单极直流输电

单极直流输电（精选四篇）

单极直流输电 篇1

近年来,黄河上游水电及宁夏宁东地区火电采用±500 kV高压直流输电(HVDC)[1,2]送至华北电网。直流输电系统的运行方式包括两极直接构成回路、单极或双极以大地或金属为回路等[3,4]。我国很多接地极的额定入地电流能达到3 kA,当HVDC采用单极大地方式运行或者双极运行单极突然闭锁时,3 kA直流将造成地表电位分布不均匀,从而在交流电网不同接地点间产生电位差,使部分直流电流从一端变压器中性点流入,再从另一端变压器中性点流出[5]。现场测试表明[6,7],只需很少的直流电流流过变压器中性点就会严重危害变压器甚至影响交流电力系统的正常运行。此外,直流偏磁还会造成变压器涌流增大,噪音、温升和振动增加以及谐波增大等不利影响[8,9]。

分析入地直流对交流系统的影响,需首先求出地表电位ESP(Earth Surface Potential)的分布规律。目前,有关直流接地系统电气性能的研究较成熟,如:文献[10]和[11]分别对圆环型和直线型接地极的电流场进行了分析;文献[12]采用三维有限元的方法对直线型接地极端部电流场进行了分析;而文献[13]则用数值分析法计算了高压直流输电直线型接地极系统各电气性能参数,讨论了不同模型、电流注入方式等对接地系统电气参数的影响。但现有文献对距接地极几十km或更远处的电位分布规律研究却不多。实际情况中,土壤结构非常复杂[14],并应同时考虑江河、湖泊以及地上架空线路感应等的影响。本文采用有限元方法,在分析大地深层和浅层2种土壤模型的基础上,考虑了上述各种因素的影响,总结出HVDC单极大地方式下地表电位的分布规律。

1 地表电位及其计算

1.1 地表电位的产生和ANSYS软件

图1所示为±500 kV HVDC通过宁夏东部(宁东)换流站向天津换流站供电,正常情况下地中无直流,但当直流系统检修或发生单极闭锁故障时,某一极将退出运行,如图中虚线框退出运行后,系统将通过大地构成回路。此时,入地直流将改变地表电位的分布,使交流电网不同接地点的电位不同,在两接地点间产生电位差,该电位差将使一部分直流通过接地变压器的中性点和架空线路构成回路,引起变压器直流偏磁,对交流电网产生不利影响[15]。因此,有必要研究直流单极大地方式运行时的地表电位分布规律。

有限元法是当今数值计算领域应用最为广泛也最为成熟的一种计算方法,其最大的优点是通用性强、精度高。由于数值模拟计算方法经济高效[16],对于复杂接地网络的分析,通常需要借助大型的数值分析软件。在众多可用的有限元软件中,ANSYS软件[17]是最为通用有效的商用有限元计算软件之一。ANSYS软件具有多种分析能力,包括简单线性静态分析和复杂非线性动态分析。它可用来求解结构、流体、碰撞、电力及电磁场等多种问题。通过前处理、分析计算和后处理3个模块,可方便地对二维和三维的情况进行求解。ANSYS包含多种实体单元,其中二维实体单元PLANE67和三维实体单元SOLID69适合于做热-电耦合场的分析。本文采用三维实体单元SOLID69作为基本的分析单元。

1.2 2种土壤模型及地表电位分布基本规律

由于HVDC输电从宁东至天津距离上千km,其地中电流分布很广,因此选择合理的土壤结构对分析地电位分布尤为重要。根据宁东地区实测土壤数据,并结合大地的典型结构[18],本文建立了2种土壤结构模型:浅层模型和深层模型,具体参数如表1所示。

本文计算所用的其他模型参数如下:

a.500 k V直流线路两端直流接地极相距1000km,接地极形状为单标准圆环,直径400 m,埋深3 m;

b.由于直流输电运行时,输送的功率可能发生变化,故取直流入地电流分别为1、2、3 kA进行计算,其中3 kA为额定入地电流。

根据以上参数,在ANSYS软件中建立以直流接地极上表面为xoy平面,上表面圆心为坐标原点,接地极掩埋方向为z轴的三维计算模型。

在不同土壤结构模型下,位于宁东地区的直流接地极所引起的地表电位分布的计算结果如图2所示,曲线1、2、3、4分别对应深层(3 kA)、深层(2 kA)、浅层(3 k A)和深层(1 kA);r为半径,表示所求电压离接地极的距离。其中,深层(3 kA)表示在入地直流为3 k A时采用深层土壤模型计算所得到的地表电位,其他的可依此类推。

