参考电压变化的直流输电线路故障识别与保护策略分析

中国南方电网超高压输电公司天生桥局 李言武

直流输电线路对于故障诊断具有较高要求，因此需要对故障诊断标准进行完善，提高线路故障的处理效率，构建完善的故障排查目标。直流输电线路的距离较远，需要跨区域实现输电，对线路安全性具有一定的影响，容易引发故障问题，影响直流线路的正常输电。故障分析过程中，需要关注参考电压的变化，有助于故障问题的准确分析，进而采取针对性的保护策略。

2.1 区内外故障识别

直流输电线路运行过程中，存在着区内外故障的问题，将会对有功功率的变化造成影响，导致线路无法正常工作。故障识别过程中，需要注重暂态能量值的获取，采用能量值对比的方式展开分析，对故障进行精准识别，完成对区内外故障的诊断。在发生区内外故障的情况下，暂态能量将会发生一定程度的变化，暂态能量的计算公式如下：

公式中，KP、KN分别代表正负极暂态能量的比值。通过上述公式可以对故障的状态进行判断，确定故障的具体影响。故障判断采用整定值分析的方式，对区内外故障进行对比，进行确定故障的类别。区内故障诊断如下：正极故障整定值为KPD，若KP＞KPD，则说明该故障为区内故障所致。区外故障诊断如下：负极故障整定值为KND，若KN＞KND，则说明该故障为区外故障所致。

因此，整定值是判断区内外故障的重要依据，需要严格对整定值进行分析，将其与暂态能量进行对比。以某电力企业故障识别为例，对线路的故障进行检验，测得正极、负极暂态能量比值分别为KP＝0.8、KN＝0.4，正极、负极故障整定值分别为KPD＝0.4、KND＝0.5。由 于KP＞KPD，KN＜KND，因此该直流线路故障为区内故障所致[1]。

2.2 单双极故障识别

在直流输电线路中，其中一极发生故障后，另一极将会受到影响，导致两极相差的能量较大，无法显著地进行控制，使得线路故障愈发显著。单双极故障主要体现在能量差方面，故障识别过程中，需要对能量差引起关注，将其作为判断该故障的依据，确保对故障的识别准确性。单双极故障可由|KP-KN|与Kpole对比实现，其中Kpole正负极能量差值整定值。若直流输电线路为单极故障，则|KPKN|＞Kpole；
若|KP-KN|≤Kpole，则线路为双极故障。以某电力企业故障识别为例，对线路故障进行检测后，得到的正负极能量差为|KP-KN|=2.56，差值整定值Kpole＝0.05，由于前者大于后者，因此直流线路故障为单极性故障所致。

2.3 正负极故障识别

正负极故障是直流输电线路的常见故障，当发生该故障时，正负极能量存在较大的波动，需要对正负极的能量进行分析，提高正负极故障的辨识效果。正负极故障的识别方法如下：正极能量为E∑p，负极能量为E∑N，若E∑p＞E∑N，则说明直流输电线路为正极故障；
若E∑p≤E∑N，则说明直流输电线路为负极故障。

3.1 故障后保护启动

为确保直流输电线路能够正常工作，需要采用保护装置进行保护，确保线路具有良好的工作状态。如图1所示，正常状态下，线路中具有如下关系：

图1 直流输电线路等效图

当线路发生故障后，线路将会产生故障分量，并且引发暂态能量发生变化，导致直流线路无法稳定运行。为确保直流线路能够稳定运行，需要采取故障保护措施，对线路的故障动作进行保护[2]。直流输电线路故障保护措施有以下几点。

一是为直流线路增加保护运行装置，对线路参考电压进行检测，对线路的故障情况进行判断，使故障能够被及时发现，确保故障能够得到快速处理。

二是对直流线路电压波动情况进行检验，若|U-UN|＞0.1Ua，则表面线路存在故障分量，需要对故障进行持续化地监督，便于对故障问题进行分析。

三是将暂态值与整定值进行对比，对故障的类别进行判断，使直流输电线路故障得到精准检验，为区内外故障的保护提供依据。

四是将正负极能量差值与整定值进行对比，对正负极故障展开分析，一旦发生正负极故障，则需要立即进行动作保护，降低故障对线路的影响。

3.2 纵联行波保护

直流输电线路需要对纵联行波进行保护，将其区内外故障对线路的影响，提高保护方案的合理性。当发生区内故障时，将会产生正向行波和反向行波，两种波行波将会同时到达监测点，但行波的幅度具有一定的差距，通常情况下，前者要小于后者。若发生区外故障，则前者将会大于后者，出现与上述情况不同的结果。纵联保护方案的构建如下：

首先，需要构建双极直流线路，采用相模变换对线路进行解耦，对故障分量进行确定，进而确定故障的补偿措施。其次，要对故障极进行选取，确定故障分量的极性，使其与地模分量相反，对故障极进行精准地检验，提高行波保护的有效性。最后，制定保护判断，将故障结果发送给保护装置，使故障能够快速地进行处理，确保线路故障的恢复逻辑，使线路能够重新恢复到稳定，提高线路故障的动作效率。

