换流站接地极故障监测系统分析研究

卢 松 李凯协 郭卫明

（中国南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州510405）

0 引言

目前南方电网下属的直流输电系统主要使用两大类接地极线路监测装置，溪洛渡同塔双回直流工程使用南瑞继保研发制造的ELIS系统，贵广直流工程使用西门子公司的PEMO2000系统。本文依托这两大直流工程，比较这两种装置的优点及不足，提出改进方法，以供后续直流工程参考和借鉴。

1 从西换流站接地极故障监测装置概述

从西站接地极线路监测系统（ELIS）是非冗余系统，站内仅用一套装置，主要由主机、DSP板卡RS860、功率放大器、测量放大器、注入滤波器和阻波滤波器组成。系统简图如图1所示。

图1 ELIS系统简图

1.1 部件功能

1.1.1 信号发生原理

DSP板卡RS860利用软件产生一个高频数字正弦波信号，信号的幅度由闭环电流控制器进行调节。

1.1.2 功率放大器、测量放大器

RS860产生的模拟输出信号首先被送入功率放大器中进行放大。功率放大器的输出阻抗选择与信号电缆阻抗一致，减少回路影响。测量放大器用于测量功率放大器二次侧的电流和电压值。测量信号正比于极引线的电流和电压，由此计算极引线的阻抗。

1.1.3 注入滤波器

高频信号通过一个串联的谐振滤波器注入换流站末端极引线，该滤波器的谐振频率与注入信号相同。

1.1.4 阻波滤波器

ELIS装置通过两个并行的谐振滤波器来阻断极引线和中性线终端的注入信号。其中在电极侧的阻波滤波器并联一个电阻，其阻值和极引线的波阻抗相同，实现无反馈终端。由于线路终端的反馈非常少，因此任何由于故障引起的阻抗漂移都能被很好地捕捉，这使得装置对于故障的监视更加精确。

1.2 测量原理

ELIS装置向接地极线路注入高频交流电流，测量其电压值，继而计算出阻抗值，并将阻抗值的变化作为接地极线路故障的判据。

接地极线路无故障时阻抗的典型参考值为Z＝（280－j20）Ω。如果线路出现故障，其值将会改变。

在接地极线路不同位置发生1 000Ω接地故障时，检测原理如图2所示。

图2 1000Ω接地原理图

在该曲线图中，每隔一定距离有一个标记，中心点为参考阻抗值，即正常阻抗值。临近点标记为靠近极站处接地故障时的阻抗值，而螺旋曲线最外面的点为离换流站近处故障时的阻抗值。

2 肇庆换流站接地极故障监测装置概述

贵广直流肇庆换流站使用的接地极线路故障监测装置为西门子生产的PEMO2000系统，站内仅一套装置，非冗余系统，主要由耦合电容器、高压避雷器、耦合单元AKE100－A5、HFConnection Plate等组成，如图3所示。

图3 PEMO2000系统简图

2.1 部件功能

2.1.1 耦合电容器

用以传递高频信号，降低直流电流对信号的影响。谐振频率在2MHz以上。

2.1.2 高压避雷器

保护电容器免受从接地极线路来的过电压冲击。

2.1.3 AKE100－A5

电力线路载波设备，用于高压电缆相与相之间的耦合。

2.1.4 HF－Connection Plate

它包含一个电涌放电器，防止由同轴电缆串过来的暂态过电压进入PEMO2000装置。

2.2 测量原理

PEMO2000向接地极线路注入脉冲信号。线路无故障时，脉冲信号在到达线路末端时反射回来。如果线路上有故障，脉冲信号在故障点产生反射波。根据故障反射波形和正常反射波形的对比，可以判断故障的类型。

3 比较与总结

PEMO2000的测量与线路行波测距中的利用重合闸信号测距方法接近，PEMO2000以一定周期向接地极注入脉冲，然后监测脉冲的反射情况，根据脉冲的反射波形及时间差判断线路是否存在接地或开路。该套装置可以准确监测接地极线路上的永久性单线金属接地、线间短路和接地极线开路故障。但是PEMO2000中有一非常重要的参数Pluse period，也就是脉冲注入的间隔时间，一般设置为2s。也就是说，PEMO2000无法监测故障持续时间低于Pluse period设定值（2s）的故障。同时，如果线路接地的故障电阻与线路本身阻抗一致，反射波形只有发射波的1／3，因接地极线的阻抗Z0只有几欧，故PEMO2000无法监测到高阻抗接地故障。

ELIS通过检测接地极线路阻抗变化来捕捉线路故障。由于接地极线路终端的反馈非常少，因此可以捕捉任何故障引起的阻抗漂移，这使得该套装置对故障的反应更加灵敏。同时，因其注入电流频率为13.95kHz，可以有效解决PEMO2000装置只能检测到持续时间大于2s的故障的不足。

综上所述，就故障反应灵敏度及故障监测效果而言，ELIS比PEMO2000装置具有更高的灵敏度，能监测接地极线路所发生的各种类型的故障，对瞬时故障也有很好的反应。

但目前溪洛渡直流工程采用的ELIS在故障发生后仅给工作站发出一个故障时刻的线路阻抗值，未将故障点的距离信息传送到后台。这就意味着一旦接地极线路出现故障，就必须对整个接地线路进行巡线来查找故障点，大大增加了故障恢复时间。如果ELIS增加测距算法，在故障出现时上传测距值，将极大地缩短接地极线路故障的排查时间，使直流系统更快地恢复正常运行。

［1］西门子ED3.001.AZ：西门子贵广直流光盘资料，2001

［2］南瑞继保ED3.145.ZC、ED3.146.ZC：溪洛渡直流工程设计规范书，2012

［3］中国南方电网超高压输电公司广州局.从西站运行规程，2014

［4］中国南方电网超高压输电公司广州局.肇庆站运行规程，2004