从图2可以看出,当入地直流为额定电流3kA时,如果采用深层土壤模型进行计算,在接地极处电位能达到300 V以上(约为330 V),而采用浅层土壤模型进行计算时,接地极处电位仅有150 V,两者相差了一倍。由于宁东地区接地极附近变电所比较稠密,大部分变电所离接地极距离不超过100 km,因此更关心的是接地极半径100 km范围内的地表电位变化情况。图3为入地直流为3 kA时,通过深层和浅层2种土壤模型计算出的地表电位差值曲线。

从图3可以看出,在接地极半径100 km范围内,虽然随着离接地极距离的增加,通过2种模型计算出的地表电位的值都在逐渐减小,但是两者的电位差值却减小不多,比如在离接地极距离100 km处的电位相差仍能达到60 V。而在接地极半径100 km以外的地方,离直流接地极距离越远,两者计算误差逐渐减小。可以想像,当入地电流为其他值时,在离接地极半径100 km范围内,通过深层和浅层模型计算出的地表电位差别也会比较大。

通过以上分析知道,在相同的入地电流下,当分别采用深层和浅层2种土壤结构模型对地表电位进行计算时,计算结果差别是比较大的,特别是在所关心的接地极半径100 km范围内。因此,当需要对直流单极运行所引起的地表电位进行准确计算时,应采用深层土壤结构模型。实际情况中,由于部分电流可能会通过大地深处,而交流变电站距直流接地极距离一般也就在100 km范围以内,因此已经不能再选用浅层土壤模型,而必须考虑深层大地的影响。

若大地采用深层土壤模型,当入地直流分别为1、2、3 kA时,计算出的地表电位分布规律亦如图2所示。从图中可以看出,当入地直流为额定电流3 kA时,对应的地表电位是最大的,因此,实际中当考虑直流单极运行对交流系统影响时,只需计算出额定入地直流时各接地点的地表电位即可,显然,如果能采取抑制措施保证额定入地直流时交流系统不受影响,那么当直流运行于其他状态时也不会对交流系统产生影响。

从图2还可看出,如果采用深层土壤模型,当入地电流为额定直流3 kA时,在关心的直流接地极半径100 km范围内地表电位下降非常迅速,从接地极处的300 V以上降到100 V左右,因此在此范围内的变电所受到入地直流的影响将可能更大;而在离接地极150 km的距离处,电位仍有50 V左右,甚至在离接地极200 km的距离处,仍有20 V左右的电位。由于宁夏宁东地区绝大多数变电所都在距直流接地极半径100 km范围内,因此,2个变电所之间将可能存在较大的电位差,使入地直流通过变压器中性点流入系统,从而影响变电所和交流系统的正常运行。

2 考虑两接地极间有架空线路及变电所接地电阻不同时地表电位分布规律

入地直流流过变压器中性点电流的大小还与两接地极连线方向上变电所出线(架空线)长度、线路回数以及各变电所的接地电阻等有密切关系[14,16]。因此,本文对此也作了一定的分析。如无特别说明,本文以下的分析均是基于深层土壤结构模型。

本文计算所用的线路和变电所参数如下:

a.交流输电线路位于两直流接地极之间,且与两直流接地极处于一条直线上;

b.假设输电线路为宁夏电网某220 kV 3分裂导线,每根分裂导线的单位长度直流电阻为0.14Ω/km;

c.各线路地线单位长度直流电阻为2.50Ω/km;

d.忽略变压器绕组的直流电阻;

e.铁塔间隔500 m,铁塔的接地极为15 m×15 m的十字形接地体,埋深1 m,变电站接地网面积为150 m×150 m,埋深0.8 m。

图4为变电所出线与直流接地极的位置示意图。图中,l1、l2和d分别表示线路始端距直流接地极距离、线路长度和线路回数。

2.1 变电所出线距直流接地极不同距离时

变电所出线采用单回线,线路长度为100 km,始端距直流接地极距离l1分别取30、50、100 km。

变电所距直流接地极不同距离时沿线地表电位分布结果如图5所示。

由图5可知:

a.两直流极间变电所有架空线路时,若架空线路始端距直流接地极的距离越近,沿线的地表电位越高,两端的电位差也越大;

b.架空线路始端沿线的地表电位比没有线路时要低,而线路末端沿线的地表电位则比没有线路时要高,这是由于架空线路的存在,入地直流可以通过变压器中性点和架空线路形成回路,并且直流电流的流向是从高电位的变电所流向低电位的变电所,从而相当于把高电位引向了低电位,把低电位引向了高电位,起到了平均电位的作用[14]。

