直流接地极设计(特高压直流接地极)

华峰博客 59

国网四川省电力公司电力科学研究院、西南交通大学电气工程学院的研究人员滕予非、李小鹏、林圣、李世龙,在2019年第19期《电工技术学报》上撰文,利用输电线路分布参数模型,对特高压直流输电系统接地极线路的高频阻抗特性进行分析,推导出不同故障情况下接地极线路首端高频测量阻抗表达式。

研究发现,金属性接地故障时,若接地极线路长度超过注入信号波长的1/2,测量阻抗的虚部随故障距离呈周期性变化;当接地极线路长度接近注入信号半波长的整数倍时,接地极线路某些特殊位置发生单回金属性故障后,高频测量阻抗与正常运行时几乎相等,接地极线路阻抗监视系统存在死区。为提高阻抗监视系统可靠性,提出一种注入信号频率选择策略。

该策略基于线路实测参数,通过对注入信号频率的优化,消除监视系统死区。根据某实际±800kV特高压直流输电系统参数,利用PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,对接地极线路不同故障进行仿真研究,仿真结果证明了该文分析及结论的有效性。

特高压直流输电技术由于其具有输送容量大、可控性能好、无需考虑同步问题等优点,逐渐成为大型电力能源基地集中远距离输送的首选技术。接地极是特高压直流输电系统重要组成部分,主要起到钳制中性点电压、为不平衡电流提供通路等作用。

然而,随着特高压直流工程的快速发展,接地极址的选择日益困难。为避免直流偏磁对换流站设备产生影响,部分已投运的直流工程接地极址与换流站间的距离已超过100km,而部分设计中的特高压直流工程,接地极址距离换流站甚至接近200km。长距离接地极线路发生短路故障的概率已不容忽视。

根据接地极线路同杆双回的架设特点,现有特高压直流输电工程接地极线路保护常采用不平衡原理。该原理通过检测流经双回接地极线路中直流电流的不平衡度,对接地极线路故障进行辨识。然而在特高压直流某些运行方式下,流经接地极电流为0,不平衡保护在原理上存在死区,难以适应直流系统不同的运行方式。

为了解决接地极线路无直流电流通过时故障可靠判别问题,有学者提出了基于高频电流注入的接地极线路阻抗监视策略,并在德宝、宾金、灵绍等国内多个超特高压直流输电工程中得以应用。该策略通过信号注入装置向接地极线路注入高频正弦电流信号,并通过测量信号注入点的同频电压幅值,计算出接地极线路的阻抗变化,用以反映线路运行状况。

然而,实际运行情况却表明,由于对不同运行状态下的高频信号响应特征的研究尚不充分,接地极线路阻抗监视策略存在明显缺陷,拒动、误动现象时有发生。例如,在2014年6月,某特高压直流输电工程调试期间,接地极线路掉入水塘,基于高频注入信号的阻抗监视原理未能正确动作,造成较为严重的经济损失。

为了改善基于注入法的接地极线路故障检测系统性能,有学者从降低注入频率、改进故障判据等多个方面出发,提出了改进策略。有学者在对输电线路的全频带阻抗-距离特性进行了理论分析的基础上,提出了注入信号频率选择的单调性原则与可靠性原则。

然而,根据上述原则,注入信号频率将降低为现有工程常用频率的1/50,线路两侧阻波器成本将明显增加。有学者则利用电压突变、电压驻波比等判据对监视策略进行了改进,提升了监视系统的灵敏度。然而,深入分析表明,由于对接地极线路高频故障阻抗特征认识不够清晰,在特定工况下阻抗监视系统拒动的情况依然存在。

基于此,本文从波动方程出发,深入分析了特高压直流输电系统接地极线路正常运行及不同接地故障条件下的高频测量阻抗特性,并针对接地极线路长度等于注入信号半波长整数倍这一特殊工况进行细致分析。基于上述分析结论,研究特高压直流接地极线路阻抗监视系统可靠性,为注入信号频率选择提供了参考依据。最后利用PSCAD电磁暂态仿真程序对本文结论的有效性进行了仿真验证。

图1 基于高频电流信号注入的接地极线路故障监视装置

结论

本文对基于高频注入法的特高压直流接地极线路保护的拒动问题进行了研究,深入分析了保护的拒动机理。研究表明,保护拒动的主要原因是接地线路长度与高频注入信号频率不匹配,在某些特殊位置发生单回线接地故障后高频测量阻抗偏差量过小,保护无法正确识别故障。

本文计及线路参数误差的影响,提出了最优注入信号频率的选取方法和改进保护方案。利用PSCAD仿真软件搭建某实际特高压系统模型,对本文的分析结论和所提改进保护性能进行了研究和分析。

仿真结果表明本文对保护拒动的原因分析完全正确,所提改进保护方案可消除保护死区,较传统保护方案在可靠性方面有显著提高。后续将开展阻波器频谱特性对阻抗监视系统适应性影响的研究。

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