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Ｖ０Ｉ．３２№１ Ｆｅｂ．２ｏｏ８ 湖 北 电 力 箜 鲞箜 塑 ２００８年２月 高压直流线路两种类型接地故障分析 田 庆 （国网运行有限公司宜昌超高压管理处，湖北宜昌４４３００５） ［摘要］ 通过ＭＡＴＬＡＢ软件分析葛洲坝一南桥直流两种类型接地故障的录波数据，使这两次故 障过程得到比较清楚地解释，同时加深对极线路保护的理解。 ［关键词］ 高阻接地；极线路保护；高压直流；直流输电 ［中图分类号】ＴＭ７２１．１ ［文献标识码】Ａ ［文章编号】１００６－３９８６（２００８）Ｏ１－００３７－０４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ＴＷＯ Ｋｉｎｄｓ ０ｆ ＨＶＤＣ Ｌｉｎｅ Ｇｒｏｕｎｄ Ｆａｕｌｔｓ ＴＩＡＮ Ｑｉｎｇ （Ｙｉｃｈａｎｇ Ｅｘｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｖｅ Ｂｕｒｅａｕ，Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３００５） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ Ｇｅ－Ｎａｎｇ ＨＶＤＣ ｌｉｎｅ ｇｒｏｕｎｄ ｆａｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｏｒｄ ｄａｔａ．Ｔｈｅ ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆａｕｌｔｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｂｙ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ＭＡＴＬＡＢ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｃａｎ ｂｅ ｆａｖｏｒｉｔｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｅｔｔｅｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ＨＶＤＣ ｐｏｌｅ ｌｉｎｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｈｉｇｈ・ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｇｒｏｕｎｄ ｆａｕｌｔ；ｐｏｌｅ ｌｉｎｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ＨＶＤＣ １ 故障概况 令１８０ ｍｓ后，直流线路故障一次全压重启动成功， 故障后，即调取科汇行波故障测距的数据记录，经手 葛洲坝至南桥±５００ ｋＶ直流输电工程系我国 动测据得到极Ｉ直流线路的故障点距离葛站３７７．