2.2 变电所出线长度不同时

变电所出线仍采用单回线,线路始端距直流接地极30 km,但线路长度l2分别取20、50、100 km。

不同线路长度时沿线地表电位分布结果见图6。

从图6中可以看出,随着线路长度增加,线路两端电位差增大,线路沿线的地表电位也越低;但在线路始端(即直流接地极附近),电位降低的幅度较小。

2.3 不同出线回数时

变电所出线长度为100 km,线路始端距直流极30 km,但取不同线路回数(d分别取1、2、3)。

不同线路回数时沿线地表电位分布结果见图7。

从图7中可以看出,随着变电所出线回数的增加,线路两端电位差也将逐渐减小,即:在线路始端沿线的地表电位越低,而在线路末端的地表电位越高。这可以理解为,由于线路平均电位的作用,随着线路回数的增加,线路的直流电阻在不断减小,流过线路的直流电流增多,更容易将高电位引向低电位,同样也更容易将低电位引向高电位。

2.4 不同变电所接地电阻时

设变电所出线长度为100 km,线路起点距直流极30 km,但接地电阻RG分别取0.5、1Ω。此时沿线地表电位分布如图8所示。

从图8中可以看出,随着变电所接地电阻的减小,线路两端的电位差也将逐渐减小,即在线路始端沿线的地表电位越低,而在线路末端沿线的地表电位越高。这可以理解为,由于线路平均电位的作用,随着接地阻抗的减小,流过线路的直流电流增多,更容易将高电位引向低电位,同样也更容易将低电位引向高电位。但减小的幅度非常小,因为变电所接地电阻本身改变的数值不大,故对系统的影响也不大。

3 考虑江河、湖泊时地表电位分布规律

由于宁东至天津接地极存在河流、湖泊等,因此,需要对它们是否对地表电位产生影响进行分析。

3.1 考虑江河时

假设河流长为150 km,宽1 km,深30 m,河床成V字型,电阻率取5Ω·m,距直流极10 km。河流与接地极的相对位置示意图见图9。仿真结果见图10。

显然,不管河流与直流接地极连线的相对位置是平行还是垂直,河流对地表电位的分布影响很小。

3.2 考虑湖泊时地表电位分布

假设湖面为一个圆形,湖深30 m,电阻率取为5Ω·m,距直流极10 km,湖的直径分别取10 km和20 km。大地采用2层简单模型,上层土壤电阻率为250Ω·m,下层土壤电阻率取为100Ω·m。湖泊与接地极的相对位置示意图如图11所示。

仿真结果如图12所示。

从图12可以看出,如果湖泊在两接地极之间时,对地表电位分布有一定影响,而在其他位置时,对地表电位分布的影响比较小。具体而言:若湖泊在两直流接地极连线上,并且沿x轴的正向时,在湖边缘处电位的变化比较大,即在靠近接地极侧电位减小比较快,在远离接地极侧湖泊电位比没有湖泊时则有一定幅度的升高,但湖面上的电位变化比较平缓。湖越大,地表电位受湖影响的范围也就越大。

4 结论

a.当分析直流单极大地方式运行所引起的地表电位分布时,总体而言,采用深层和浅层土壤2种模型的计算结果误差会比较大,如果需要进行准确计算,建议采用大地深层土壤模型。

b.随着入地直流的增加,地表电位也将增大,因此,在实际中只需计算出额定入地直流时各接地点的地表电位即可。如果能采取抑制措施保证额定入地直流时交流系统不受影响,那么当直流运行于其他状态时也不会对交流系统产生影响。

c.当两接地极间有架空线路时,有以下结论:架空线路始端距直流接地极的距离越近,线路的电位越高,其两端的电位差也越大;线路长度增加,其两端电位差增大,沿线的地表电位也越低;线路回数增加,线路两端电位差也将逐渐减小,而在线路末端的地表电位越高。

d.河流对地表电位影响很小,在湖泊边缘处地表电位的变化比较大。

摘要：采用有限元方法分析了直流单极大地方式运行时大范围的地表电位分布特征,并通过ANSYS软件计算了浅层和深层2种土壤结构模型下的地电位分布;同时考虑了有变电所出线、不同变电所接地电阻、江河以及湖泊等多种情况下对地电位分布的影响。研究结果表明:土壤结构对地表电位分布影响较大,采用土壤深层模型时计算结果更为准确;变电所架空出线距离直接接地极越近、线路越长、线路回数越少,其两端的电位差越大;河流对地表电位影响较小,湖泊边缘处对地表电位影响较大。

