高明雨1 崔楠2
内蒙古东部电力有限公司检修分公司±800千伏扎鲁特换流站1
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摘要：为应对不可再生能源不断减少的形势，世界各国制订了相应的政策，随着大功率全控型电力电子器件制造及控制技术的发展，推动了柔性直流输电工程的建设。基于柔性直流输电系统控制方式和拓扑结构的特殊性，在直流侧发生故障时，其故障电流上升速度极快且破坏性极强。针对柔性直流输电系统的故障类型和保护分区进行讨论，结合现阶段的故障隔离技术，介绍了直流断路器、换流器和交流断路器的应用状况。为快速隔离故障，详细介绍了柔性直流线路保护，并对柔性直流输电技术的发展趋势进行了展望。
关键词：柔性直流输电；故障类型；直流线路保护
一、直流输电线路继电保护研究现状
1.1主保护
实际投入运行的直流输电线路主保护主要有行波保护和微分欠压保护2种，最先是应用于常规高压直流输电系统，而柔性直流输电线路的保护则直接借鉴了这2种保护。其中行波保护主要采用ABB和SIEMENS两家公司的单端量行波保护原理。两家公司的保护都利用极波(即反向电压行波)来构成保护判据。ABB的行波保护根据极波的变化量的大小来判断故障。当极波的变化量大于保护定值时，即认为线路发生了故障，保护不经过延时就可以出口，保护的动作时间与故障后极波的变化率密切相关，一般情况下动作时间为几个ms。SIEMENS的行波保护则引入了电压的微分来构成保护的启动判据，同时使用了保护启动后极波的变化量在10ms内的积分值构成保护判据。这样可以在一定程度上降低各种干扰对保护的影响，提高保护的可靠性，但牺牲了保护的动作速度。
1.2后备保护
现有的直流输电系统的线路后备保护往往采用纵联电流差动保护。但由于线路故障后暂态过程较为严重，有非常大的暂态分布电容电流，因此为了躲过暂态过程的影响，电流差动保护往往引入较大的延时。其后备纵联电流差动保护的典型动作时间为500-800ms。对于柔性直流电网来说，上述动作时间显然太长了，交流侧的保护将有可能先于直流线路后备保护动作，造成换流站退出运行，极大地扩大了故障隔离和切除的范围。柔性直流电网线路的后备保护应当具有较好的选择性和足够的灵敏性，能够在线路经大过渡电阻接地故障、线路主保护由于灵敏度不足拒动时可靠地动作，作为线路超高速主保护的补充和配合。同时还应当具有较快的动作速度，以在时序上配合直流线路主保护和交流侧的保护，尤其是在直流线路发生故障时要先于交流侧保护动作。
二、柔性直流输电系统
2.1柔性直流输电系统结构柔性直流输电系统作为直流输电的一种新技术，同样由换流站和直流输电线路组成。柔性直流输电系统基本结构，对于两端柔性直流系统，两端换流站结构呈对称性。已有的柔性直流输电工程采用的VSC主要有3种，即两电平换流器、二极管钳位型三电平换流器和MMC。两电平换流器系统，三电平换流器与两电平原理基本一致，此处不再给出。
由于柔性直流输电系统切除直流侧故障时比较困难，故目前己建成的柔性直流工程线路大多采用直流电缆以降低故障率。相比直流电缆，架空线路造价低，在远距离及大功率输送方面具有明显的优势，因此基于架空线路的大容量柔性直流输电系统也是未来的发展趋势。然而，柔性直流输电技术扩展到架空线输电场合面临的一个重要问题是如何克服其在直流故障下的脆弱性以及对交流系统的影响，提高直流故障的自清除能力。
2.2控制系统的基本特性及要求
柔性直流控制系统包括换流站级控制保护系统和换流阀级控制保护系统，与常规直流输电不同的是，柔性直流输电系统中的阀级控制保护系统更为复杂。
