交流故障下直流等值阻抗特性分析及其对选相元件的影响

郑振煌

（广州供电局有限公司白云供电局，广东 广州 510000）

Analysis of Equivalent Impedance Characteristics of AC Impedance and Its Influence on Phase Selector

Zheng Zhenhuang

(Guangzhou Power Supply Bureau Co., Ltd.Baiyun Power Supply Bureau,Guangzhou 510000; Guangdong，China)

摘要：基于序分量选相和电压差突变量选相原理，分析了两种选相方法的影响因素。基于PSCAD软件采用CIGRE HVDC标准测试模型建立的交直流互联模型，分析了交流系统故障时，直流系统的等值工频序阻抗，结果表明，直流等值负序阻抗接近于纯阻性，且等值正序阻抗与负序阻抗不相等。在此基础上，结合直流等值阻抗特性，分析了其对选相元件的影响，并基于PSCAD软件对此进行仿真验证。

关键词：交直流互联；直流等值阻抗；选相元件

Abstract: Based on the principle of phase selection and voltage difference mutation selection, the influencing factors of the two methods are analyzed. Based on the CIGRE HVDC standard test model based on PSCAD software,the AC / DC interconnection model is established and the equivalent frequency of the DC system is analyzed when the AC system is faulty.The results show that the DC equivalent negative impedance is close to pure resistivity, and so on. The positive sequence impedance is not equal to the negative sequence impedance. On this basis, combined with the DC equivalent impedance characteristics, the analysis of its effect on the selection of components, and based on PSCAD software to verify this.

Key words: AC and DC interconnection; DC equivalent impedance; Phase selection element

0引言

在我国，由于资源分布与能源需求的不均衡以及高压直流输电所具有的大容量、远距离输电等优势，高压直流输电在我国占据着越来越重要的地位。目前已有多条直流馈入，形成了多个交直流互联区域电网。然而直流系统采用了大量非线性的电力电子元件，控制保护策略不同，控制系统具有快速性。并且，在交直流互联的情况下，交流系统发生故障时，极易导致直流系统换相失败，尤其是在逆变侧。直流换相失败时的暂态电流具有不同于纯交流系统的特征，即直流系统的等值工频电流，等值阻抗等均区别于纯交流系统，因而继电保护装置或多或少都会受到直流系统的影响，甚至产生误动或者据动的事故。21世纪以来，临近高压直流系统的地方就先后发生了多起保护装置误动的事故。比如，2003年6月天广直流系统换相失败导致广州北涌乙线误动。2005年12月，三广直流惠三甲线短路故障造成换相失败而导致横东双回500kV交流线路误动。

微机保护的广泛的采用，使得选相元件在保护中发挥着越来越重要的作用。比如，线路主保护配合选相元件，可以减少误动事故，提高准确率；精确的故障测距离不开选相元件的配合；选相元件也成为方向元件正确判别故障方向的重要一环。所以，研究直流馈入对选相元件的影响对电网有着十分重要的意义。

有些学者探讨了直流系统的谐波对交流保护的影响^[1]，文献[2]对工频变化量阻抗进行了定量分析，文献[3-4]则借助电磁暂态仿真软件定性分析了直流系统换相失败故障对交流保护的影响，文献[5]指出直流系统由于容易发生换相失败，且其本身具有很多的非线性电力电子元件以及直流控制系统的快速性等，使得故障时保护装置测得的正、负序阻抗不再接近相等容易导致基于突变量的选相元件错误选相。

但是，关于直流馈入对现在常用的两种选相元件即序分量选相和电压差突变量选相的影响却少有研究，本文首先分析了序分量选相和电压差突变量选相原理的影响因素，然后基于PSCAD软件采用CIGRE HVDC标准测试模型馈入交流系统，通过仿真分析了交流故障下，直流等值工频阻抗特性，并分析其对选相元件选相结果的影响，最后基于PSCAD软件进行仿真验证。

1常用选相元件原理

序分量选相和电压差突变量选相是目前常用的选相方法，且都是基于故障工频分量。

1.1序分量选相

序分量选相是基于保护安装处流过的故障分量对称分解的零序电流I₀和A相负序电流I_2A比相即 的一种选相方法，假设负序电流分配系数 和零序电流分配系数 相位相同，则有

当-60º﹤ ﹤60º时，判断为A区，为A相接地故障或者BC两相接地故障。

当60º﹤ ﹤180º时，判断为B区，为B相接地故障或者CA两相接地故障。

当-180º﹤ ﹤-60º时，判断为C区，为C相接地故障或者AB两相接地故障。

一般情况下线路阻抗和电源阻抗接近于纯感性，满足负序电流分配系数 和零序电流分配系数 相位相同或者接近于相等，当两者相位不等时，以图1所示的双端交流系统为例进行分析。