《高压直流输电系统》开题报告 篇2

一、毕业设计(论文)课题来源、类型 本毕业设计的课题来源为导师给定，课题类型为研究类。

二、选题的目的及意义 本毕业设计的主要任务是高压直流输电系统谐波电流的分析与研究。我国能源和负荷的地理分布极不均衡，决定了我国要解决21世纪上半叶的电力供应问题，就必须在大力开发水电和火电的同时，建设全国能源传输通道，实现长距离大容量的“西电东送”和“北电南送”，从而实现全国联网，充分发挥电网的水火互补调剂及区域负荷错峰作用。目前，我国已经建成了多条直流输电线路，包括早期建成的舟山试验工程和葛卜直流输电工程，以及近年新建的天广、三常、三广和贵广直流输电工程等。我国正在建设和规划建设中的还有灵宝背靠背、三峡一上海、云南水电送广东、四川水电送华中、华东以及西南水电送江西、福建，广东一海南联网等直流输电工程。我国的直流输电技术必将在此过程中有长足的发展。直流输电因其输电容量大，控制响应速度快，自身没有同步运行的稳定性问题，远距离、大容量送电优势明显，已成为我国重要的远距离、大容量送电和区域联网方式。高压直流输电中的谐波问题也日益突出，谐波的存在使

得系统电能质量下降。其不但会严重影响电力系统自身的安全运行，而且还影响输变电设备的正常运行和干扰周围的通信系统。为此，我国于1993年对电网中的谐波制定了相应的国家标准。谐波对电力系统和其他用电设备可能带来非常严重的影响和危害。如果交、直流系统的谐波分量过大，会使系统电压波形发生畸变，降低电能的质量。谐波电压和谐波电流对电力系统的影响一般有以下几点：

1．会在电网中引起局部的并联或串联谐振，加大了谐波分量；

2．由谐振导致的局部过电压，加速电力设备绝缘老化，缩短使用寿命，增加建设投资；

3．增加电网中发电机和电容器的附加损耗；

4．影响换流器控制的稳定性；

5．干扰邻近的通信设备，使电话线路产生杂音，降低通信质量。

6.干扰仪表和电能计量，造成较大误差;

7.对继电保护或自动控制装置产生干扰和造成误动或拒动

8．谐波的存在对电网的经济运行也有一定程度的影响。即使是在谐波分量没有超标的情况下，谐波也会造成大量有功功率和无功功率的损耗。虽然它的相对值并不大，但是绝对数量也是非常可观的。高压直流输电的换流器是一个高度非线性的谐波源，高

压直流输电系统运行时会在交、直流系统中产生丰富的谐波，包括特征谐波及非特征谐波，因而进行谐波治理之前需要了解高压直流输电系统中谐波的次数及含量。这也正是本课题的研究意义所在。

三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势 由于电力系统日益复杂化以及电能质量要求日益提高，高压直流输电系统谐波检测研究也在向纵深发展，主要发展趋势有：

(1)谐波检测对象研究从以稳态谐波检测研究为主转向非稳态谐披(波动谐波、快速变化谐波)检测。目前，对稳态谐波检测的研究已经比较深入，其中的FFT检测方法及其实现技术已经比较成熟。

(2)谐波检测方法研究将以改善FFT为主转向探索新的有效方法。由于DFT、FFT受使用条件的限制，对小波变换、瞬时无功功率理论、d-q旋转坐标变换、NN遗传算法等开展深入研究是一种必然选择，这些新的谐波检测方法被广泛应用是一种发展趋势。

(3)谐波检测实现技术研究将以模拟电路技术和不可编程数字电路技术为主转向追求高精度、高速度和高可靠性、高实时性、高鲁棒性的可编程器件技术”。

(4)谐波理论研究从以传统谐波理论研究为主转向通用谐波理论。传统的谐波理论很少关注不同次谐波之间产生的畸变

功率问题以及非稳态谐波问题，已经不能完全适应电力系统复杂化的客观实际，探索适用于复杂化系统的通用谐波理论以及新的谐波评定方法，不仅是谐波理论自身发展的需要，更是解决电力系统谐波问题的客观需求。