尤其是在MMC-HVDC，对阀体的控制保护更多依赖阀级控制器完成，包括根据换流站级控制信号的要求产生换流阀子模块的控制信号，进行数据处理和汇总，以及实现换流阀的保护等功能。因此，柔性直流控制保护系统通常需要实现纳秒级的高速同步控制，以满足柔性直流输电控制系统高实时性的要求。
三、柔性直流输电线路故障保护存在的问题与研究展望
3.1存在的关键问题
虽然国内外学者围绕柔性直流输电线路保护原理开展了大量研究，能够在一定程度上提高现有柔性直流输电工程的线路保护性能，但仍存在一些问题：（1）柔性直流输电系统故障阻尼小，故障蔓延速度快，而柔性直流系统中的电力电子设备耐受故障冲击电流能力差，因此对保护系统的响应时间要求很高，即对速动性要求高。（2）虽然行波保护是目前柔性直流输电系统较为适宜的主保护，但其易受雷击、噪声等因素干扰而发生误动，可靠性降低，并且对采样频率的要求高。（3）正负极线路行波之间存在电磁耦合，并且暂态行波在传播过程中会发生畸变、色散、频散等现象，对保护会产生一定的干扰。
3.2保护与控制协调策略
柔性直流输电线路的故障处理与保护和控制密切相关，为实现故障线路的隔离和系统的稳定，需要针对线路保护、辅助电路以及系统控制的动作时间和投入方式，进行协调策略研究。尤其对于多端柔性直流系统，直流线路故障的处理，更加强调多站之间保护与控制的协调作用。采用保护、控制、通信集成一体化的多端柔性直流系统保护方案，研究保护与保护之间，保护与控制之间的配合策略，实现交直流侧保护与控制相协调，整合并减少分散保护设备的数量，从而降低柔性直流线路故障处理与保护的复杂性、缩短故障处理的时间，提高系统的可用率。
3.3柔性直流输电技术的应用前景展望
（1）在城市电网塔容及直流供电中的应用。近几年来，我国经济的高速发展以及城市化建设的不断推进，促进了城市电网的进一步发展，与此同时大部分的城市电网负荷也一直呈现出不断增长的趋势，人们对于电能的供应及质量要求不断提高。（2）替代交直流联网。结合我国目前的总体趋势西部地区的资源相对较多，同时负荷较少，我国90%的水电几乎都集中在西部，而东部地区的能源与负荷量特点则恰好相反。导致了我国地区能源和负荷的失调，因此，特高压直流输电工程在不断增多，实现电能的大容量和远距离运输。目前关于柔性直流输电技术方面仍然存在着一定的障碍，在进行长距离和大容量的发展过程中，要克服以下几个难点：第一就是用碳化归来替代二氧化硅，从而改变VSC的材料，同时还要增强封装材料的绝缘性和耐热性，达到大容量的电流运输。第二就是要加强电流直流断路器的优化与改良，突破上述所提到的故障。如果能在技术上实现故障的突破，那么柔性直流输电技术在未来可能会完全取代传统输电技术，承担起长距离大容量的输电任务。（3）借鉴传统交流输电和常规高压直流输电的继电保护技术，结合柔性直流输电系统的结构特点，研究先进的保护原理。行波保护具有超高速动作且不受分布电容影响的优点，应进一步探究行波在雷击、噪声、电磁耦合等因素影响下的传播规律，从而研究更适合柔性直流输电的新型行波保护方法。因此以行波保护为代表的新型主保护是未来柔性直流输电继电保护研究的重点领域。
结语：
本文从柔性直流输电线路故障处理和保护原理几个方面，详细地分析了国内外柔性直流输电线路故障处理和保护技术的研究现状，包括借助辅助电路的故障电流分流与抑制技术、基于新型换流器拓扑和直流输电结构的故障电流抑制与故障自清除技术、基于直流断路器的故障隔离技术，以及直流线路保护原理。总结了柔性直流输电线路保护与故障处理面临的关键问题，并探讨了柔性直流输电线路保护技术进一步的研究方向。
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