评述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

作者：钱永亮

来源：《中国科技博览》2018年第10期

[摘 要]柔性直流的输电系统本身的结构与调节形式比较特殊。因此，对于直流线路的故障的处理与保护具有较高的标准。基于此，本文对柔性直流的输电线路常见的故障特点进行阐述，简要分析了当前柔性直流线路故障的处理技术，进而对柔性直流的输电线路其故障的处理与保护的关键性技术加以展望。

[关键词]柔性直流输电；故障处理；线路保护技术

中图分类号：S924 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0046-01

受到柔性直流的输电系统构成与运行机理的影响，直流线路的故障往往具有电流极速上升，峰值较大的特征，所以当故障发生的瞬间，会产生巨大的冲击电流进而给线路带来严重的影响。所以，对于直流线路的故障进行处理与保护工作应当是全方位的。怎样迅速辩别柔性直流的线路故障并更好地控制因故障产生的冲击电流，以降低对电力系统的危害是当前电力企业研究人员探讨的重要课题。

一、关于柔性直流的输电线路其故障分析

直流线路的故障在柔性直流的输电系统中影响最为恶劣的故障，故障发生以后会迅速地闭锁IGBT。当产生线路的双极故障的时候，直流线路的分布电容要小于直流侧电容，所以故障分析没有加以考虑。双极直流的线路发生故障大体可以分为三个过程：即电容放电、二极管的续流、电网电流的馈入过程。系统的直流线路产生双极故障的特点：故障以后，直流侧的电容会极速放电，几毫秒钟直流的电流会升至峰值，当电容的电压降到零以后，故障便进入二极管续流的过程，经过二极管的电流会超过额定电流的很多倍，这时二极管很容易损坏。再过一段时间的减退，故障的电流和交流的电网电流差不多，电网便向故障点进行电流的馈入，直流线路的单极故障未有二极管的续流，其特点和双极的故障特点相近，电网的电流进行馈入过程，流经二极管中的电流也是额定电流的十倍。尤其当直流侧的电容电压从零向负反向充电的时候，电容极易坏伤。所以，对直流侧的故障，要在电容的电压降到零以前进行切除。同时，线路发生故障以后，子模块的电容不会发生严重放电现象，可是IUBT闭锁以后，交流侧的电网依然向故障点进行很大电流的馈入，也会导致二极管遭到损伤。在直流的线路呈现双极的故障时，两侧的交流系统皆与三相的短路相近，进而给系统的正常运行造成严重的影响，而且交流侧的暂态电流里有很大的直流分量，这会导致换流变压器的饱和。当直流线路的单极故障过程中，MMC-HVDC与VSC-HVDC不同，不会因电容的放电引起交流系统的过流，可是VSC-HVDC与MMC-HVDC的交流出口端相电压皆会产生高频的脉动直流分量，且有效值变大，给变压器的绝缘性能带来影响。所以，柔性直流的线路故障其电流升高极快、且具有峰值较大特征，易导致交流侧的暂态电流增大，很大冲击电流既给换流器带来巨大的危害，又会导致线路

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与设备绝缘性的坏损。所以，柔性直流的输电线路实际的保护与故障处理技术既涉及到快速识别故障类型，还包括对冲击电流的制约、分流与相关零件的保护及线路的隔离。 二、当前柔性直流的线路故障常见的处理技术 （一）电流分流和抑制的技术

为了快速地处理直流侧的故障，降低线路的故障引起的冲击电流给换流器件带来的影响，可以在子模块的单元设置并联的开关与晶闸管的直流侧处理法，既在子模块发生故障时，K1闭合旁路的故障模块，换流器能借助冗余单元运行，在直流线路发生故障以后，K2导通旁路的IUBT与二极管。这种方案利用子模块单元设加的并联电路，以防子模块的二极管因过流带来的损坏，降低了额外的保护设备，而对直流侧的长期性故障，还要对交流的断路器进行切除，对整个换流的系统进行停运处理。为加快对故障的排除与重启系统，可采取子模块并联双向的晶闸管的处理办法，发生故障以后，触发导通的K1与K2，移走晶闸管的相关信号，切除故障的电流。双向的晶闸管运行过程中会承受很大的电压变动，所以要装设额外的尖峰电压与电压保护的电路。可以利用交流侧增设双向的晶闸管对交流侧馈入一定的电流进行转移的保护方案。

