刘涛
国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司 内蒙古自治区通辽市 028000
摘要：随着国民经济的快速发展，我国电力工业也取得了巨大飞跃，但负荷和能源在地理分布上的极不均衡对电网输送能力提出了越来越高的要求，亟需建设全国性的能源传输通道，以实现长距离大容量的电力输送。特高压直流输电输送容量超大、输电距离超远，适用于大功率、远距离的电力传输。在特高压直流工程的各组成部分中，接地极线路长度在50～100 km范围内，长度远小于直流输电线路；而其他组成部分都位于换流站内或埋于地下，发生非操作故障的概率也远小于输电线路。本文介绍了特高压直流系统的结构特点，对现有的直流线路保护原理进行了归纳，梳理了直流控制系统常见的保护动作策略。
关键词：特高压直流；直流输电线路；保护原理；动作策略
近年来，随着我国经济持续快速发展，对电力的刚性需求也日益增大。传统交流输电已难以满足国内电力发展现状，同时由于我国能源和负荷地理分布极不均匀，促进了高压直流输电技术的快速发展。在直流系统中，由于线路较长，在工程实际中直流线路故障占总故障比例的 50%，开展直流线路保护相关研究有着极高的研究意义。随着高压直流输电的电压等级不断提高，相关的保护问题也日益显现，而目前直流输电线路保护还不够成熟，保护形式较为单一和固定，有必要对现有保护及新型保护应用进行更加深入细致的研究。在实际运行中直流线路保护不正确动作可能引起直流闭锁并扩大故障的影响范围，直流工程发生过直流线路保护拒动由极保护响应动作，从而导致直流闭锁的案例；楚穗直流工程因雷击线路一极，造成非故障极误动，继而引发线路双极闭锁。因此，可靠、快速的特高压直流线路保护原理及动作策略对输电系统的安全运行具有重要作用。
一、直流线路保护原理
目前对直流线路的研究工作多集中于对新保护原理的探索，基于单端量的保护涉及的方法或边界理论使用密切相关。
平波电抗器和直流滤波器共同构成了直流线路的边界，边界元件的幅频特性是区分区内、外故障的重要基础；时频分析作为一种有力的暂态信号分析工具，在保护原理中常常结合边界理论使用；智能学习方法可在电气量中挖掘潜在的故障规律，通过模式分类等思想解决故障识别问题，利用单端行波波前包含的故障信息构成保护原理。
1、利用边界特性的单端量保护。采用边界元件的单端量保护往往利用特征频率或特征频带分量、高频分量构成区内外判据，旨在弥补行波保护抗高阻故障能力差的不足，实现直流线路保护的全线速动。在区内、外故障时，边界元件对特定频带信号表现出的阻滞作用不同，因此区内、外故障时分流器处检测到的特征频带电流大小不同。文献E33]仅利用直流线路一端特征频带电流幅值便可识别区内外故障，且可实现故障极与故障方向的判别。[3]根据边界元件对高频量的阻滞特性，得出区内、外故障时能量频谱分布存在差异的结论，利用信息熵测度描述极波暂态分量的分布并构造了保护判据，该方法具有良好的耐受高阻故障能力。分析了边界的频率特性及平波电抗器对电流频率的抑制作用，提出了基于特征频率电流幅值和变化率的单端故障识别方案。因此，给出一种单端暂态电流保护方案，将边界理论与故障突变量方向相结合：根据电流的突变量方向判断故障是否位于本侧区外；若否，则根据瞬时频率最大值判断故障位于对侧区内还是区外。此方案在考虑线路衰减作用的前提下实现了全线保护。
2、利用时频分析或智能算法的单端量保护。
