柔性直流输电线路故障分析与保护综述

李宁　时洪刚　李鹏

【摘  要】近年来，柔性直流输电技术以线损小、输送距离远、输送容量大、无需同步运行、可以快速调节功率等巨大优势，在跨区域送电、各大电网互联、分布式能源接入、孤岛供电以及大城市供电等领域得到了广泛的应用，我国电网逐渐呈现出“强直弱交”的特性。输电线路暴露在空气中，工作条件恶劣，是整个输电系统中发生故障概率最高的元件，直流线路发生故障会危害电气设备的安全运行，中断功率的正常传输，直流系统闭锁、停运会引发系统电压和频率稳定问题甚至造成大停电。所以完善柔性直流输电线路故障处理，对保障设备安全、提高供电可靠性、维持整个系统的稳定性尤为重要。

【关键词】柔性直流输电;故障分析;保护

1柔性直流输电故障产生

虽然在当前阶段智能电网建设当中，柔性直流输电技术作为“主力军”，拥有多个方面的突出价值，但是在应用过程中也表现出缺陷。首先，相比于传统的输电线路，柔性直流输电线路的损耗较大。在相关的数据对比中也可发现，传统输电线路的单站损耗约为0.8%，而柔性直流输电线路的单站损耗能够超过1.5%，其中尤以三电平拓扑的vsc线路最为显著，其单站损耗高达2.2%;其次，柔性输电线路的容量相对较小，受到小容量的影响，其内部的关断器件所形成的电压和电流的额定值全部偏低，且远低于晶闸管的额定值。目前投产的柔性直流输电工程最大容量不足1000MW，仅为传统输电线路的六分之一。受到缺陷因素的影响，柔性输电线路的固有频率也相对特殊，其所发生的故障也多是由于其固有频率所导致的。在以往的故障发生时，柔性输电线路的故障位置所存有的行波会形成异动，并在系统侧与故障位置之间进行循环反射，这种反射过程被称为“故障行波”。故障行波是柔性输电线路中一种独特的谐波，并且具有固定频率，这个固定頻率可以有衰减系数、波速度、故障距离以及反射系数计算求得。

2柔性直流输电线路故障定位

2.1行波法

行波定位法通过检测故障行波波头和波速用以计算故障距离实现故障定位，理论上不受线路类型、过渡阻抗、故障类型的影响，具有很高的测量精度。无论是双端还是单端行波定位法，其定位的准确性与行波波头的识别度密切相关。传统的行波法有A、B、C、D、E、F六种，其中A、D、E型在工程得到了很好的发展和应用。在此基础上学者们引进不同的数学方法，如小波变换、数学形态学、Hilbert-Huang变换、独立分量法等，发展出各种各样的数字故障信号处理方法，从而提高了行波波头识别和行波波速确定的准确性。

2.2故障分析法

故障分析法是通过测量点采集到的电压、电流信息进行分析计算，求出与故障距离间的函数关系，从而找到故障发生位置。该方法对采样频率要求不高，原理简单实用，可靠性高。根据采用的电路模型不同，故障识别分析法又可以进一步细分为集中参数法和分布参数法。随着近年来人工智能算法在电力系统应用的不断发展，越来越多学者运用智能算法来分析和处理故障信息，如人工神经网络、遗传算法模拟退火算法等等。

3柔性直流系统的故障隔离技术

3.1直流断路器隔离

采用直流断路器进行故障隔离可以提高柔性直流电网的供电可靠性，从而实现最小范围且具有选择性的故障切除，是目前最为合适的直流故障隔离措施。从技术层面区分，直流断路器主要分为机械式断路器、固态断路器和混合式断路器。机械式断路器未采用电力电子器件，以交流断路器灭火技术为基础，将交流断路器的机械开断单元应用于直流拓扑结构开断中。固态式直流断路器的开关器件则全部由半导体器件组成，虽然其开断速度快，但是单个固态式开关承受的电压电流等级较低，若在高电压等级中使用则造价昂贵且通态损耗高，故目前较多应用于中低压领域。混合式直流断路器是由机械开关和电力电子开关元件组合而成的。世界首台500kV混合式高压直流断路器在3ms内开断电流高达25kA，其技术指标可满足未来张北柔性直流输电工程的需要。随着电力电子技术的发展，直流断路器将越加成熟与先进，有助于提升柔性直流电网设备控制的安全性和友好性。