２ 第一个超高压直流输电工程，输送容量１ ２００ ＭＷ， ｋｍ，距离麦元站１６０．９ ｋｍ。 输电线路全长１ ０４６ ｋｍ。由于２００７年８月份雨水 故障２：２００７年８月２７日１５：３３：５５：４３０。ＯＷＳ 较多，天气变化剧烈，葛南直流发生了多起瞬时性故 信息显示极Ⅱ直流线路发生故障，葛站极Ⅱ线路低 障，均都再启动成功。然而，２００７年８月２６日和 电压保护动作，保护发出移相命令１８０ ｍｓ后，直流 ２００７年８月２７日在站内天气晴好情况下，连续发 线路故障一次全压重启动成功。因故障点接地电阻 生了２起高阻接地故障，降压或全压再启动成功，其 较高等原因，各电气量能维持在较高的数值且变化 故障特征和保护动作特性有明显不同于天气恶劣时 平缓，线路上行波信号幅值较少，较少的行波信号未 瞬时性故障的情况，下面简要介绍一次瞬时性故障 使葛洲坝和上海南桥站行波测距装置达到启动要 的情况和一次高阻接地故障的情况，来说明不同类 求，两端装置均未启动。 型的接地故障其保护动作特性是不一样的。 这两次故障前的情况基本相同，均为双极直流 ２ 故障分析 系统１ ２００ ＭＷ运行正常；５００ ｋＶ交流系统运行正 以下所有的分析均以葛站现场ＡＢＢ公司 常；站用电正常方式运行；站控制保护系统运行正 ＭＡＣＨ２录波数据为依据，各种电气量和数字量也尽 常。双极潮流控制方式是Ｐ－Ｍｏｄｅ，无功控制方式是 量和该故障录波系统名称相符合。故障１和故障２ Ｑ－Ｍｏｄｅ。换流变压器分接头控制方式是角度模式， 的基本情况如图１所示。其中，ＤＬ为直流线路电流， 直流线路故障重启动次数设定为１次全压启动和１ Ｕ。 为直流线路电压，为区别故障１和故障２的录波 次降压启动，分别延时１８０ ｍｓ和２００ ｍｓ。 图，在各个电气量名称后添加后缀１和２，分别代表 故障１：２００７年８月２４日２０：０６：４１：７７８，ＯＷＳ 故障１和故障２的电气量，本文中其他电气量依此 信息显示极Ｉ直流线路发生故障，葛站极Ｉ线路行 方法编号。 波保护动作、电压突变量保护动作，保护发出移相命 从图１可以看出，故障１的，。 和Ｕ。 。变化剧 烈，在９９．１ ｍｓ时发生直流线路金属性或低阻接地 ［收稿日期】２００７－１２－０７ 故障，， 。峰值达２ ４５８．５６１ Ａ，行波保护和电压突 ［作者简介】 田 庆（１９７６一），男，安徽安庆人，博士。 变量保护迅速动作，于１０ ｍｓ内启动线路再启动保 ・３７・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
筮 鲞筮 塑 湖 北 电 力 Ｖｏ１．３２ Ｎｏ１ ２００８年２月 ｂ 一 。 卜 儿二 。 厂 Ｏ ２００ ４００ ６Ｏ０ ８００ １ ０Ｏ０ ｔ／ｍｓ 图１ 故障１和故障２的基本情况 护，将 。 降到０。而故障２在故障期间，，。止和 ｕ。止尚能维持在较高的数值，主保护未能动作，靠后 备保护动作切除故障。从，。止和ｕ。止可以看出，０ ｍｓ时极Ⅱ线路导体绝缘逐渐降低，发生高阻接地故 障，Ｕ ＤＩ＿２在１７０ ｍｓ内从３２５ ｋＶ下降到２２８ ｋＶ；在 １７０ Ｉｎｓ时刻，导体绝缘恢复，因此，ＤＬ 在１９ ｍｓ内从 ７０９ Ａ下降到４１３ Ａ，电压也瞬时上升到３１０ ｋＶ，在 ２１６ Ｉｎｓ时ｕ ＤＩ＿２达到４１８ ｋＶ；在２１６ ｍｓ时，导体绝缘 再次降低，ｕ。