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1、高压直流输电系统 控制与保护原理高压直流输电系统 控制与保护原理华南理工大学电力学院 李晓华华南理工大学电力学院 李晓华 13660204636 广西平果广西平果 2010.3直流线路故障直流线路故障雷 击雷 击对 地 闪 络对 地 闪 络高 阻 接 地高 阻 接 地与交 流线 路碰 线与交 流线 路碰 线断 线断 线故障原因故障原因?极线开路将引起直流电流中断和直流过电压，引 起直流线路开路的最大可能原因为直流线路倒塔 和掉串。 ?极线间短路发生概率很小，多为直流线路跨度较 大时发生风偏舞动。若直流线路跨越交流线路， 还可能发生交直流导线碰线的故障。 ?雷电引起的或线路绝缘子污秽造成的对地
2、闪络故 障 ?输电线路下方明火导致闪络故障处理故障处理?直流线路发生故障后，必须使线路储存的能量全 部释放，线路故障处才能灭弧，因此直流线路发 生短路后，控制系统将尽快将直流电流降至零通 常这个过程需要1050ms。不同的故障点、不 同的控制调节性能、相对换相时刻不同的故障发 生时间等，对故障电流的大小和直流电压的变化 率都有不同程度的影响。不同直流线路的阻抗不 同，也将使直流线路瞬间对地故障的清除时间有 所不同。直流线路故障直流线路故障?当输电线上某点d发生故障时，根据叠加原理可 将故障量分解为两部分的迭加：故障前负荷分量 和故障附加分量当输电线上某点d发生故障时，根据叠加原理可 将故障量分
3、解为两部分的迭加：故障前负荷分量 和故障附加分量HVDC线路短路故障过程HVDC线路短路故障过程?初始行波阶段初始行波阶段?故障后，线路电容通过线路阻抗放电，沿线路的电场 和磁场所储存的能量相互转化形成故障电流行波和相 应的电压行波。故障后，线路电容通过线路阻抗放电，沿线路的电场 和磁场所储存的能量相互转化形成故障电流行波和相 应的电压行波。?其中电流行波幅值取决于线路波阻抗和故障前瞬间故 障点的直流电压值。其中电流行波幅值取决于线路波阻抗和故障前瞬间故 障点的直流电压值。?线路对地故障点弧道电流为两侧流向故障点的行波电 流之和，此电流在行波第一次反射或折射之前，不受 两端换流站控制系统的控制
4、。线路对地故障点弧道电流为两侧流向故障点的行波电 流之和，此电流在行波第一次反射或折射之前，不受 两端换流站控制系统的控制。HVDC线路短路故障过程HVDC线路短路故障过程?暂态阶段暂态阶段?经过初始电压行波的来回反向和折射后，故障电流转 入暂态阶段。经过初始电压行波的来回反向和折射后，故障电流转 入暂态阶段。?直流线路故障电流主要分量有：带有脉动而且幅值有 变化的直流分量（强迫分量）和由直流主回路参数所 确定的暂态振荡分量（自由分量）。直流线路故障电流主要分量有：带有脉动而且幅值有 变化的直流分量（强迫分量）和由直流主回路参数所 确定的暂态振荡分量（自由分量）。?在此阶段，控制系统中定电流控
5、制开始起到较显著的 作用，整流侧和逆变侧分别调节使滞后触发角增大， 抑制了线路两端流向故障点的电流。在此阶段，控制系统中定电流控制开始起到较显著的 作用，整流侧和逆变侧分别调节使滞后触发角增大， 抑制了线路两端流向故障点的电流。HVDC线路短路故障过程HVDC线路短路故障过程?稳态阶段稳态阶段?最终，故障电流进入稳态，两侧故障电流提供的故障 电流稳态值被控制到等于各定电流控制的整定值，两 侧流入控制点的电流方向相反，故障点电流为两者之 差，即为电流裕度。最终，故障电流进入稳态，两侧故障电流提供的故障 电流稳态值被控制到等于各定电流控制的整定值，两 侧流入控制点的电流方向相反，故障点电流为两者之