四、本课题主要研究内容 本课题主要研究内容为：

了解国内外高压直流输电系统及其谐波问题的研究状况及研究方法。

学习快速傅里叶变换理论，深入研究分析FFT理论用于分析高压直流输电系统谐波的可行性和可能遇到的问题。

利用Matlab编写基于FFT谐波检测算法，验证该算法程序的正确性和有效性。

利用Matlab搭建 Simulink 仿真模型产生比较符合实际的高压直流输电系统电流波形并进行抽样采集。

轻型直流输电及其应用前景研究 篇3

【关键词】轻型直流输电；高压直流输电；海上风电

0.引言

现代高压直流输电（HVDC）普遍采用晶闸管和移相换流器技术，多用于远距离、大功率输电[1]。但晶闸管（SCR）开关频率较低，换相损耗大。而移相换流器接线复杂，体积庞大，换流电压谐波含量高、功率性能指标低等缺点。因此，由于技术和经济等各方面的的原因， HVDC在近距离小容量的输电场合却难以应用。随着电力半导体技术尤其是绝缘栅双极晶体管（IGBT）的快速发展，其额定电压越来越高，并且在很大程度频率变化范围内仍能有较好的电压分布，促进了HVDC的轻型化，轻型高压直流输电系统即HVDC Light应运而生。

这种轻型直流输电系统把HVDC的容量延伸到了只有几MW到几十MW[2]，除具有传统HVDC的优点外，还可直接向小型孤立的远距离负荷供电，更经济地向市中心送电，方便地连接分散电源，运行控制方式灵活多变，减少输电线路的电压降落和电压闪变，从而进一步提高电能质量，因而具有很好的应用前景[3]。

1.轻型直流输电简介及其特点

轻型HVDC是在绝缘栅双极晶体管和电压源换流器（VSC）基础上发展起来的，其基本原理如图1所示。设送端和受端换流器均采用VSC，则两个换流器具有相同的结构。换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。换流桥每个桥臂均由多个IGBT串联而成。换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，同时也起到滤波的作用。直流电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。

HVDC Light其特点：

（1）VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换向电压，从而克服了传统HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷， 使利用HVDC为远距离的孤立负荷送电成为可能。

（2）正常运行时VSC可以同时且独立控制有功和无功， 控制更加灵活方便。

（3）由于VSC 交流侧电流可以控制， 所以不会增加系统的短路容量。

（4）VSC通常采用SPWM 技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可得到所需交流电压，可以不用变压器，所需滤波装置的容量也大大减小。

（5）多个VSC可以接到一个固定极性的直流母线上，易于构成与交流系统具有相同拓扑结构的多端直流系统，运行控制方式灵活多变。

2.轻型直流输电技术在国内外的应用

自1954年世界上第1条高压直流输电联络线投入工业化运行以来， HVDC作为一项日趋成熟的技术在远距离大功率输电、海底电缆送电、两个交流系统之间的非同步联络等方面得到了广泛应用。到目前为止，全世界共有70 多个HVDC输电工程[4]。

随着我国经济的飞速发展，能源紧缺和环境污染等问题日益显著，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，可再生清洁能源的发展首推风电。合理开发和利用风能、太阳能等可再生能源是符合我国国情需要的，但这些可再生能源一般分散性强、且远离负荷中心，接入系统后还会影响整个电网的稳定情况。传统直流输电技术能够解决这个问题，却不是很经济，而模块化设计的轻型直流输电将是个不错的选择。

3.轻型直流输电的应用前景

（1）向偏远地区供电。

（2）海上供电。

（3）城市配电网增容改造。

（4）清洁能源发电。

（5）提高配电网电能质量。

（6）在风电领域的发展前景。

由于海上风能资源丰富，发电量比陆地上更大，同时受到环境的影响也很小，在当今技术的可行性条件下，海上风力发电必将成为一个迅速发展的领域[5]。但是，随着海上风电场容量在电网中所占比例的不断增加，海上风电场对电网的稳定性、安全性，以及电能质量的影响也越来越显著。传统的无功补偿装置，如静止无功补偿（Static Compensator，STATCOM），电压源换流器等，虽然能在部分范围内改善风电场并网性能，但是对电网的影响并没有从实质上得到改善。因此，对海上风电场并网方法的研究就非常必要。

VSC-HVDC系统传输性能好，对于相同线材，其传输容量为交流系统的1.5～2倍。VSC-HVDC系统电能损耗小，其阻性损耗一般只有相同容量交流系统的65%。换流站为室内式设计，占地少，维修容易，建造工期短。海上风电轻型直流输电系统的核心技术在于所采用的大容量换流器，其主要为ABB、西门子公司所拥有，并在国外的大型海上风电场得以成功应用[5]。我国在轻型直流输电技术方面还处于跟踪与技术储备阶段，国家电网公司已制定了相应的实施计划，并在福建（岛屿输电）、甘肃（大型风电场）、上海（城市供电）建立了应用示范。