止在之后的２１０ ｍｓ内下降到２２３ ｋＶ； 在４２８ ｍｓ时刻，导体绝缘再次恢复，因此，ＤＬ 在１４ ｍｓ内从６６７ Ａ下降到４７１ Ａ，电压瞬时也上升到 ２８６ ｋＶ，在４７３ ｍｓ电压达到３９２ ｋＶ；ＵＤＬ２在此电位 维持２ ｍｓ后，导体绝缘再次降低。与前两次不同。 本次导体彻底击穿，，。止在１０ ｍｓ内从８９５ Ａ增大到 ２ ００１ Ａ，ＵＤＬ２在４４ ｍｓ内从３９１ ｋＶ迅速降到９９ ｋＶ，之后整流侧ＶＤＣＯＬ动作，，ＤＬ 的增长。在 第二次绝缘彻底击穿（４７３ ｍｓ）之后的６０ ｍｓ内，整 流器电流调节器将触发角从３７。调节到８０。，直流电 流指令被到４３５ Ａ，，Ｄ 为３４８ Ａ；然后电流调 节器又在８０ ｍｓ内逐将触发角降低到７４。，从而将 ・３８・ ０ ５ ：２ ５ 巧 Ｆｅｂ．２ｏ０８ ，。止维持在４２３ Ａ。在６１８ ｍｓ时刻，低电压保护动 作，移相到１６４。，进入逆变状态帮助线路放电，去游 离时间１８０ ｍｓ后，一次全压再启动成功。 线路保护主要有：线路行波保护（ＴＷＰＤＬ）、线 路电压突变量保护（２７ ｄｕ／ｄｔ）、线路低电压保护 （２７ＤＣＬ）、线路差动保护（８７ＤＣＬ）、线路再启动保护 （ＬＦＲＬ）、交直流碰线告警（８１ＤＶ５０ Ｈｚ）、金属回线 差动保护（８７ＤＣＭＬ）和金属回线横差保护 （８７ＴＤＣＬ）。其中，交直流碰线告警、金属回线差动 保护和金属回线横差保护不能保护正常双极运行时 直流线路的接地故障，在本文暂且不做分析。行波 保护和电压突变量保护是直流线路接地故障的主保 护，特高速动作，动作时间为几毫秒；线路低电压保 护是行波保护和电压突变量保护的后备保护，高速 动作，动作时间为几十至上百毫秒；线路差动保护是 前述３种保护的后备保护，慢速动作，动作时间为秒 级。发生接地故障后，线路保护动作，启动线路再启 动保护，迅速移相闭锁，将直流电压降到０，等待故 障点去游离时间后，重新恢复运行。下面根据前述 故障１和故障２对比分析各种保护的动作情况。 ２．１行波保护动作情况对比 行波保护的判据为： Ｉ口ｃｏＭ Ｉ：Ｉ ＺｃｏＭ ｃｏＭ—ｕｃｏＭ Ｉ ＞３５０ ｋＶ Ｉ。ＤＩＦ Ｉ：Ｉ ＺＤＩＦｉＤＩＦ一“ＤＩＦ Ｉ＞２１０ ｋＶ ｚ 。 是共模波阻抗４７９ ｎ，Ｚ。 是差模波阻抗 ２５８ ｎ，ａＤＩＦ是极波，ａ 。 是地波。行波保护在两站失 去通讯的情况下仍能正常工作，定值不变。 该保护用地波变化率作波头检测条件： ｄａｃｏＭ／ｄｆ＞３９６ ｋＶ／ｍｓ ‘ 故障１和故障２中行波保护动作情况如图２所 示。ＩＮＴ—ＣＯＭ—Ｗ是地波变化率，ＴＷＰ—ＴＲ为线路 行波保护动作信号，ＰＯＬＥ—Ｗ为极波，ＣＯＭＭ—Ｗ为 地波。 从图２可以看出，故障１时ＩＮＴ—ＣＯＭ—Ｗ１最大 达５２４ ｋＶ／ｍｓ，检测到波头，而且ＰＯＬＥ—Ｗ１和 ＣＯＭＭ—Ｗ１峰值达９２５ ｋＶ和６７９ ｋＶ，均大于定值， 判据满足，经６ ｍｓ延时动作，发出ＴＷＰ—ＴＲ信号，６ ｍｓ延时主要是为了防止区外故障时行波保护的误 动。但是若接地电阻过大，行波保护判据就有可能 不满足，如故障２的情况，ＩＮＴ—ＣＯＭ—Ｗ２最大值只 有１４５ ｋＶ／ｍｓ，未检测到波头，行波保护ＰＯＬＥ—Ｗ２ 和ＣＯＭＭ—Ｗ２幅值峰值只有８４ ｋＶ和９７ ｋＶ，行波 保护对高阻接地故障灵敏度不够，没有动作，线路低 电压保护作为它们的后备保护，在７４３ ｍｓ正确动 维普资讯 http://www.cqvip.com
