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上海圓馨能源科技有限公司
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西門子及 ABB 直流線路行波保護對比和改進研究
2021-12-14 閱讀(977)
根據電磁場理論，電能以波的形式傳播。正常運行和發生故障時，輸電線路上都存在運動的電壓和電流行波。當線路發生故障時，會從故障點產生向兩側以接近光速傳播的暫態電流行波和電壓行波，而行波信號中包含著豐富的故障信息，對于繼電保護來說，充分利用線路故障時產生的暫態故障行波，即行波的故障分量，可構成超高速行波保護，能夠滿足直流輸電線路保護速動性要求[1-3]。目前，在國內外直流輸電工程中，西門子公司和 ABB 公司的直流線路行波保護方案應用最為廣泛[4-5]。一般情況下保護定值來自廠家，事故后依據經驗進行適當的調整，其性能有待進一步提高，具體表現為過渡電阻耐受能力有限、區內區外故障的區分度不高、故障選線效果不佳[6-8]。對西門子及 ABB 技術路線的直流線路行波保護進行對比研究。介紹西門子及 ABB 直流線路行波保護的原理和判據，通過仿真從過渡電阻、故障距離、區內外故障、線路耦合等方面對西門子及 ABB 行波保護性能進行分析和對比[9]，有助于運行維護人員對現場直流線路行波保護技術的理解，并對直流線路行波保護的改進西門子及 ABB 直流線路行波保護判據直流線路發生接地故障時，故障行波向線路兩端傳播，線路中許多參量會迅速發生變化，例如直流電壓下降、整流側直流電流急劇增大、逆變側直流電流急劇減小等[10-11]。根據以上所描述的特點，西門子行波保護通過檢測電壓變化率(du/dt)、電壓變化量(?u)和電流變化量(?i)三個量來判斷線路故障的發生，構成電壓行波保護的判據，如式(1)所示。整流側逆變側(1)直流線路發生接地故障時，攜帶故障信息的行波會從故障點向線路兩端傳播，換流站對極波 Pi進行檢測，通過極波的變化判斷線路故障。另一方面，線路故障時兩極中性母線的沖擊電容器上會分別產生一個沖擊電流 ICN1 和 ICN2，利用該沖擊電流以及兩極直流電壓量即可構成地模波 Gwav，根據地模波的極性就能正確判斷出故障極[12]。其中，，式中 ? 代表直流線路極波阻抗， IDL 和UDL 代表直流線路電流和電壓，下標 i 值為 1 或 2，代表極 1 或極 2。式中：gZ 為直流線路地模波阻抗；IEL 為接地極線路電流；1ICN 為極 1 中性母線沖擊電流；2ICN 為極 2 中性母線沖擊電流；1UDL 為極 1 直流線路電壓；2UDL 為極 2 直流線路電壓。ABB 行波保護通過檢測極波變化率(dP/dt)、地模波變化率(dGwav/dt)、極波變化量(?P)和地模波變化量(?Gwa)四個量來判斷線路故障的發生，構成極波行波保護的判據，如式(2)所示。2 仿真模型直 流 系 統 模 型 采 用 云 廣 特 高 壓 直 流 工 程PSCAD/EMTDC 模型。為方便進行對比，采用相同的云廣特高壓直流工程參數搭建跟現場一致的西門子電壓行波保護模型如圖 1 所示，ABB 極波行波保護模型如圖 2 所示西門子及ABB直流線路行波保護性能分析通過仿真從過渡電阻、故障距離、區內外故障、線路耦合等方面對西門子及 ABB 直流線路行波保護動作性能進行分析和對比。
3.1 過渡電阻現有行波保護過渡電阻耐受能力不高、直流線路發生高阻接地故障時往往由差動保護動作消除故障，延時較長，給系統安全運行造成不良的影響。西門子及 ABB 直流線路行波保護過渡電阻耐受能力存在一定的差異。設云廣直流線路在 2 s 時刻在中點發生接地故障，過渡電阻取 0、100 ? 和 300 ? 三種情況。錄得西門子行波保護判據量如圖 3 所示，ABB 行波保護判據量如圖 4 所示，其中橫線為保護定值。隨著過渡電阻增加，西門子及 ABB 行波保護各個判據量的幅值隨之降低，但并不影響波形。ABB 行波保護過渡電阻耐受能力高于西門子行波保護。通過測試獲取了西門子和 ABB 行波保護在不同故障點保護動作的臨界過渡電阻，如表 1~表 4 所示
通過仿真從過渡電阻、故障距離、區內外故障、線路耦合等方面對西門子及 ABB 行波保護性能進行分析和對比。結果表明，ABB 行波保護過渡電阻耐受能力高于西門子行波保護，西門子及 ABB 行波保護均可以利用變化率判據提高區內外故障的區分度，西門子行波保護可以利用電壓變化量及電流變化量作為故障選線的依據，ABB 行波保護可以利用地模波變化率作為故障選線的依據。并針對西門子及 ABB 直流線路行波保護方案存在的缺陷，在現有判據量的基礎上提出改進方案。研究成果有助于運行維護人員對現場直流線路行波保護技術的理解，并對直流線路行波保護的改進有一定的參考價值。