4.结束语

作为一项新型的输电技术，HVDC Light以其自身的特点在应用方面显示出了很大的优越性。

可以预见的是，在不久的将来，轻型直流输电将在向偏远地区供电、海上供电、城网增容改造、新能源的利用以及改善配网电能质量等方面发挥不可限量的作用，随着高新技术产业快速发展、可再生能源全面开发以及电力市场日益发展和完善，对高品质电能质量和电网运行的灵活性和可靠性要求进一步提高，HVDC Light必将在我国得到日趋广泛的重视，研究与应用。

【参考文献】

[1]王官洁，任震.高压直流输电技术[M].重庆：重庆大学出版社，1997.

[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]文俊，张一工，韩民晓，肖湘宁.轻型高压直流输电——一种新一代的HVDC技术[J].电网技术，2003，27（1）.

[4]李庚银，吕鹏飞，李广凯，周明.轻型高压直流输电技术的发展与展望[J].2003，27（4）.

单极直流输电 篇4

直流输电系统有多种运行方式,除双极运行方式之外,常用的还有单极大地回线方式及单极金属回线方式[1,2],它们可以保证某一极因检修等工作停运时,另一极仍可正常运行,从而降低对整个系统的影响。但如果直流输电系统长期以单极大地回线方式大负荷运行,直流电流可能经交流系统变压器中性点流入变压器,产生的直流磁通将对变压器造成相当严重的影响[3~9]。所以,需要以单极方式运行较长时间时,往往会采用单极金属回线接线方式。

直流线路距离长、跨越地区的情况复杂,运行经验证明,属于较易出现故障的设备[10]。单极金属回线方式下的线路接地故障,由于其接线方式的特殊性,与其它接线方式下的线路接地故障存在着一定的区别。对此,本文首先从理论上分析了直流输电系统单极金属回线运行方式下发生线路接地故障时各特征量的变化情况,并借助RTDS实时仿真系统进行了验证;接着介绍了天广、高肇、兴安等由德国Siemens公司设计的直流保护系统中针对这一故障设置的相关保护;然后结合实例及仿真讨论了存在的线路后备保护配合不当和无法快速、准确地检测金属回线线路故障等缺陷,最后还提出了一些改进建议,并分析了各种方案的优缺点。

1 直流输电系统单极金属回线运行方式下线路接地故障现象分析

以图1所示的直流输电系统为例,设极1以单极金属回线方式运行,电流正方向为如图所示,直流输电系统通过逆变侧高速接地开关接地、提供地电位钳制点,正常运行情况下,经高速接地开关流入大地的电流很小。

1.1 极1线路A点发生接地故障时的现象

假设在极1线路A点发生接地故障,故障后,系统中电流流向如图2所示。

此时,线路接地点经大地和高速接地开关构成回路,部分直流电流(I1)将通过这一回路再流入极2线路,显然:

其中:Id L、I2分别为整流侧、逆变侧极1测量得到的直流线路电流,I1为流经高速接地开关的直流电流,电流方向如图所示。即高速接地开关将流经较大负向电流,而逆变侧极1直流线路与中性母线电流相对整流侧线路电流、逆变侧极2线路电流都将出现较大的差流。

对此,借助南方电网技术研究中心的RTDS仿真系统,对单极金属回线运行方式下运行极线路接地故障的现象进行了模拟验证。南方电网技术研究中心RTDS实时数字仿真系统由RTDS实时数字仿真器和天广实际控制保护装置两部分构成,RTDS仿真器用于模拟电网(包括直流系统)一次部分,并与直流实际控制保护装置联接构成实时闭环仿真系统[11,12]。为了验证理论分析结论,在仿真过程中取消了直流保护系统的出口功能。

仿真录波如图3所示,显然,与上述理论分析基本一致。

1.2 极2线路B点发生接地故障时的现象

不妨假设在极2线路B点发生接地故障,故障后,直流系统中电流流向如图4所示。

此时,高速接地开关经大地和线路接地点构成回路,部分直流电流(I1)将通过这一回路再流入极2线路,显然:

其中:Id L、I2分别为逆变侧极1、极2测量得到的直流线路电流,I1为流经高速接地开关的电流,电流方向如图所示。即高速接地开关将流经较大正向电流,而逆变侧极2线路电流相对极1线路、中性母线电流及整流侧线路电流,都将出现较大的差流。借助南方电网技术研究中心的RTDS仿真系统,对单极金属回线运行方式下金属回线接地故障现象模拟验证如图5所示,显然,也与上述理论分析基本一致。

