特高压直流双极输电线路间互感的仿真研究

周兴远

摘 要：溪洛渡至浙江金华特高压直流输电线路在一极故障重启动过程中引起健全极保护系统误动作。文章针对这一现象进行了研究，指出故障极在重启动时由于线路耦合在健全极上产生感应电磁电流，引起健全极电压突变量保护功能动作，导致健全极功率短时间大幅下降。建立了特高压直流输电线路模型，推导线路间电磁耦合解析方程式，分析故障时的直流电压电流波形特征。并且分析了不同工况下一极故障在另一极上产生感应电磁电流的波形特征。最后介绍已有的电压突变量保护功能的优化策略。

关键词：特高压直流；直流控制保护系统；电磁耦合；直流线路故障；试验

中图分类号：TM726 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0195-02

1 概述

2014年7月溪浙特高压直流运行中，直流极I直流线路故障，两次全压再启动成功。受极I直流线路故障影响，极II直流线路产生感应电压和感应电流，满足直流线路电压突变量保护动作条件，极II因直流线路保护动作而闭锁。在后续的仿真试验中发现，直流线路一极发生故障，即使健全极直流线路保护不动作，也会因为直流线路间的电磁感应产生较大的感应电压和感应电流，产生较大的功率缺额，对系统安全稳定运行产生不利的影响。

据统计，高压直流线路故障占直流系统故障的50%，但是直流线路保护的正确动作率只有50%，有近一半的直流输电线路故障是由控制系统响应动作，造成直流系统闭锁，引起不必要的停运。因此，提高高压直流输电系统控制保护性能，对优质，稳定的供电起到至关重要的作用。

针对上述问题，本文主要介绍了双极直流线路互感的机理分析和其他双极运行方式下的情况。

2 互感的机理分析

根据多导体传输理论，双极直流线路电气参数主要有自阻抗，互阻抗，自导纳和互导纳。自阻抗包括自电阻和自电感，互阻抗包括互电感（互电阻忽略），自导纳包括对地电容（对地电导忽略），互导纳包括互电容。双极直流线路之间通过自阻抗，互阻抗，自导纳和互导纳相互耦合。列写长度为Δz导体的KVL和KCL的方程。

为获得双极直流线路之间相互耦合的关系，可以将KCL方程带入KVL方程，得到电压方程，将KVL方程带入KCL方程，可得电流方程。带入后的方程式即为双极直流线路之间相互耦合的方程式。

在故障极发生故障的瞬间，健全极上感应电压主要通过极导线的自电阻、互电阻和互电感及故障极电压和电流变化产生，而健全极上感应电流主要通过极导线的自电阻、互电容及故障极电压和电流。

3 故障极恢复过程中健全极的感应电压和感应电流

虽然不同厂家的换流器在故障后的恢复特性有差异，但根据部分换流器在直流线路恢复过程中的实际控制特性，且为了简化分析过程，把故障极电压和电流的恢复过程分为三个阶段，各个阶段电压和电流变化具有大致如下特性：

第一阶段：电压首先开始快速恢复，电流尚未开始恢复。故障极的电压上升速度很快，约为30～60kV/ms，持续时间约为10～20ms。

在故障极电压和电流恢复的第一个阶段，将在健全极上产生感应电压和感应电流，感应电压主要由线路电阻、互电容参数、线路长度及故障极电压恢复速率決定，而感应电流主要由线路互电容参数、线路长度及故障极电压恢复速率决定。由多导体参数的一般关系及高压直流输电系统的一般控制特性可知，在故障极电压和电流恢复的第一个阶段，在健全极上产生的感应电压较低和感应电流都很低，感应电流方向与健全极上原电流方向一致。

第二阶段：电压恢复速度降低，已经基本恢复完毕，而电流开始快速开始恢复。故障极的电压上升速度降低，约为2～4kV/ms；而故障极电流恢复速率很快， 约为40～80A/ms，持续时间约为50ms～100ms。

在故障极电压和电流恢复的第二阶段，电压恢复速度降低，电流快速开始恢复。也就是说，故障极电压和电流同时在恢复。这个阶段，是分析双极直流系统故障极恢复过程中在健全极上感应电压和电流的主要阶段。由多导体参数的一般关系及高压直流输电系统的一般控制特性可知，在故障极电压和电流恢复的第二个阶段，在健全极上产生较高的感应电压，其方向与健全极原电压方向相反，使得健全极上的电压绝对值降低；而在健全极上产生的感应电流的方向与健全极上原电流方向一致，使得健全极上原电流增加。如前述，故障极的电压和电流在同时恢复过程当中，在健全极上产生感应电压，此电压会使得健全极上电压的绝对值降低。从健全极上感应电压表达式可以看出，其主要通过极导线之间的互电感耦合产生。同时，通过双极直流线路的互电感还会在健全极上产生感应电流，此感应电流幅值很大，方向与健全极中的电流方向一致。