图1 双侧电源交流系统

假设M处背侧的系统阻抗不再接近于纯感性的，线路中点发生A相接地故障时，设零序电流分配系数和负序电流分配系数的分母为 和 ，则有

（1）

由式(1)可知，当背侧系统阻抗负序分量的电抗和电阻的比值不等于零序阻抗的电抗和电阻的比值时，则零序电流分配系数和负序电流分配系数的相位差不等于零，当其值超出故障相的区间范围时，则会导致选相元件错误选相。

而当系统发生两相接地故障时，以BC相接地故障为例，选相元件背侧阻抗的特性除了上述对电流分配系数相角差的影响外，还会影响到故障电流对称分解的负序和零序分量的相角差，使得故障点的零序电流和负序电流的比值可能不等于零或者接近于零。

1.2电压差突变量选相

电压差突变量选相基于相补偿电压突变量和相间电压突变量，相补偿电压突变量为：

（2）

相间补偿电压突变量为：

（3）

其中 、 分别为继电保护装置处相电压和相间电压的工频故障分量； 分别为保护处相电流和相间电流的工频故障分量，且带有零序电流补偿；K为零序电流补偿系数； 为整定阻抗，一般为距离保护第一段整定值。

求得 和 六个突变量，进而比较突变量值得大小，首先在三个相电压突变量中选出最大值，然后与另外两相相间电压突变量的值做比较，，如果相电压突变量最大者大于另外两相相间电压突变量的值一定倍数，则判断为单相接地故障，如果小于一定的倍数，则判断为三相对称故障。下面以A相电压突变量 最大为例。

如果不等式 成立，则选为A相接地故障；

如果不等式 成立，则选为三相对称故障。

当交流系统故障类型为两相接地故障或者两相相间故障时，再根据相电压突变量最大的两个相别进一步比较，选出故障相别和故障类型。

一般情况下，可以假设交流系统的正、负序阻抗相等，且呈纯电抗性，这样正、负序电流分配系数相等。但是假设系统的正、负序阻抗不相等，正、负序电流分配系数不相等，以图2-1所示的双端电源交流系统为例，当系统发生A相接地故障时，有

（4）

其中a为向量因子， 为故障点的A相正序电流。

由式（4）可知，发生A相接地故障时， 不等于零，与选相方法理论上等于零可能有较大差值，因此，可能导致不等式 不再成立，导致选相错误。

当系统发生三相对称故障时，有

（5）

于是有

（6）

由式（6）可见，发生三相对称故障时，A相补偿电压突变量和BC相间补偿电压突变量的比值为一个定值，所以不会受到影响。

2交流故障下直流等值阻抗特性

以图2所示的送端交直流互联系统为例，基于PSCAD软件建立相应的模型。

图2 送端交直流互联系统

其中母线M背侧的电源的负序阻抗和零序阻抗相等，为 ，母线N上连接的电源的负序阻抗和零序阻抗相等，为 ，线路参数采用常用的阻抗参数，即正序和负序阻抗为 ， ，零序阻抗为正序阻抗的3倍。线路MN的长度为60Km，线路NO的长度为5Km。 为直流系统滤波器和无功补偿装置的等值阻抗。

假 设在线路MN的中点1s时发生A相接地故障，直流等值工频序阻抗仿真结果如下图：

图3 正序阻抗幅值（左）和角度（右）

图4 负序阻抗幅值（左）和角度（右）

图5 零序阻抗幅值（左）和角度（右）

经过计算可得直流等值工频正、负和零序阻抗为：

（7）

由式（7）可以看出，在直流馈入的情况下，交流系统故障时，直流负序等值工频阻抗不再满足电抗远远大于电阻的条件，而是正好相反，呈现电抗远远小于电阻的特性，使得直流负序等值阻抗接近于纯阻性。而且可以知道，此时直流系统的等值工频正序阻抗和负序阻抗不再相等或者接近于相等，而是相差较大，并且直流等值正序阻抗呈现容性，与等值负序阻抗呈现感性相反。

