高压直流输电系统保护专利技术综述

高压直流输电系统保护专利技术综述

张源

国网山西省电力公司检修分公司，山西 太原 030032

摘要：中国一次能源与电力负荷的逆向分布特性决定了高压输电将在中国电网结构中占据日益重要的地位。相比于高压交流输电，高压直流输电传输距离远、传输功率大、经济效益好，使其在远距离输电中脱颖而出。由于输电距离远、输电线路长且周围环境恶劣，容易出现区内短路等故障。根据现场运行经验，区内线路故障约占直流输电系统全部故障的50%，而区内线路故障发生后由线路保护正确动作、断开故障线路的只有50%。另一半的区内线路故障是由直流控制系统响应动作，但直流闭锁、关闭整个输电系统的送端，引起不必要的系统停运会造成巨大的设备损耗和经济损失。理想的直流输电线路保护对位于线路两侧电流测点之间的线路区内故障进行动作，而对测点之外的区外故障应当不动作而由控制系统响应动作。鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对高压直流输电系统保护专利技术综述提出了一些建议，仅供参考。

关键词：高压；直流输电；系统保护；专利技术综述

1、高压直流输电技术的相关概述

高压直流输电技术具有传输功率大、输电距离远和经济效益好的优点，在远距离大容量输电中发挥着日益重要的作用。统计数据表明，直流输电线路数量众多、故障率高，因此可靠的直流输电线路保护对保障电力系统的安全稳定运行具有重大意义。行波保护作为直流输电线路的第一道保护，其主要任务是快速切除严重区内故障，动作对象主要为金属性接地故障和低阻接地故障。微分欠压保护作为行波保护的近后备，保护效果与其类似。因此，高阻故障本应交由电流差动保护动作。然而，分布电容会导致线路两端电流产生较大的差值，这会使得电流差动保护在线路区外故障或扰动下误动。因此，实际中配置了许多闭锁措施来预防电流差动保护误动，但这些措施可能引起差动保护在区内故障时延迟动作甚至拒动，这将使得阀组保护先行动作，导致该极线路闭锁，输电系统丧失重启机会，造成极大的经济损失。为了提高直流线路纵联保护的可靠性与速动性，国内外学者进行了大量研究。高压直流输电技术具有传输功率大、输电距离远和经济效益好的优点，在远距离大容量输电中发挥着日益重要的作用。统计数据表明，直流输电线路数量众多、故障率高，因此可靠的直流输电线路保护对保障电力系统的安全稳定运行具有重大意义。

2、专利申请现状

直流输电线路保护领域的专利申请量一直高于换流器保护领域，造成这样的原因可能是：一方面是由于直流输电系统的输电距离较远，面对更多复杂的环境因素，故障发生概率较高，科研技术人员根据故障情况积累的相关保护经验较多；另一方面得益于我国交流输电保护技术在国际上的领先水平，在对直流线路保护的线路故障判定和测距方面具有一定的借鉴作用。对全球1999-2017年的申请量进行统计。全球总申请量在2005年之前都处于低迷趋势，申请数量较少。而在2005年以后，申请数量逐渐增加，并保持着稳定的增长速度。在2013年，全球总申请量达到一个顶峰，维持两年后在2016年申请数量略有下降。其中，中国在直流输电线路和换流器保护领域的申请数量也不断增加，在全球申请总量所占的百分比也是逐年增加。在2005年我国开始筹备自主研发、自主设计的高压输电技术工程，向家坝-上海±800kV高压直流线路项目在2008年底开工并于2010年7月8日投入运行，这也对应了在2005年和2008年申请趋势发生变化的年份。虽然，中国的高压输电工程起步要晚于邻居俄罗斯以及西方各国，然而自我国第一条高压直流输电———舟山直流输电工程起步以来，我国陆续建设了葛洲坝-南桥（上海）、天成桥-广州等直流输电工程，在“十五”期间便计划了7条直流输电线路，并在国家电网启动高压输电项目以来更加重视直流输电工程。国外电力设备重点厂商西门子、ABB等公司在专利布局时均会向中国提出专利申请。同时，随着我国技术水平和国民知识产权意识的觉醒，国内申请的数量也是逐年递增。因此，现在我国已经是直流输电领域专利大国。

3、重点专利分析-换流站

换流站是高压直流输电系统的核心组成部分之一就是换流站设计与建设。双极系统接线方式是我国目前主导建设高压直流输电工程的首选接线方式。双极双12脉动换流站可以选择包括双极全电压运行和单极半电压运行等多种运行方式。换流站灵活多变的运行方式可以在换流阀发生故障时最大程度减小损失，保障输电安全平稳运行。高压换流技术：（1）柔性直流输电。加拿大学者Boon-TeckOoi在1990年正式提出采用PWM技术控制的电压源换流器(VSC）进行直流输电的概念。柔性直流输电技术通过改变VSC中全控型电力电子器件的开断状态，实现控制交流侧的无功和有功功率的目的，这样不仅可以保障电网稳定运行，还可以解决输电技术中的一些棘手问题。对于柔性直流输电系统而言，无论是采用多电平换流器还是使用两电平换流器，均为单极对称系统。并联换流站与串联换流站相比具有损耗更低，调节范围更大，扩展方法更加灵活等优点，所以目前正在运行的高压柔性直流输电工程的换流站多采用并联接线方案。（2）换流阀塔设计。换流阀是高压换流的关键设备之一，其中阀塔的结构设计好坏更是关乎高压直流输电工程能否安全稳定运行的重要一环。目前我国的±800kV高压换流阀的阀塔结构设计采用柔性防震的悬吊式二重阀结构，无论是高端阀厅还是低端阀厅均配置6座二重阀，而每组12脉动换流器是由每座阀厅的6座二重阀塔构成。同时为了避免换流阀产生电晕，减少输电过程中的电压功率损耗，屏蔽换流阀内部产生的磁场对外部环境的干扰，需将金属网罩安装在换流阀塔的上下两端。

结束语

综上所述,这么多年以来,我国电力系统工作人员结合中国实际情况开展对高压直流输电系统保护技术的研究，为我国高压直流输电工程积累了大量宝贵的经验，保障了高压直流输电系统保护工程的顺利实施，而我国资源分布不均衡以及经济发展对电力需求日益剧增，迫切使得高压直流输电系统保护技术在电网发展史上具有举足轻重的地位。随着全球能源互联网建设的逐步推进，加上影响高压直流输电工程稳定的因素随着电网发展不断增多，下一步我国还需进一步完善高压直流输电技术，提高系统对环境的适应性，确保将高压直流输电系统保护工程建设为保障群众生活，促进经济发展的重点工程。

参考文献

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