时频分析方法在高压直流线路故障识别中应用广泛，对故障后的暂态信号进行时频联合分析，能在任一小时间段内给出故障信号的频率信息，反映信号不同频带分量的变化程度和特征，适用于故障信息的提取；但其运算量较大，对数据计算速度要求较高。小波变换可用来构造特征量，将小波变换和熵理论相结合反映信号不同频带分量的变化程度，揭示信号内在的变化特征，适用于分析特高压直流故障电气量暂态信号。[1]利用单端反向电压模极大值识别区内外故障，不需考虑通信通道问题，工程成本较低。采用小波变换对故障行波进行多分辨率分析，提出了基于行波模极大值累加和的单端量保护原理。基于智能学习保护原理将故障识别问题转换为模式分类问题，可减小线路参数对故障识别性能的影响，在学习网络中自动提取故障特征并挖掘数据的潜在规律；但此方法计算复杂，输入向量的维数大，网络训练的速度慢且不易收敛，可能由此对保护的可靠性和快速性带来影响。将整流侧电压信号的小波多尺度分解奇异谱熵组成特征向量，利用支持向量机算法对其进行训练和测试，结果表明对本侧区内、外故障以及对侧区外故障能成功分类。
二、高压直流线路保护动作策略
直流电流没有天然的过零点，导致电弧无法自行消除，而现有的直流断路器切断故障电流能力又未能满足特高压工程的需求，因此特高压直流线路故障后需依靠直流控制系统来清除故障。1)告警：提示运行人员及时采取行动，使设备和系统恢复正常。2)移相：临时增大晶闸管触发角，整流器短时逆变运行，直流线路上的能量迅速向交流系统释放；同时逆变器的触发角迅速增大到最大值，从而熄灭直流电流。3)投入旁通对：于逆变侧执行。保持最后导通的阀处于导通状态，同时触发与其同相的晶闸管导通，闭锁其他晶闸管。使直流电压迅速下降到0，隔离交流直流系统。4)跳交流断路器。5)禁止投入旁通对：有时投入旁通对会使得故障扩大，此时禁投旁通对。6)故障重启：用于清除直流线路和接地极线路上的瞬时性故障。含移相、降电流等策略。7)控制系统切换：强制切换控制系统到备用系统，避免控制系统故障误动。8)换流器闭锁／极闭锁：停发触发脉冲，晶闸管随后截止，直流线路上的能量失去来源。常伴随移相、投人旁通对等操作，换流阀在直流电流过零以后自然关断。9)极隔离：双极输电系统的某个极被迫退出运行时，断开此极的电气连接。10)紧急停运：当交流或直流系统发生永久性故障，且超过控制系统的调节能力时，两侧分别用移相、闭锁脉冲、投入旁通对等措施并断开交流侧断路器。直流线路故障一般以雷击、污秽等环境因素造成线路绝缘水平降低而产生的对地闪络为主，该类故障多为暂时性故障，为减少不必要停运，应尽可能使用线路重启动功能(即采用移相、降低电流的策略)来消除故障。暂时性故障不具备故障回路自保持能力，可通过重启动策略释放故障线路上的能量，使故障点电流降为0，再经去游离过程使线路绝缘恢复，最终达到重启直流系统的目的。类似于交流系统的跳闸——重合闸策略，直流线路故障重启动功能由移相和重启动组成：直流保护在检测到故障后发送故障信号至极控系统，整流侧迅速移相触发角至直流变为0；随后经过预先设定的次数和去游离时间后，整流器将移相信号清除并快速将触发角前移，全压或降压(0.7～0.8)启动故障直流极，恢复直流系统供电。若直流线路发生永久性故障并超过了控制系统的调节范围，则在设定的最大重启动次数后系统也不能重启动成功，此时故障极的双阀组将闭锁，故障极被隔离，整个系统实现紧急停运。
研究特高压直流线路的保护原理和动作策略，可保障特高压直流输电系统安全运行，对于为直流电网建设提供理论和技术支持、最大化适应智能电网现代化建设和发展具有重要意义。本文对特高压直流线路保护的工程应用现状及存在问题、近年来研究的线路保护原理、直流系统的保护动作策略进行了分析。
参考文献：
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[2] 周国伟，顾用地，周建平．特高压直流输电系统非特征谐波分析[J]．电力系统保护与控制，2019，44(3)：18．
[3] 呙虎，李晨坤，崔挺．特高压直流输电系统电网稳控策略的影响研究[J]．电力系统保护与控制，2017，45(18)：19．