3.2交流断路器隔离

交流断路器隔离柔性直流输电线路故障可采用基于“握手原则”的保护方案，具体过程如下：当控制保护系统检测到直流侧发生故障后，全部换流器立刻闭锁，确保开关器件不过流，从发生故障起至全部换流器闭锁，检测延时及保护装置动作所需时间为5-10ms;换流器闭锁后，直流侧故障电流开始逐渐衰减，保护系统将向所有交流断路器发送跳闸信号，以切断交流侧向故障点提供的短路电流;当直流侧故障电流衰减到零时，再利用直流隔离开关切除直流故障线路，从而实现交流断路器对直流故障的隔离。随后再根据“握手原则”识别故障线路，通过解锁换流站和重合交流断路器，使未故障部分继续运行。

4柔性直流输电线路故障保护

4.1行波保护方法

由电路叠加原理可知，直流线路发生故障时，可等效为在故障点处叠加一个与故障点处正常情况下的电压大小相同，极性相反的电压源，从而产生含有丰富故障信息的故障行波。与基于工频电气量的保护相比，行波保护通过提取故障行波波头、电压电流突变量等暂态信息完成故障识别，有着动作速度快，精度高等优点。同时，行波保护应用在直流系统中相比在交流系统中具有更多的优势。交流系统当故障发生于电压初相角为0时（即电压过零时刻），则故障附加电压为零，不会有故障行波产生，因而保护不会动作，存在动作死区。直流系统中的直流电压没有初相角的问题，因此不会有上述问题产生。另外，交流系统的不同母线结构对行波的传输影响较大，直流系统由于没有线路换位，分支系数的影响，结构简单，因此更易分析线路中的故障行波特征。综上所述，鉴于行波保护的诸多优点，行波保护成为直流输电线路保护的重要研究方向之一。

4.2纵联差动保护方法

纵联差动保护利用双端电气量差异构成保护，理论上具有绝对的选择性。传统的纵联电流差动保护仅简单将直流线路两端电流相加，未考虑线路分布电容对电流的影响，区外故障、启动过程等任何会导致电压变化的过程都可能导致保护误动，为防止保护误动，需要经过较长延时躲过暂态过程，因此动作速度较慢。纵联差动保护中的行波差动原理，具有不受故障暂态过程，分布电容影响的优势。有研究提出将行波差动原理应用到直流线路保护中，并用反行波线模量构造差动判据，用零模量判定故障极。但行波差动保护易受行波色散、插值计算误差等影响，由此产生的不平衡电流可能导致保护误动。针对行波差动保护存在的问题，还有研究通过分析不同位置故障的行波波形差异，提出一种利用行波能量闭锁的行波差动保护原理，该原理可有效克服传统行波差动保护的缺陷，可靠识别区内外故障，但需要较长的时间窗。

4.3基于直流系统结构特征的保护方法

传统高压直流系统中，在整流侧和逆变侧安装有平波电抗器和直流滤波器，两部分共同成为了直流线路两端的边界。直流线路边界对高频信号具有明显的滤波作用。针对这一特性，国内外很多研究提出了利用区内外故障时保护安装处的高低频信号差异构成保护判据，即边界保护。

5结束语

文章阐述了柔性直流输电的故障类型和保护分区，结合现阶段的故障隔离技术，介绍了直流断路器和换流器的应用状况。为快速隔离故障，详细介绍了线路保护中的行波保护、纵联差动保护和其他新型保护。随着电力电子技术的成熟和对继电保护技术的深入研究，柔性直流输电存在的缺陷将逐一得到解决，未来柔性直流电网将更加安全可靠、清洁绿色。

参考文献：

[1]宋国兵，李德坤，靳东晖，冉孟兵，靳幸福，郭润生.利用行波电压分布特征的柔性直流输电线路单端故障定位[J].电力系统自动化，2013，3715：83-88.