Ｖ０１．３２ Ｎｏ１ 湖 北 电 力 １ ２ ４ １ － １２ 箜 鲞箜 塑 ２００８年２月 Ｆｅｂ．２００８ 作，发出移相命令。 ， 一 一厂１ Ｕｐｓ２，ｋＶ ∞０∞∞∞ 一 一～～ ………一ｋ Ｌ Ｉｎ ＮＴ．，ｋＣＶＯ／Ｍｍ 一８． Ｗ 一２ ： ＰＴ Ｒ２ ．，．．．． ． ， ＿； ｎ． ．ｎ．＾ ０ 『 １． 一…＿■■１Ｉ．１一 一 … Ｅ ｗ ２，ｋｙ 一 、一—— ’ 一一 … Ｍ： ０ ５００ ｔ／ｍｓ 图２行波保护动作情况对比图 ２．２ 电压突变量保护动作情况对比 电压突变量保护原理为： ｄＶｄ／ｄｔ＜一３９６ ｋＶ／ｍｓ＆Ｖｄ＜２００ Ｖ 故障１和故障２中电压突变量保护动作情况如 图３所示。ＴＷＰ—ＴＲ为线路行波保护动作信号， ＤＵＰ—ＱＤ是线路电压突变量保护启动信号，ＤＵＰ—ＴＲ 是线路电压突变量保护动作信号，ＤＵ—ＤＴ为线路电 压突变量。 从图３可以看出，故障１时电压突变量保护ＤＵ —ＤＴ１和ＵＤＬ１幅值均满足判据，发出ＤＵＰ—ＴＲ１信 号；故障２时，虽然电压突变量保护启动了，将ＤＵＰ— ＱＤ２信号置１，但是ＤＵ—ＤＴ２不满足判据，电压突变 量保护在故障消除后延时返回。 ２．３线路低电压保护动作情况对比 线路低电压保护原理为：ｌ ｌ＜２５０ Ｖ 线路低电压保护的动作判据和启动判据为同一 个判据。正常电压运行时，动作段延时（通信正常 时）延时１２０ ｍｓ，发线路重起命令。低电压保护在 ∞ ∞∞∞ ∞们 ０ ∞０∞∞０∞∞ ８００ ｌ ４０ｏ ０ 』Ｉｆ一ｌ一 Ｕ ，ｋＶ －４０ｏ １．０ ｌＤＵＰ ＴＲ１ ０．０ ２ ０００ ： ｝ ｊ０ ｒ ＤＵＤＴ １，ｋＶ／ｍ ｓ —２ ｏｏｏ ４ ０００ ０ ５００ ｔ／ｍｓ ， —］ １ Ｌ２Ｊ 一 ‘ ． ， 之 。ｏ ０∞∞ ｌ ．１ ．． Ｄ ．ｕＰ—ＱＤ２， Ｉ．１ ＾ Ｉ ４ 一——一一…’一 一 一～” Ｉ ＤＵ＿ＤＴ２，ｋＶ／ｍ。 ０ ５００ ｉ｝ｍｓ 图３ 电压突变量保护动作情况对比图 两站失去通讯的情况下仍能正常工作，只不过时间 定值加大。故障１和故障２中线路低电压保护动作 情况如图４所示。 。 。 是线路低电压保护是否满 足判据的信号，ＬＰＵＶ—ＩＮＩＴ—ＤＯＷＮ为线路低电压 保护动作信号。 从图４可以看出，正常运行时，若线路电压低于 ２５０ ｋＶ，则低电压保护开始计时，故障１时 。 一 满足判据启动，不过作为后备保护，还来不及动作， 故障就已经被主保护切除了，所以ＬＰＵＶ—ＩＮＩＴ— ＤＯＷＮ１一直为０；故障２时， 。 满足启动条件 一 的有Ａ、Ｂ、ｃ、Ｄ４段，ｃ段是接地阻值急剧下降后电 压突变脉冲满足低电压条件形成的，Ａ、Ｂ、ｃ段分别 有８４．４ ｍｓ、１０８．７ ｍｓ、４．７ ｍｓ，不满足１２０ ｍｓ时间 定值的条件。