6、 差，即为电流裕度。故障行波特点故障行波特点?输电线路为分布参数的线路，叠加在其上的故障附加分量将以波的形式向线路两端传播产生行波。输电线路为分布参数的线路，叠加在其上的故障附加分量将以波的形式向线路两端传播产生行波。?电压行波与电流行波的关系电压行波与电流行波的关系?行波的传播速度行波的传播速度001CLv =00 CLZC=CiZu=u行波的折返射行波的折返射?行波来到不同波阻抗的结点时，必然发生能量的重新分 配，即会在结点上发生行波的折射与反射。行波来到不同波阻抗的结点时，必然发生能量的重新分 配，即会在结点上发生行波的折射与反射。fbfuuu211=+fbfiii211=+111/Zu
7、iff=222/Zuiff=111/Zuibb=fffauuZZZu11 212 22=+=ffbuuZZZZu11 2112 1=+=行波通过串联电感行波通过串联电感?直流线路上串联着平波电抗器，通过其的行波将发生幅 值和波形的改变。直流线路上串联着平波电抗器，通过其的行波将发生幅 值和波形的改变。 ?可求得折返射后的电压行波为可求得折返射后的电压行波为)e(uZZZuT/t ff1 1 212 212+=Tt ffbeuZZZuZZZZu/ 1 211 1 2112 12 +=均匀传输线的微分方程均匀传输线的微分方程0lxu(l,t)+ -i(l,t)x+dx+ -u(x+dx,t)i(x
8、+dx,t)+ -u(x,t)i(x,t) + -u(0,t)i(0,t)KCL和和KVL不能不能直接直接应用思路：应用思路：取无限小的长度元取无限小的长度元dx研究研究u(x+dx,t)= u(x,t)+ dx u(x,t) xi(x+dx,t)= i(x,t)+ dx i(x,t) x u(x,t) x沿线电压增长率沿线电压增长率 i(x,t) x沿线电流增长率沿线电流增长率u(x,t)u(x+dx,t)= i(x,t)R0dx+L0dx i(x,t) t长度元长度元dx的集中参数电路模型的集中参数电路模型G0dxC0dxBAG0dxC0dxA B + -u(x,t)+ -u(x+dx,t
9、)R0dxL0dxi(x,t)i(x+dx,t)xx+dxxu(x+dx,t)= u(x,t)+ dx u(x,t) xi(x+dx,t)= i(x,t)+ dx i(x,t) x u(x+dx,t) ti(x,t)i(x+dx,t)=u(x+dx,t)G0dx+C0dx u(x,t) x=R0 i(x,t)+ L0 i(x,t) t i(x,t) x= G0 u(x,t)+ C0 u(x,t) t均匀传输线的微分方程均匀传输线的正弦稳态均匀传输线的微分方程均匀传输线的正弦稳态d2U dx2 2U=0U=A1e x+A2e xI= = (A1e xA2e x)Z0dxdUZ0Z0=Z0Z0 Z
10、0Y0= ZC 均匀传输线的特性阻抗(波阻抗)均匀传输线的特性阻抗(波阻抗)I=(A1e xA2e x) ZC1=I +(x) I (x)=U +(x)+U (x) = Z0Y0 = + j 均匀传输线的传播系数均匀传输线的传播系数直流线路保护区直流线路保护区直流线路行波保护微分欠压保护直流线路纵差保护再启动逻辑直流线路行波保护微分欠压保护直流线路纵差保护再启动逻辑直流欠电压保护功率反向保护直流谐波保护线路开路试验监测直流欠电压保护功率反向保护直流谐波保护线路开路试验监测直流线路故障保护组直流线路故障保护组直流系统保护组直流系统保护组直流线路保护直流线路保护? 直流线路可能发生的故障有极线开路
11、、 极对地 短路、极线间短路。若直流线路跨越交流线路， 还可能发生交直流导线碰线的故障。应能检测到 线路的任何一点上可能产生的各种故障，并能有 效地清除故障。直流线路可能发生的故障有极线开路、 极对地 短路、极线间短路。若直流线路跨越交流线路， 还可能发生交直流导线碰线的故障。应能检测到 线路的任何一点上可能产生的各种故障，并能有 效地清除故障。 ?同交流电网中的保护的目的和原则一样，保护的 作用是为了迅速准确的检测到各种可能发生的故 障，并采取相应的措施，消除和隔离故障，并保 护电力一次设备不受损坏或减少设备损坏程度， 尽量保持整个电网的稳定运行。同交流电网中的保护的目的和原则一样，保护的