3.3 直流线路保护配置

参考电压变化是实施线路保护的重要依据，需要做好直流分压的检查工作，由直流分压器对线路展开分析，确定线路的电压变化情况。在输电信号检测方面，需要增加电压检测模块，确定直流线路的电压分布情况，确保对电压的检测精度。若线路发生短路故障，线路电压将会明显升高，并且暂态分量将会增加，引起线路触发纵差保护，故障线路能够得到及时切断。当线路发生接地故障时，线路检测装置将会发送行波，引起线路电流的幅值发生变化，使得线路发生跳闸现象，对直流线路进行安全保护。故障恢复过程中，需要制定故障恢复顺序，使离电后的系统能够顺利恢复，使直流线路能够得到行波保护，降低短路现象对线路的影响，保证线路处于安全的运行状态。

3.4 低电压保护

直流输电线路运行过程中，需要做好低压保护工作，防止线路出现欠电压状态，导致线路突然出现故障。在低压状态下，需要增大电流才能维持电压的稳定，防止线路出现升温现象，导致线路出现烧毁。对线路进行保护时，可由熔断器、脱扣器等保护元件，对线路进行低压保护，确保低压状态线路的安全。低压线路对用电设备的危害较大，需要做好电压整定值的设定，提高电压保护措施的有效性，对用电设备进行保护。

以电动机的保护为例，需要对保护装置的整定值进行设定，将整定电压设置为电动机额定电压的60%～70%，并且保护装置的动作时间应小于0.5s，确保欠电压状态下防止电动机出现损伤，使保护装置能够及时通断，对电动机进行全面的保护。因此，电压整定值和动作时间是实施线路保护的重要参数，需要合理对保护电压进行设置，保障直流线路的运行安全[3]。

3.5 过电压保护

过电压现象对直流线路的危害较大，线路的电压将会大于稳态值，导致线路无法正常运行，并且引起用电设备的负荷增大，造成用电设备的烧毁。在过电压的作用下，电压的峰值将会用电设备的正常电压，同时会存在暂态过电压，可以在0.1～1.0s内对用电设备产生作用，对其迅速造成击穿，影响输电线路运行的稳定性。因此，要注重过电压保护装置的应用，将其安装在线路中，防止对用电设备造成损伤，提高直流输电的安全性。过电压保护过程中，需要考虑到用电设备的耐受性，通过对保护装置进行应用，将线路电压限定在额定范围，确保定压保护的有效性，保障用电设备能够正常运行。受到过电压的影响，线路电压将会超出设备的耐受性，需要对过电压的保护引起重视。

过电压保护主要包含以下形式：一是要注重基本保护方法的应用，降低过电压对设备的威胁。在保护过程中，要注重能量的转移，采用屏蔽、滤波等方式，提高对设备的保护作用。必要时，可以安装隔离变压器，将设备与线路隔离开来，对过电压的影响进行控制。

二是注重多级保护的应用，对直流输电线路逐级进行降压，防止线路电压突然增大，对线路造成损伤。在多级保护的作用下，可以提高设备的承受能力，使线路电压处于稳定的状态。

三是对线路的端口进行保护，对持续工作电压进行控制，提高输电线路的耐受能力。如采用熔断器、断路器等实施保护时，需要确保材料质量的指标，保障设备具有良好的耐受特性，对直流电源端口进行保护。直流电源端口应注重峰值的控制，对最大持续工作电压进行控制，确保工作电压低于电平峰值的1.2倍，并且保证插入损耗小于0.2dB。另外，要做好过压保护的监视工作，确保保护设备与接口的兼容性，使控制装置能够顺利完成动作。

3.6 单极金属回线保护

为了对直流线路的极性进行保护，可以采用单极金属回线方式进行保护，将停运极接入到线路的运行极，使线路能够迅速进行保护作用，提高线路运行的可靠性。在单极金属回线方式下，接地开关将会起到限位作用，确保短路线路中无电流通过，由停运极构成完整回路，进而对直流线路进行极性保护。限制电位是实现极性保护的关键，需要对单极金属回线的电位进行分析，使电流能够有限流入故障接地点，使极性故障能够从输电线路中切出，保障线路动作的正确性。线路故障点与高速开关接地点会形成回路，使线路能够及时消除故障，促使高速开关接地回路的形成。在该保护线路中，需要注意故障的恢复顺序，当短路故障为持久性接地时，直流保护过程将会形成闭锁，强制保护开关进行跳开，对直流线路进行充分控制。

单极金属回线保护能够解决接地故障问题，而且能够对线路进行过电压保护，提高线路的保护控制效果。故障点需要与接地回路构建连接，将停运极进行金属回线连接，使金属回线能够正常发挥作用，保障该保护方式的故障切除能力。为了提高该保护的方式的安全性，需要注重闭锁保护的应用，构造直流保护线路的闭锁条件，使线路的保护更加的充分。在闭锁保护的作用下，使受保护线路能够安全地进行恢复，使线路能够作用于运行极，一方面可以防止线路恢复时出现过流现象，构建良好的运行恢复机制，提高线路的运行效果。另一方面，对单极金属回线保护进行优化，提高故障恢复过程的稳定性，提高对线路的保护作用。

综上所述，直流输电线路保护过程较为复杂，需要以故障识别作为依据，对线路故障进行确定，使线路故障得到充分分析。为了确保线路运行的安全性，需要采用线路保护策略，对线路进行全面地保护，防止线路由于故障受到损伤，影响线路的稳定运行。直流输电线路需要严格进行保护，按照要求实施保护策略，提高线路运行的安全性，排除故障隐患对正常线路的干扰。