2 设置的相关保护简介

以图1为例,当极1线路发生接地故障时,极1各特征量的变化情况将与单极大地接线方式或双极运行方式下的变化情况基本一致,再结合上文所述的其他特征量的变化情况,除了以相同原理设置的行波保护、线路低电压保护及线路纵差保护外[13,14],在德国Siemens公司设计的天广、高肇、兴安等直流输电工程中,还根据单极金属回线方式下发生线路接地故障时,经高速接地开关将有较大电流流入站内接地网、逆变侧双极直流线路电流将出现差流等特点,设置了如下后备保护。

3 存在的问题及改进建议

3.1 纵差保护与后备保护的配合不合理

直流线路故障,一般是以遭受雷击、污秽或树枝等环境因素所造成线路绝缘水平降低而产生的对地闪络为主,此时如果不采取措施切除直流电流源,则熄弧是非常困难的[15],将对一次设备和系统稳定运行带来极大的危害。为了既能迅速切除直流电流源、帮助熄弧,又尽可能地避免直流输电系统不必要的停运,极控系统中设置了由线路主保护触发的重启动功能[16]。

但在天广、高肇、兴安直流保护系统中,由于线路纵差保护的实际延时达到了1.1 s,与后备保护配合不合理,所以发生高阻接地故障时,往往由触发角过大保护、低电压保护等后备保护动作,直接闭锁相应极,文献[13,14]对此进行了深入探讨并提出了相应的改进建议。

而在单极金属回线方式下,如果运行极线路发生高阻接地故障,还可能由76SG-3(天广为51MRGF)保护动作,直接闭锁直流输电系统。如2004年07月08日19:45:05,高肇直流输电系统极2单极金属回线方式运行,极2直流保护系统76SG-3动作,闭锁极2,后初步分析认为故障原因为极2直流线路发生高阻抗接地故障。

3.2 金属回线发生接地故障时,将导致直流系统直接停运

在天广、高肇、兴安等由德国Siemens公司设计的直流输电系统中,单极金属回线运行方式下如果金属回线出现线路故障,运行极的线路主保护将无法检测到故障、启动故障重启动,只能由后备保护动作、直接停运直流系统,丧失了通过重启动消除故障、恢复正常运行的机会。

注:Idee4为经高速接地开关流入站内接地网的电流,Id L和Id Lop分别为本极和另一极的高压直流线路电流。

3.2.1 运行实例

2007年07月26日21:56,兴安直流输电系统极2单极金属回线方式运行时,极1线路故障,极2三套直流保护系统76SG-3动作,直接闭锁极2。录波图如图6。

3.2.2 改进建议

运行经验证明,通过线路故障重启动,大部分直流线路故障都可以消除、直流输电系统可以恢复正常运行,以天广直流输电系统为例,2007年一共发生了10次普通线路故障,其中有9次通过线路故障重启动恢复了正常运行。

但是,以图1为例,如果极2线路发生接地故障,按照目前天广、高肇及兴安直流保护系统的配置,各主保护均无法检测到故障并启动极1故障重启动功能,而只能由后备保护直接闭锁。对此,建议采取合理的改进措施:或者设置专门针对单极金属回线方式下金属回线发生接地故障的保护,或者合理改进原有保护的动作延时及动作后果,当发生这类故障时,可以迅速检测并启动故障重启动功能,尽最大可能地使系统从线路故障中恢复,减少对电网的不良冲击。

3.2.2. 1 在原有保护的基础上进行合理改进

(1)改进方案一:合理设置逆变侧76SG-3或87DCLT动作延时,并将动作后果改为启动线路故障重启动。

优点:

(i)76SG-3和87DCLT为直流保护系统中原有保护,仅需修改动作延时和动作后果,实施起来非常简易;

(ii)结合上文所述,无论是76SG-3还是87DCLT都可以迅速检测到金属回线上的线路故障。

缺点:

76SG-3和87DCLT作为后备保护,选择性较差:单极金属回线方式下,直流系统任何位置出现接地故障,几乎都可以达到76SG-3的动作门槛值;而除了逆变侧双极高压直流线路电流分流器之间以外的任何区域,只要发生接地故障,都将达到87DCLT的动作条件。因此,改进76SG-3或87DCLT,需要考虑与几乎所有直流差动保护的配合,必须采取较长的动作延时。

