柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述

柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述

郑星星

国网青海省电力公司超高压公司  810000

摘要：基于柔性直流输电系统控制方式和拓扑结构的特殊性，在直流侧发生故障时，其故障电流上升速度极快且破坏性极强。针对柔性直流输电系统的故障类型和保护分区进行讨论，结合现阶段的故障隔离技术，介绍了直流断路器、换流器和交流断路器的应用状况。因此，需要提升保护在系统强耦合环境下的适应能力。与传统输电方式相比，柔性直流输电技术具有技术和经济上的优势，未来将广泛应用于大规模新能源发电并网、城市高负荷地区供电和远方孤立负荷供电等。

关键词：柔性直流输电线路；故障；保护技术

本文从柔性直流输电线路故障处理和保护原理几个方面，详细地分析了国内外柔性直流输电线路故障处理和保护技术的研究现状，包括借助辅助电路的故障电流分流与抑制技术、基于新型换流器拓扑和直流输电结构的故障电流抑制与故障自清除技术、基于直流断路器的故障隔离技术，以及直流线路保护原理。随着大功率全控电力电子器件制造和控制技术的发展，柔性直流输电系统应运而生，其具有传输容量大、线损低、可靠性高、无换相故障、有功无功功率独立控制等特点，受到了广泛关注和研究。

一、柔性直流系统故障类型

以某柔性直流电网为例，该工程采用架空输电线路，相比直流电缆，其故障概率更高。按故障区域划分，柔性直流电网故障大致可分为交流系统故障、换流器内部故障、系统直流侧故障。换流器内部故障又可细分为站内母线故障、阀短路故障、桥臂电抗器故障、最常见的子模块故障等。柔性直流输电具有输送容量大、电压等级高特点，MMC(模块化多电平换流器)每个桥臂串联的子模块数量较多，从而增加了子模块故障率。在柔性直流系统建设中，为确保系统具有足够的容错性和充足的安全裕度，通常会在每个桥臂上串联适量的冗余子模块。直流侧故障可细分为直流线路断线故障、直流线路短路故障、换流器闭锁故障。在单个MMC中，因直流侧采用单级输电，所以直流侧线路故障以单极接地故障为主。

二、柔性直流输电线路保护技术

在处理柔性直流线路常见故障时，主要依赖保护技术对故障具有的科学、高效判别。当前，应用在柔性直流输电工程中对直流线路进行保护的策略基础，是对高压直流进行保护的策略，即以微分欠压与行波保护作为主要策略，辅以必要电流差动保护，此外，还对直流电压不平衡及直流过电压所对应的保护措施进行相应配置。通过实验可发现，微分欠压与行波保护优势主要为速度快，不易受长线分布电容、电流互感器饱和等因素影响，但该项技术同样存在明显的不足，具体体现在对设备采样率具有较高要求，以及针对高阻接地故障所开展的检测工作不具备应有灵敏度。作为对高阻接地具有良好保护作用的技术，电流差动保护的不足包括较易由于分布电容而受到相应的影响，以及无法满足柔性直流线路对保护动作具有的“快速”要求。需明确的是，虽然当前针对柔性直流线路所开展的保护工作存在一定的不足，但所应用的保护逻辑和技术已能对工程实用需求加以满足。

由于微分欠压与行波保护存在明显不足，因此，国内外专家和学者结合柔性直流线路常见故障，提出以下保护技术：①行波边界保护、高速行波保护；②行波纵联保护。前者是以小波变换分析为基础，后者是对正向行波幅及反向行波在幅值方面具有的特点进行了科学利用。通过对高压直流线路所应用的保护策略进行研究发现，通过对直流滤波器和侧平波电抗器加以利用，达到对暂态量边界构成这一目的策略，是近年来研究的重点之一。还有部分专家和学者以直流滤波环节所具有的阻抗特征为依据，结合频带电流与特定频率电流，提出了对直流电路进行单端保护的概念，并通过实验对该技术在保护方面具有的作用进行验证；关于电流差动保护延时这一问题，专家和学者提出“用以频变参数模型为基础、对直流电缆线路进行差动保护的技术对上述问题加以解决”的建议，实践表明，该保护技术能避免电容电流产生的影响，但需注意的是，为在最大程度上对不误动情况加以保证，该技术通过对延时低定值加以利用方式，躲过了暂态过程，由此带来的问题是计算量增加及速度减慢。

三、柔性直流输电线路故障保护存在的问题与研究展望

3.1存在的关键问题

虽然国内外学者围绕柔性直流输电线路保护原理开展了大量研究，能够在一定程度上提高现有柔性直流输电工程的线路保护性能，但仍存在一些问题：（1）柔性直流输电系统故障阻尼小，故障蔓延速度快，而柔性直流系统中的电力电子设备耐受故障冲击电流能力差，因此对保护系统的响应时间要求很高，即对速动性要求高。（2）虽然行波保护是目前柔性直流输电系统较为适宜的主保护，但其易受雷击、噪声等因素干扰而发生误动，可靠性降低，并且对采样频率的要求高。（3）正负极线路行波之间存在电磁耦合，并且暂态行波在传播过程中会发生畸变、色散、频散等现象，对保护会产生一定的干扰。

3.2保护与控制协调策略

柔性直流输电线路的故障处理与保护和控制密切相关，为实现故障线路的隔离和系统的稳定，需要针对线路保护、辅助电路以及系统控制的动作时间和投入方式，进行协调策略研究。尤其对于多端柔性直流系统，直流线路故障的处理，更加强调多站之间保护与控制的协调作用。采用保护、控制、通信集成一体化的多端柔性直流系统保护方案，研究保护与保护之间，保护与控制之间的配合策略，实现交直流侧保护与控制相协调，整合并减少分散保护设备的数量，从而降低柔性直流线路故障处理与保护的复杂性、缩短故障处理的时间，提高系统的可用率。

3.3柔性直流输电技术的应用前景展望

（1）在城市电网塔容及直流供电中的应用。近几年来，我国经济的高速发展以及城市化建设的不断推进，促进了城市电网的进一步发展，与此同时大部分的城市电网负荷也一直呈现出不断增长的趋势，人们对于电能的供应及质量要求不断提高。（2）替代交直流联网。结合我国目前的总体趋势西部地区的资源相对较多，同时负荷较少，我国90%的水电几乎都集中在西部，而东部地区的能源与负荷量特点则恰好相反。导致了我国地区能源和负荷的失调，因此，特高压直流输电工程在不断增多，实现电能的大容量和远距离运输。（3）借鉴传统交流输电和常规高压直流输电的继电保护技术，结合柔性直流输电系统的结构特点，研究先进的保护原理。行波保护具有超高速动作且不受分布电容影响的优点，应进一步探究行波在雷击、噪声、电磁耦合等因素影响下的传播规律，从而研究更适合柔性直流输电的新型行波保护方法。因此以行波保护为代表的新型主保护是未来柔性直流输电继电保护研究的重点领域。

总结了柔性直流输电线路保护与故障处理面临的关键问题，并探讨了柔性直流输电线路保护技术进一步的研究方向。总的来说，改进行波保护原理后，虽然保护可靠性和速度具有一定提升，但该保护技术仍面临着采样率要求高、交易受干扰等问题。高压直流系统和柔性直流输电系统所对应的直流侧结构存在明显的不同，将适用于高压直流系统的保护技术应用在对柔性直流线路保护中，无法发挥其全部作用，因此，涉及柔性直流线路保护的内容在未来一段时间内仍是专家学者们研究重点。

参考文献：

[1]刘剑.柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述[J].电力系统自动化,2015,39(20):158-167.