关键词：
高压直流输电系统
直流输电线路
差动保护
分布电容电流补偿
纵联方向保护
故障暂态电流
距离保护
动模实验
摘要：
高压直流输电技术在远距离大容量输电和电力系统联网等方面具有明显优势,因而在我国西电东送以及区域系统联网工程中发挥了重要作用。高压直流输电线路距离长,故障概率高,为其配备高性能的保护是直流系统安全运行的重要保证。然而,实际运行中的高压直流线路保护方案仍然存在着诸多不足:直流线路的主保护耐受过渡电阻能力差,后备保护的动作延时过长,在故障发生后相当长一段时间内没有反应故障的保护原理。针对上述问题,本文提出了四种新型高压直流线路保护。通过这四种保护的相互配合,提出了一种高压直流输电线路保护整体方案,主要的研究内容包括:针对直流线路后备保护动作延时过长这一问题,提出了一种基于分布电容电流瞬时值补偿的直流线路差动保护方案。理论分析表明,在直流线路两端电气量经过合适的低通滤波器处理后,沿线电压可被近似视为线性分布。根据线性分布电压,可计算得到沿线分布电容电流。利用此分布电容电流对差动电流进行补偿,可快速辨别直流线路区内、外故障。若进一步降低滤波器的截止频率,可通过比较正、负两极直流线路滤波后差动电流选出故障极。仿真分析表明,分布电容电流补偿差动保护能够快速、可靠地判别区内、外故障,并且具备故障选极能力和较强的耐受过渡电阻的能力,其保护性能明显优于实际运行中的直流线路差动保护。针对分布电容电流补偿差动保护灵敏度容易受线路电容参数精度影响这一问题,提出了一种基于电流低频分量的直流线路差动保护原理。随着低通滤波器截止频率的降低,滤波后的沿线分布电容电流值将随之减小。当滤波器的截止频率足够低时,分布电容电流可被忽略。因此,可直接根据两极线路滤波后的差动电流来辨别区、内外故障,从而避免线路参数误差给保护性能造成的影响。仿真分析表明,电流低频分量差动保护也能够可靠响应区内故障,并具备故障选极能力和较强的带过渡电阻能力。目前,相关文献提出的方向纵联保护大多存在耐受过渡电阻能力不强、采样率要求高等不足。针对这一问题,提出了一种基于暂态电流比较的直流线路纵联方向保护方案。在实际工程中,高压直流母线两侧均存在测点,因而直流母线两侧的测量信息都可以用来构建直流线路保护。由于直流滤波器的高频滤波特性,故障方向可通过比较直流母线两侧故障暂态电流而确定。基于此,提出了一种基于暂态电流比较的方向元件。根据直流线路两端方向元件的判别结果,可以辨别直流线路的区内、外故障。此外,通过比较两极线路的故障暂态电流,可进一步确定故障极。暂态电流比较纵联方向保护不要求线路两端数据同步。仿真结果表明,提出的纵联方向保护能够快速、可靠识别区内故障,并且能响应区内高阻接地故障。运行中的高压直流线路行波保护、微分欠压保护存在整定缺乏理论依据、依赖于仿真等问题,交流线路距离保护已广泛应用。针对这一问题,提出了一种两段式的直流线路距离保护原理。理论分析表明,在线路两端电气量经过合适的低通滤波器处理后,直流输电线路可近似等效为集中参数的π型电路模型。基于直流线路的π型等值电路,可通过迭代计算故障距离,进而对区内、外故障进行判别。两段式距离保护具有理论依据充足、保护范围明确等优点。仿真分析表明,该保护能够快速、可靠响应区内单极金属性故障和双极故障。针对高压直流输电线路保护方案存在的问题,在提出的上述四种直流线路保护的基础上,提出了一种高压直流输电线路保护整体方案。在新保护方案中,分布电容电流补偿差动保护和电流低频分量差动保护可以长期反应故障,但他们的可靠性依赖于线路两端数据同步;暂态电流比较纵联方向保护不依赖于数据同步,但是不能长期反应故障。与前三种保护相比,两段式距离保护的可靠性不受通信的影响。为了验证整体方案中各个直流线路保护的性能,开展了相关的动模实验验证工作。根据乌东德-广西高压直流工程中的输电杆塔和线路参数,制作了直流线路的线路动模模型。通过对比分析动模实验和仿真实验结果,验证了所设计的直流线路动模模型的正确性。最后,在动模实验仿真平台上验证了本文提出的直流线路保护的性能。
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