12、作用是为了迅速准确的检测到各种可能发生的故 障，并采取相应的措施，消除和隔离故障，并保 护电力一次设备不受损坏或减少设备损坏程度， 尽量保持整个电网的稳定运行。直流线路保护直流线路保护?对于直流线路绝缘子瞬时性闪络，如果能将直流 短路电流压到零(通常在20 毫秒左右直流电流即 可被压到零)。经过一段去游离时间后，弧道绝缘 可能充分恢复，于是直流线路可以重新带电运行。对于直流线路绝缘子瞬时性闪络，如果能将直流 短路电流压到零(通常在20 毫秒左右直流电流即 可被压到零)。经过一段去游离时间后，弧道绝缘 可能充分恢复，于是直流线路可以重新带电运行。 ?再起动的去游离时间应和其它有关保护正确配合。
13、每次再起动的去游离时间应能在100 毫秒到500 毫秒之间独立连续可调(通常取 150 毫秒左右)。再起动的去游离时间应和其它有关保护正确配合。 每次再起动的去游离时间应能在100 毫秒到500 毫秒之间独立连续可调(通常取 150 毫秒左右)。 ?直流系统再起动的恢复时间(从去游离时间结束到 直流功率恢复到稳态值的90%的时间)一般要求 100毫秒左右。直流系统再起动的恢复时间(从去游离时间结束到 直流功率恢复到稳态值的90%的时间)一般要求 100毫秒左右。直流线路保护直流线路保护?直流线路故障恢复顺序要由控制系统完成，有别于交流 系统的自动重合闸，再起动次数能预先整定。直流线路故障恢复顺
14、序要由控制系统完成，有别于交流 系统的自动重合闸，再起动次数能预先整定。 ?如果所选全压再起动次数已经达到，但故障还存在，没 能成功地恢复直流传输功率，则保护应能进行直流降压 再起动尝试。经过预选，也应可能在第一次去游离之后 就进行降压再起动尝试。如果全部再起动尝试都不成 功，保护应将该故障极线隔离。如果所选全压再起动次数已经达到，但故障还存在，没 能成功地恢复直流传输功率，则保护应能进行直流降压 再起动尝试。经过预选，也应可能在第一次去游离之后 就进行降压再起动尝试。如果全部再起动尝试都不成 功，保护应将该故障极线隔离。 ?对于因交流系统扰动引起直流欠压的情况，相关的直流 保护不应动作。对于
15、因交流系统扰动引起直流欠压的情况，相关的直流 保护不应动作。 ?次同步振荡保护次同步振荡保护直流线路保护直流线路保护?输入量输入量 ?换流器高压侧直流电流（IdHA1）换流器高压侧直流电流（IdHA1） ?本侧本极直流线路电流（ IdLA1）本侧本极直流线路电流（ IdLA1） ?对侧本极直流线路电流（IdLB1）对侧本极直流线路电流（IdLB1） ?本侧本极直流线路电流（IdLA2）本侧本极直流线路电流（IdLA2） ?中性母线电流（IdNA1）中性母线电流（IdNA1） ?另一极中性母线电流（IdNA2）另一极中性母线电流（IdNA2） ?本极直流线路电压（UdLA1）本极直流线路电压（UdLA1） ?另一极直流线路电压（UdLA2）另一极直流线路电压（UdLA2）行波保护行波保护?行波保护是直流线路故障的主保护，其目的是检 测直流线路上的接地故障，对高阻接地故障的灵 敏度较低。换相失败、另一极故障以及交流系统 故障期间保护不应动作。行波保护是直流线路故障的主保护，其目的是检 测直流线路上的接地故障，对高阻接地故障的灵 敏度较低。换相失败、另一极故障以及交流系统 故障期间保护不应动作。 ?站间通讯中断不影响保护功能。行波保护动作后 进入再启动顺序操作。站间通讯中断不影响保护功能。行波保护动作后 进入再启动顺序操作。行波保护行波保护?行波保护就是利用故障开始初期出现的