此外,修改这一远后备保护的动作后果,还可能对整个保护配置的完备性造成一定影响,带来其他问题。

(2)改进方案二:单极金属回线方式下,非运行极直流保护系统内纵差保护动作后果送至运行极极控并启动故障重启动功能。

优点:

选择性很高,能够准确检测到发生在金属回线上的线路故障。

缺点:

由于金属回线电压较低,所以与电压变化率相关的行波保护和线路低电压保护均不可能动作,非运行极保护系统内也仅有纵差保护可以检测到故障,但是纵差保护动作的信号并不会送至运行极控制系统,所以,这也需要增加专门的信号传输通道;此外,运行极采用非运行极的保护,并不是非常合理。

3.2.2. 2 设置针对性的新保护功能

(1)改进方案一:单极金属回线方式下,运行极直流保护系统中增加另一极的纵差保护,且动作后果设为启动运行极故障重启动功能。

优点:

选择性很高,能够准确检测到发生在金属回线上的线路故障;也不会影响到原有保护功能。

缺点:

在目前的天广、高肇及兴安直流保护系统中,任一极直流保护系统均未引入对侧另一极的直流线路电流信号,因此需要增加专门的数据传输通道,实施相对较麻烦。

(2)改进方案二:增加专门监测金属回线接地故障的保护

判据:逆变侧Idee4>δ(或Idee4<-δ)且整流侧、逆变侧|Id L-Id Lop|<∆。

优点:

(i)仅需对原有保护软件进行修改,实现难度较小;且对原有保护功能不会有任何影响。

(ii)选择性较强:结合上文第1节所述,通过判据1,可以判断接地故障点在高速接地开关经金属回线至整流器区域;而如果整流侧、逆变侧|Id L-Id Lop|<∆,则说明整流侧和逆变侧双极高压直流线路电流分流器之间的区域均无接地故障,综合这些判据便可以较准确判断故障是否发生在金属回线上。

缺点:

(i)实现这一保护,两侧需要互送判断结果,也需要增加专门的信号传输通道;不过由于传送的为开关量,不存在衰损等问题,可靠性相对稍高。

(ii)要求高速接地开关电流分流器能够判断电流方向。

(3)改进方案三:增加专门监测金属回线接地故障的保护

逆变侧Idee4>δ(相应的另一极为Idee4<-δ)

优点:

(i)仅需对原有保护软件进行修改,实现难度较小;也不会影响到原有保护功能。

(ii)选择性相对较强:结合上文第1节所述,这一判据可以判断接地故障点在高速接地开关经金属回线至整流器区域;而通过与中性母线差动保护、接地极母差保护等保护延时的合理配合,便可以较准确地判断故障是否发生在金属回线上。

缺点:

(i)同样,这一判据的保护范围较广,需要考虑与较多保护的配合,并不得不采取较长的动作延时。

(ii)要求高速接地开关电流分流器能够判断电流方向。

4 结论

灵活多样的接线方式,是直流输电的重要优点,单极金属回线方式便是最常见的接线方式之一。但是,在单极金属回线方式下运行时,如果直流线路发生接地故障,故障接地点将通过高速接地开关构成回路,各特征量的变化情况将有所不同。

本文首先对直流输电系统单极金属回线运行方式下发生线路接地故障时各特征量的变化情况进行了理论分析,并借助RTDS实时仿真系统进行了验证;接着介绍了天广、高肇、兴安等由德国Siemens公司设计的直流保护系统中针对这一故障设置的相关保护。运行实例证明,这些保护存在着一定的缺陷,如果运行极发生高阻接地故障或金属回线发生接地故障,往往会由后备保护动作直接停运直流系统,丧失了通过线路故障重启动恢复正常运行的机会。对这些问题的深入研究,有助于提高直流输电系统的运行维护水平;而本文提出的改进建议,如果应用于直流输电工程,也将有效提高直流输电系统运行的可靠性。

摘要：单极金属回线方式是直流输电系统中最常见的接线方式之一。首先从理论上分析了直流输电系统单极金属回线运行方式下发生线路接地故障时各特征量的变化情况,并借助RTDS实时仿真系统进行了验证;接着以此为依据,以天广、高肇、兴安等由德国Siemens公司设计的直流保护系统为例,介绍了针对这一故障设置的相关保护;然后结合运行实例和仿真,分析了这些保护存在的缺陷如线路后备保护配合不当和无法快速、准确地检测金属回线线路故障等,最后还提出了一些改进建议,并讨论了各种方案的优缺点。这些分析研究,不但有助于提高直流输电系统的运行维护水平,而且对优化直流保护、提高直流输电系统运行的可靠性有很高的参考价值。