在故障极电压和电流恢复的第三阶段，电压恢复完毕，电流恢复速度降低，但电流在继续恢复中。其实，也可以将第三阶段看成是第二个阶段的特例，认为在第二阶段，电压已经恢复完毕。

如果故障极电压恢复速度非常快，在大约10ms～20ms完全恢复完毕，则可以用此第三阶段来分析健全极上的感应电压和感应电流。如果故障极电压和电流同时恢复时间较长，则应该用第二阶段来分析健全极上的感应电压和感应电流。

进一步总结，在故障极电压和电流同时恢复过程中，引起健全极电流绝对值大于其指令值的主要原因为：故障极电压和电流以较快速度恢复；引起健全极电流绝对值开始减小的主要原因为：健全极整流侧增加触发角，健全极整流侧电压绝对值低于健全极逆变侧电压绝对值，健全极自身电压以较快速度开始下降， VDCOL有可能启动；引起健全极整流侧电压绝对值低于健全极逆变侧电压绝对值的主要原因为：健全极整流侧增加触发角。

4 两极线路间互感的仿真分析

为了分析验证高压双极直流输电线路一极发生接地故障对另一健全极的影响，本章用PSCAD仿真软件对高压直流输电线路模型进行了仿真，通过仿真分析不同运行工况和不同故障状态下对健全极的扰动，并根据改进措施验证了控制策略的可行性与有效性。

4.1 运行电压对双极相互感应的影响（故障位置在线路中点）

根据双极直流线路参数及故障极电压和电流的变化特性，一极发生故障后，当故障极电流绝对值在上升期间，将会在健全极上产生与原来电压方向相反的感应电压和感应电流，使得健全极上电压绝对值首先下降，而健全极上的电流绝对值也会出现明显下降。

当故障极电流绝对值开始下降后，会在健全极上产生与原来电压方向相同的感应电压，使得健全极上电压绝对值开始上升，而健全极上的电流绝对值继续会出现明显下降。

根据仿真分析，一极全压运行另一极半压运行时，一极线路发生故障，健全极功率缺额现象最为严重。

4.2 故障位置对双极相互感应的影响

双极站间通讯正常，双极功率控制，一级全压一级半压，双极运行，功率正送指令8000MW。

根据仿真分析双极直流输电线路一级发生故障时，会使得健全极电压大幅下降，距离故障点远端的健全极的电压下降最为明显，极有可能导致健全极VDCOL保护动作引起极闭锁。

5 关于VDCOL的改进措施验证

根据前文分析当一极线路的电流在一定时间内快速变化时，将在另一极线路产生感应电流。此感应电流会使得健全极的保护误动作从而导致功率的短时间内大幅度下降。当前采取的改进措施是在一极线路故障时，将另一极VDCOL功能暂时闭锁一段时间。

5.1 VDCOL改进逻辑控制原理

当另一極处在运行状态时，并且在运行过程中出现了故障。在故障重启动命令出现时，300ms内VDCOL内部计算直流电压不再取值实际直流电压，而是强制取值1.0pu（单阀组运行取400kV，双阀组运行取800kV）。

5.2 VDCOL改进成果

改进后虽然仍然会产生在健全极上产生相应的感应电流，使得系统自动调整直流电压下降，但是避免了VDCOL保护动作，双极功率下降量明显减少，并很快恢复至额定功率。

6 结束语

本文针对一次实际工程中的直流闭锁事件，为进一步排查隐患并分析特高压直流输电线路故障对控制保护功能的影响，本文对事件线路溪浙特高压直流输电线路展开了仿真分析：分析了在双极直流输电下单极发生故障，对另一极的影响。并指出导致非故障极电压突变量保护动作闭锁的原因是故障极直流电流在快速恢复过程中由于线路之间的电磁耦合现象在健全极上产生感应电流，使得短时间内电流不受控制。最终导致严重的功率缺额现象。根据建立的仿真模型，对影响双极线路互感的因素进行研究，并分析其他运行模式下线路互感的情况。

本文研究的特高压双极线路之间互感影响因素，有利于我国进一步深入掌握直流输电关键技术和可有效提高我国特高压交直流输电骨干网架的可靠性和稳定性，不仅对完善特高压双极输电线路的相关理论体系将发挥一定的推动作用，还对于我国以后建设特高压直流工程发挥重要的作用，实现电力工业全面、协调、可持续发展。

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