若ＬＰＵＶ—ＩＮＩＴ—ＤＯＷＮ２没置位，一旦 电压判据不满足，时间计数器立即清零。故障２接 地阻值急剧下降后，形成稳定的Ｄ段低电压（前１２０ ｍｓ），满足判据，ＬＰＵＶ—ＩＮＩＴ—ＤＯＷＮ２置位启动移相。 ２．４线路差动保护动作情况对比 因现用的积分式行波保护和低电压保护，贵广 直流曾经有过高阻接地故障时行波保护、电压突变 量保护和低电压保护均拒动（稳定的高阻接地故 ・３９・ ’ｒ 维普资讯 http://www.cqvip.com
箜 鲞釜 塑 ２００８年２月 湖 北 电 力 Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｖ０Ｆ１．３２№１ ｅｂ．２ＯＯ８ 电流随着高阻接地的阻值变化而发生变化，当绝缘 ６０ ｒ＿］．． 一 －ｌｌ， ： １ ， ：ｌ ｆ — ．． 下降、阻值减小时，差流大于制动电流，当绝缘增强、 阻值增大时，制动电流大于差流，在１ ３００ ｍｓ一 １ ４００ ｍｓ处时，差动电流迅速增大，达到１ ３８５ Ａ，而 ２０ ｕｏ ｋＶ 制动电流保持不变，可以看出此时接地阻值在迅速 ・２０ ： 变小，同样由于延时的原因才没有出口。由于故障 ０． ＬＰＵＶ ＩＮＩＴ ＤｏＷＮｌ 一 一 ．Ｏ． Ｏ ５ＯＯ １ ｏｏｏ ｆ／ｍＳ Ａ ８ Ｇ Ｄ 门。几ｒ＿］ ＿ 。。。 ／ ｌ 。……门 Ｎ ｗ 图４线路低电压保护动作情况对比图 障），靠差动保护切除故障的事情。为此，在１９９６年 葛南直流增加了线路差动保护作后备保护，并且在 ２００５年葛南直流改造后重新完善了该保护。由于 直流线路的分布参数对故障电流的暂态影响很大， 需要等待暂态过程基本消失之后才能正确判断区外 或区内故障，所以动作时间设为５ ｓ。由于其所需的 电流通过控制线路在两站之间传输，失去通讯时该 保护被闭锁。 线路差动保护原理为： Ｉ，ｄＹＬ一，ｄＹＬ Ｆ０ｓ Ｉ＞ｍａｘ（１２０ Ａ，０．１ Ｉ，ｄＹＬ＋ ，ｄＹＬ—Ｆｏｓ Ｉ／２） 正常电压运行时，启动门槛定值１２０ Ａ。故障１ 和故障２中线路差动保护动作情况如图５所示。 ，Ｄ ＬＰＬＤ是差动电流，即Ｉ，ｄＹＬ一，ｄＹＬ＿Ｆｏｓ Ｉ，，ＲＥｓＬＰＬＤ为制 动电流，即ｍａｘ（１２０ Ａ，０．１ Ｉ，ｄＹＬ＋ＩｄＹＬ Ｆ０ｓ Ｉ／２）。 从图５可以看出，正常运行时，制动电流恒定在 １２０ Ａ，差动电流为不平衡电流３．５５８ Ａ，故障１时差 动电流迅速增大，达到１ １６３ Ａ，而制动电流保持不 变，只是因为延时的缘故才没有出口；故障１时差动 ・４０・ １和故障２均为内部故障，制动电流保持不变。 图５线路差动保护动作情况对比图 ３ 结束语 行波保护和电压突变量保护利用故障瞬间所传 递的超暂态电流、电压值来构成特高速的线路保护， 同基于工频电气量的传统保护相比，其幅值和方向 皆能准确反映原始的故障特征而不受电流互感器饱 和、系统振荡和长线分布电容等的影响，非常适合做 高压直流线路的主保护。然而，由于高阻接地故障 后直流线路残压较高，超出行波保护和电压突变量 的灵敏度，需要配置线路低电压保护和线路差动保 护等作为主保护的后备保护，以保障高压直流输电 线路的安全稳定运行。