（二）线路隔离的技术

直流断路器断开后电流往往比故障的电流小，要在故障电流增长过程中将故障的线路断开，这对于动作的时间要求比较高。因此，可以利用直流线路的两侧增设限流的电抗，综合混合的直流断路器将故障的线路断开，既采取多端柔性直流线路的保护办法。通过增设限流的电抗器，控制短路电流的增长速度与幅度，尽量扩大断路器的开断时间，并减少开断的容量。另外，还可以利用多端直流电流的差动保护办法。与交流断路器的切除方法相比，这种隔离技术有着较大的优点，对确保非故障的线路平稳运行、提升系统的性能作用较大。在半导体的器件不断发展与成本下降情况下，固态的直流断路器与混合型的直流断路器将会在柔性直流的输电系统里得到推广。现阶段，利用增设限流电抗与实体限流的装置，再综合直流断路器的切除线路故障的形式可以作为折中的保护方法。

四、对柔性直流的输电线路产生故障的处理和保护技术的展望 （一）对新添的保护电路与拓扑结构的应用

现阶段，新型的保护电路与结构使得系统的结构变得更加复杂，保护的重点转化为控制层次。新添的保护电路与新式的拓扑结构某种意义上会增加器件的成本与开关的损耗，另外，零件数目的增多与结构的变化也会导致系统本身性能的下降。而采取单一的保护电路处理故障的方案，会使得故障的隔离不够严格。因此，对直流线路的故障特点展开综合性的分析，如电路的参数、开关的质量、成本等，进而探讨多种的保护电路协调应用以处理直流线路的故障是发展方向。

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（二）保护和控制相协调的方案

为了使得对故障线路隔离得更彻底或更好地维护系统的平稳运行，要对于线路的保护、辅助性的电路、系统控制的动作时间、投入形式等方面展开系统地分析。特别对多端的柔性直流系统，对线路的故障进行处理过程，更要侧重于很多站的保护和控制的共同协调进行。应用保护、控制、通信技术为一体的多端柔性的直流系统处理与保护的方案，探究保护和保护、保护和控制相互配合的对策，进而促进交直流侧的保护和控制彼此协调统一，侧重于整合保护设备，以提升电力系统的性能。 （三）多端柔性的直流输电系统

这种技术可以进行多电源的供电以及多落点的受电，对于新能源的并网、建设直流的电网方面有着较好的发展前景。和两端柔性的直流输电系统差别在于，多端直流的输电线路可以更快地对故障电流进行切断，同时将故障线路隔开，确保其他线路的正常工作。所以，对可拓展为多端的直流系统的两端柔性的直流系统，还要加强系统分析与研究的力度，以更好地适应多端柔性的直流线路处理故障的需要。 结束语

由于柔性直流的输电线路本身的复杂性，当发生线路的故障后，电流会很快地上升进而给相关的电力设备以及系统带来严重的影响。为此，相关工作者应用充分考虑故障线路的特点，可以应用电流的分流与抑制的技术、线路隔离的技术等对直流输电线路进行处理与保护，不断研究相关的关键性技术问题并总结经验，进而探讨更优化的处理与保护技术以确保电力系统的安全运行。 参考文献

[1] 郗传鑫.柔性直流输电线路故障测距研究[D].山东大学，2017. [2] 王磊.柔性直流输电线路继电保护原理研究[D].山东大学，2017.

[3] 刘剑，邰能灵，范春菊，黄文焘.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.