站和直流线路3个部分，特高压直流输电系统的构成简图见图1。换流站中包括换流变压器、换流器、平波电抗器、交流滤波器及交流无功补偿装置、交/直流滤波器、控制与保护装置等主要设备或设施。常规的高压直流系统单极一般只有一个12脉动换流器，而在特高压直流输电系统中，每极是两组12脉动换流器串联，从而使得输出电压提高1倍，但同时也使得晶闸管和换流变压器的数量大大增加，运行方式更复杂，对控制和保护的要求也更高。
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图1
2特高压直流线路保护原理
2.1行波保护
由于电流调节器对电流的快速调节，直流线路故障瞬间的过冲电流和故障稳态电流相比较交流线路故障时都要小很多(一般短路电流的峰值仅为正常额定电流值的2倍)，这样就很难根据正常与故障时的稳态电流值来判别故障，于是借助电压变化量或电流的暂态分量来甄别故障，即行波暂态量保护。
目前，国内外研究人员提出了许多原理和实施方式的行波保护。现有特高压直流工程行波保护应用最多的是SIEMENS和ABB公司的方案。SIEMENS方案故障检测采用的是反行波突变量的积分，启动判据采用的是电压微分。其在常规高压直流线路的配置采用3取2原则，而在特高压直流线路中采用冗余配置，可消除因保护装置故障引起的停运，但同时也存在保护原理不互补的缺点。ABB公司的行波保护方案采用极模波(polemodewave)来检测故障、用地模波(groundmodewave)来选择故障极的。
上述两种方案都存在着理论不够严密、耐过渡电阻能力有限、对采样频率要求过高等问题。为了解决存在于行波保护中的问题，学者们做了许多工作，主要包括两个方面：一类是将小波变换、数学形态学等信号处理方法引入到行波保护中；另一类则是基于直流线路的故障暂态特征，从不同角度实现对直流线路故障的识别，如直流线路的单端暂态保护、双端暂态保护、自适应行波保护等。
根据直流线路故障的暂态特征，从不同角度实现对故障的识别；利用暂态量低频部分在线路两端的差值实现区内、外故障的判断；利用保护元件来实现对侧区内、外故障的判别；提出利用线路两端暂态电流信号的频率特征识别故障的方案，具有装置简单、通信速度快、可靠性高的特点；提出基于极波的暂态量保护方案；利用故障行波波头阶段的固定采样点和固定时间窗内的信息进行故障判别，可靠性好、时间窗短、耐受过渡电阻能力强。
2.2微分欠压保护
微分欠压保护依靠检测电压微分数值和电压幅值水平实现保护，是直流输电线路的主保护，兼做行波保护的后备。目前，ABB和SIEMENS的微分欠压保护都是检测电压微分和电压水平实现保护。微分欠压保护的电压微分定值与行波保护相同，但电压微分上升沿延时为20ｍｓ（行波保护为６ｍｓ），因此，微分欠压保护在行波保护退出运行或电压变化率上升沿宽度不足时，可以起到后备作用，但耐过渡电阻能力仍然十分有限，1000ｋｍ线路中点故障耐过渡电阻低于70Ω。
2.3低电压保护
特高压直流线路的高阻接地故障是常见的故障，快速准确地检测故障对保障电力系统的安全稳定运行有着重要的意义。低电压保护以电压降低为判据，常用来监测高阻接地故障。
为了解决行波保护高阻接地时耐过渡电阻能力差的问题，很多直流工程采用低电压保护监测直流线路高阻接地的情况。然而，其判据一般采用的是固定值，这就会引起保护在高、低负荷时分别出现拒动和误动的情况。文针对该情况提出依据不同的系统和负荷状况对判据定值调整的方法。虽然以上文献改进了低电压保护的整定依据，但存在着通用性差，无法克服低电压保护选择性差、动作速度慢的缺点。
2.4纵联电流差动保护
理论上讲，纵联电流差动保护利用了双／多端电气量，从原理上就能够保证绝对的选择性，但由于直流输电线路差动保护利用两端电流简单加和构造差动判据，没有考虑输电线路分布电容的影响，需要等暂态过程消失后差动保护判据才能成立，因此，它在故障后投入的时间晚且需要长延时确认。按照设计，它仅负责切除高阻故障，是直流输电线路的后备保护。运行中的直流输电线路纵联差动保护由于没有考虑电容电流问题，动作速度慢。SIEMENS直流线路差动保护在设计时采取了“传输同步故障延时”功能，在故障初期由于电流波动大，差动保护会延时600ｍｓ再投入，又加上差动判据本身延时500ｍｓ，即使差动保护能够动作也在故障发生1100ｍｓ以后。在此期间，曾多次发生由于极控低压保护或者最大触发角保护动作而闭锁故障极的事故，线路失去重启机会被迫停运，差动保护也未能对高阻接地故障起到后备作用。而葛南直流的差动保护动作时间为5ｓ，更少有机会动作。
综上所述，现有差动保护由于没有考虑电容电流问题，任何导致电压变化的过程，如区外故障、启动过程都有可能导致误动，因此为了防止误动，判据需要较长的延时。本来电流差动保护应该具有的灵敏度高、动作速度快的优点，在直流输电线路中远没有发挥出来，其性能亟待提升。
3特高压直流线路动作策略
通过以上的分析可知，随着特高压直流保护随着技术的发展，呈现出微机化、冗余配置、与直流控制系统的关系密切等特点。因此对于特高压直流线路保护技术的研究需要考虑到以下几个方面的问题：
1)交流线路继电保护技术发展相对成熟，特高压直流可以借鉴交流线路保护的成功经验；
2)特高压直流线路的继电保护技术与常规高压直流线路相比没有本质的改变，因此要充分借鉴和参考常规高压直流线路保护的原理，但是具体实现时需要针对暂态过程的不同进行相应的改进；
3)由于直流系统的保护和控制系统关系密切，因此特高压直流线路继电保护技术的研究应该充分考虑到其控制系统的影响；
4)可研究利用边界元件、特征频率、先进信号处理方法以及先进算法的保护原理；
5)结合工程实际，充分考虑特高压直流系统的结构特点，利用多种原理的保护技术相结合以提高保护的整体性能。
结语
与交流输电相比，直流输电具有输送容量大、送电距离远、电网互联方便、功率调节容易、线路走廊窄等诸多优点，因此，在远距离电能传输、非同步电网互联、分布式能源接入电网、海岛供电，以及大城市中心区域电缆供电等领域具有明显优势，加强对特高压直流线路保护原理及动作策略的重视分析刻不容缓。
参考文献
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论文作者:李平伟
论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期
论文发表时间:2020/3/16
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