3直流等值阻抗特性对选相元件的影响

3.1序分量选相

假设在线路MN的中点发生A相接地故障，对于母线N侧的的保护装置来说，负序电流分配系数和零序电流分配系数分别为：

（8）

代入参数可以得到

（9）

由A相接地故障有 成立，其中 和 分别为故障点的零序电流和A相负序电流。所以有

（10）

由式（10）可知，此时交直流互联系统故障点的负序和零序电流比相的值超出了序分量选相元件能够正确选相的范围，从而导致错误选相。

基于PSCAD的仿真结果如下：

图6 零序电流和负序电流相位差（左）和选相结果（右）

由仿真结果可得 ，所以超出了A区的选相范围，落在了C区的选相范围内，导致选相错误。而此时 仍然成立，所以有 ，可见，负序电流分配系数和零序电流分配系数相位差的仿真值和分析计算结果很接近，都是约等于64º，出现误差是由于忽略了导线的电容等因素造成。

由此可知，在交直流互联系统中，交流系统发生故障时，由于直流系统的等值工频负序阻抗不再满足电抗远远大于电阻而接近于纯感性的条件，而是接近于纯阻性，导致负序电流分配系数和零序电流分配系数的相位差不再等于零，具有较大的数值，从而可能导致序分量选相元件出现选相错误的情况。

而在考虑母线N上的电源的情况下，仿照前文的分析计算，在线路MN中点发生A相接地故障时，可以得到 ，所以有 ，即在A相故障的选相范围内，序分量选相元件可以正确选相，仿真的结果如下图。

图7 零序电流和负序电流相位差（左）和选相结果（右）

由仿真结果可得 ，此时 仍然成立，所以有 ，可见，负序电流分配系数和零序电流分配系数相位差的仿真值和分析计算结果很接近，由于接近纯感性的电源与接近纯阻性的直流系统等值工频阻抗并联，削弱了直流等值阻抗的电阻性，因此负序电流分配系数和零序电流分配系数相位差有所减小，使得序分量选相元件能够正确选相，

但是裕度有所减小。最终的选相结果如下：

表1 直流馈入下序分量选相结果

注：√表示选相正确，×表示选相错误。

由仿真结果可见，直流等值负序阻抗呈现接近于纯阻性的特性可能会使得序分量选相元件选相错误。

3.2电压差突变量选相

仍 以图2的送端交直流互联系统为例，暂不考虑母线N上的电源时，假设线路MN中点发生A相接地故障，则仿真结果如下：

图8 BC相间电压突变量（左）和A相电压突变量（右）

图9选相结果

可见，交直流互联系统中，发生A相接地故障时， 并不是等于零，在暂态期间，会有相对较大的变化量，而在稳态期间，相对变化量较小，但由于 的值比较大，所以选相元件仍然能够正确选相。但是电压差突变量选相元件作为暂态选相元件，必须足够重视暂态过程中较大的变化量。

假设在线路MN中点发生三相对称故障，则仿真结果如下：

图10 BC相间电压突变量（左）和A相电压突变量（右）

图11选相结果

由以上仿真结果可见， ， 190.0878，两者的比值约等于1.73。可见，仿真结果验证了前文的分析计算结果，两者的比值为一定值，约等于1.73，因此，发生三相对称故障时，电压差突变量选相不受直流等值阻抗特性的影响。电压差突变量选相元件仿真结果如表2所示。

通过以上仿真结果可知，直流系统等值阻抗会使电压突变量选相元件对于不对称故障的选相结果造成一定的影响，在暂态期间影响较大，可能会导致选相元件选相错误，在稳态期间影响不是很大，只是使得裕度有所减小。同时，直流系统等值阻抗不会对电压突变量选相元件对于三相对称故障选相造成影响。

表2 直流馈入下电压差突变量选相结果

注：√表示选相正确，×表示选相错误。

4结语

本文基于PSCAD对交直流互联系统交流故障下的直流系统等值工频阻抗进行了仿真分析，并分析和仿真验证了直流等值阻抗特性对序分量选相元件和电压差突变量选相元件的影响，总结如下：

1）交流故障时，直流等值工频负序阻抗接近于纯阻性，与线路阻抗接近于纯感性正好相反。

2）交流系统故障时，直流等值工频正序阻抗与负序阻抗不相等，幅值和相位均有较大差值。

3）直流等值工频负序阻抗接近于纯阻性的特性使得保护处负序电流分配系数和零序电流分配系数的相位差不等于零，具有较大的差值，可能会导致序分量选相元件选相错误。

4）直流等值工频正序阻抗与负序阻抗不相等的特性使得正序电流分配系数和负序电流分配系数不相等，使得电压差突变量选相元件发生不对称故障时选相裕度减小可能选相错误，尤其是在暂态期间，可能导致选相错误。直流系统等值阻抗不会对电压突变量选相元件对于三相对称故障选相造成影响。

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作者简介：

郑振煌（1992-），男，工学学士，广州供电局有限公司白云供电局

联系方式：广东省广州市白云区龙归街道北太路20号

邮编：510000

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