高压直流输电线路故障分析与保护研究

李少翀

摘要：高压直流输电线路在增大线路系统的可靠性上比交流输电线路更强，而且还可以更好的把系统的短路容量限制在一定范围，还具备系统的非同步联网、造价低等其他显著优势，因此直流输电工程得到了快速高效的发展。但其线路存在故障分析与保护的相关研究与解决措施却发展较慢。究其主要原因是，直流输电线路走向较为复杂，路段中故障率比较高，并且线路故障的原因多种多样很是复杂。本文借鉴我国国内直流输电工程现状与未来的需求，对于高压直流输电线路中的故障进行分析，并提出相应的保护措施。

关键词：高压直流输电；线路故障分析；行波法；线路保护

一、绪论

1.1研究背景及意义

世界第一个工业性上的高压直流输电工程在1954年投入使用，自此高压直流输电技术慢慢发展起来，加之控制理论和电子电力计算机技术的的成熟更加加速了它的发展，现如今，它以电压高，容量大，造价低可以远距离送电等优势成为输电的重要途径和手段。但随着高压直流输电的迅猛发展，问题也随之而来，其中线路的故障问题得到广泛重视，故障分析与保护线路问题亟待解决。因此要对高压直流输电线路系统的控制与保护模式进行模拟仿真，分析研究其故障所在及原因，设计保护方案。

1.2高压直流输电系统简介

在网络元件的构成上，直流与交流输电系统存在着一定差异。直流输电系统由三部分组成，分别是整流站、逆变站和直流线路。总体上遵循交流—直流—交流形式的一个电路系统。在电力电子系统领域中，最开始应用的最成熟的也就是高压直流输电技术了。

高压直流输电系统有很多种类型的、不同种的端子数目，还有不一样的换相方式和连接方式，所以也有着许多不同的分类方法。直流送电的关键环节是换流器部分，但由于换流器里面元件不同特性可以对其进行分类。具体分类如下：

（1）长距离直流输电

这是高压直流输电系统的一种主要形式，可以实现把电能从电源中心传送到负荷中心，其典型接线的线路图如上图1-1所示。又电能可以只沿一个方向或者双方向运送，可以由此可以将长距离的直流输电分成单方向直流和双方向直流运输两种方式。

（2）BTB方式直流输电

这种直流送电方式线路的主回路如图1-2所示。这种方式可以看做是两组换流器，通过把平波电抗器反并联，所以这种输电方式也叫背靠背式（BTB）。

这种方式没有直流输电线路，在同一场所的两侧都设置有换流器，它拥有快速潮流反转功能，交流输电系统的频率改换和功率调控都可以借此实现，方便且实用。

二、高压直流输电线路系统的故障检测及原因分析

直流系统中，最容易出现故障的是直流输电线路，这一部分的故障率也是导致输电可靠性下降的根本原因。如发生遭受雷击，严重污染或者其他环境因素所造成的，这些可使线路的绝缘水平变得非常差，继而会对线路造成严重破坏。而通常情况下，直流送电线路距离很长，可能会经过不同气候、地域以及不同的天气，有的时候工作环境和条件会十分的恶劣，因此发生故障的频率也会高一些，修复起来也是周期长，操作也会很困难，严重影响了输电的效率，维护成本也会增多。所以，要准确地把故障位置确定下来，是很重要的一项技术。

2.1直流输电线路故障定位研究现状

直流输电线路的频率和交流的能量集中频带是不同的，但是它们的物理本质相同，所以用于交流线路和直流线路的部分故障的定位原理可以用同一种方法。然而，个中原理较多，但直流的故障定位原理是单一的，所以，通常采用行波原理法。

2.2直流输电线路行波故障定位

检测交流线路最初也是采用行波故障定位方法。其最早运用行波定位的方法是在20世纪中旬，由于暂态行波的传播速度很快，接近光速，是比较稳定的，；；令暂态行波在母线与故障点之间传播，便可以测量出故障的距离，检测出故障线路段。并且这种行波法测量距离的准确性和可靠程度在理论上均不受故障电阻、线路的类型以及系统的影响。

三、高压直流输电线路保护措施的研究

高压直流输电线路结构并不复杂，所以相对来说用行波法也比较简单和可靠。电压和电流的行波都不受直流母线的结构影响，行波的波抗阻主要来源于两端换流站，但折射率几乎为零，这一特性可以很好地促进直流输电的行波保护同时节约了成本。同时，如果行波的波头传播到直流线路区域外的故障处的保护安装时，都会减弱波的幅值和陡度，原因是换流器和平波电抗器的高波阻抗的特性，因此目前为止，行波保护法是作为高压直流输电工程中广泛使用的主要的保护方法。

3.1高压直流输电线路行波保护

行波保护法可以分成两类，一类是单端行波保护，另一个是双端行波保护，其分类依据是是否采用了通信通道。双端行波保护方法还可以分成两类，行波差动保护和行波方向保护。单端行波保护法也是可以分成两类，一种是对于行波距离的保护，第二种是对于高频噪声的保护。

3.4结语

直流输电线路的控制保护系统很重要，它是一个执行机构，对于它的性能特性当面的设计也有很高的要求，这取决于交直流系统，还有设计一次设备对于影响也不小。另一方面，也要不断提高直流线路的保护系统的安全和高效性，使其更高好的工作，具体措施可以为提高准确性：增大自我检测能力的覆盖率和提高准确率，并且使用多样化和分散式的设计，并提高集成度是目前很广泛和主要的保护方法。此外，还要做好日常设备运行监视和维护，保持冗余系统各环节元件健康运行。

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