摘要：以南方电网第二条特高压直流输电工程—±800kV普侨直流输电工程为例，阐述特高压直流线路瞬时故障的过程及原理，简介普侨直流的基本控制策略，通过普侨直流系统调试及实际运行时的实例分析直流线路发生瞬时故障对直流系统运行工况的影响，直流线路发生故障瞬间各特征量变化情况。总结如何实现直流控制系统通过控制保护策略来减缓其故障对系统的损害，从而保证特高压直流输电系统的稳定运行。
关键词：特高压；直流线路；瞬时故障；运行工况
0 引言
UHVDC方式是远距离、大容量输电，控制性能好，节省输电走廊的有效而经济的途径。但是，直流线路距离长，跨越地区的情况复杂，较易出现故障。根据相关统计，在直流系统各类故障中，直流线路故障时对系统能量可用率影响最大，其中以直流线路发生瞬时故障为多。一般以因遭受雷击、污秽或树枝等环境因素造成线路绝缘水平降低而产生的对地闪络为主，此时如果不采取措施切除直流电流源，则熄弧是非常困难的[1]，将对一次设备和系统稳定运行带来极大的危害。因此研究特高压直流输电线路发生瞬时故障对直流运行工况的影响，做好直流线路故障应急预案，对直流系统的安全稳定运行具有重要的意义。
1 直流线路瞬时故障的过程及原理
直流线路故障一般是以遭受雷击、山火、污秽或树枝等环境因素所造成线路绝缘水平降低而产生的对地闪络为主。除了上述故障以外，直流线路故障还有高阻接地、直流线路与交流线路碰线和直流线路断线。
1.1 直流线路故障的过程及原理
直流架空线路发生故障时，从故障电流的特征而论，短路故障的过程可以分为行波、暂态和稳态三个阶段。
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。直流线路故障电流主要分量有：带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决定的暂态振荡分量（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。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分别等于各自定电流控制的整定值，两侧流入故障点的电流方向相反，故障点电流两者之差，即为电流裕度。
1.2 直流线路发生故障瞬间各特征量变化情况
特高压直流输电系统的接线方式有双极运行方式、单极大地回线、单极金属回线。其中双极运行是最常见的运行方式，可将其视为双极分别以单极大地回线方式运行，为了简化分析，下面以单极大地运行方式为例进行分析。单极大地运行运行方式的接线图如图1所示，并假设在直流线路的A点发生了接地故障。
图1 单极大地运行方式接线图
正常运行情况下，直流输电系统整流侧为定电流控制方式，可以看作一个电压源；而逆变侧可以看作通过调节等值阻抗
，实现定电压控制方式。当直流线路在A点发生接地故障， 假设线路发生接地故障前，整流侧直流电压和电流分别为 
和 
，逆变侧直流电压和电流分别为 
和 
，近似地有：
式中：
为直流线路等值阻抗，等于整流侧至故障点的线路阻抗
与故障点至逆变侧的线路阻抗
，即 
。
1.2.1 瞬时故障时整流侧直流电压和电流的变化
如图3所示，直流线路A点发生等值阻抗为
的接地故障瞬间，整流侧直流电流为
则
由上式明显可知，
，这说明发生直流线路故障瞬间，整流侧直流电流升高。
由于正常运行时，根据直流输电控制策略，整流侧采用定电流控制方式，于是根据电流的偏差情况，试图通过调节触发角降低直流电压，将直流电流调节为 
，即
同理，可以证明
，即发生线路接地故障瞬间，随着整流侧直流电流升高，在控制系统的作用下，整流侧直流电压降低。
1.2.2 瞬时故障时逆变侧直流电压和电流的变化
同理可以分析，故障瞬间，逆变侧直流电压和电流都出现一定程度的下降。
2 简介普侨直流的基本控制策略
±800kV普侨直流输电工程的每个极由两个12脉动换流器串联组成，这种接线方式使得其控制系统比每个极只有一个12脉动换流器的±500kV常规直流[2]更加复杂。普侨直流输电系统采用的基本控制策略如图2所示。整流侧有三种基本控制模式：定电流控制、定电压控制、最小 角限制。逆变侧有四种基本控制模式：定电流控制、定电压控制、定熄弧角控制、电流偏差控制（CEC）。整流侧采用定电流控制模式，逆变侧采用定电压控制模式。当系统发生故障，导致换流站电压降低或升高较多时，将自动转为其它控制模式。
图2 普侨直流输电系统基本控制策略
3 直流线路发生瞬时故障对直流运行工况的影响
直流线路发生短路故障时，极控系统的控制功能来快速地限制和消除故障电流。与交流线路的短路故障相比，直流线路的短路电流要小得多。
3.1直流线路短路故障分析
在特高压直流输电系统中采用触发脉冲方式，并配有定电流和定熄弧角调节装置。一般说来其调节速度较快，所以对于直流线路故障也能起到一定的控制作用。但是，脉冲控制是非连续的，又加上线路电容的作用，所以，当发生直流线路短路故障时会造成故障电流的过冲，为此接下来着重分析这些情况。
3.1.1 定电流调节器在故障中的作用
图3 直流输电系统的等值电路
一般这个电流差值等于额定电流的10% ~ 15%。因此，直流线路故障时，能够把故障电流限制到一个较小的数值。
3.1.2 短路点故障电流的过冲
直流线路故障时，在调节的作用下，短路点故障电流的稳态值是不大的，但在故障初始阶段，由于线路电容的放电，使短路点的故障电流有较大的过冲。初始的故障电流只受到线路波阻抗
的限制，其值达到了 
，比稳态值大得很多。因为初始电流是由于线路电容通过线路阻抗放电而形成的，所以线路两端的电流调节器无法对它加以限制。在某些极端情况下，故障电流的峰值可能会超过这个初始值。
3.1.3 整流器直流电流的过冲
在直流线路上发生故障时，整流器的直流侧电流将发生过冲而超过整定值，过冲的大小决定于下列因素：①平波电抗器的电感；②电流调节装置的增益和时间常数；③故障点的距离；④直流电压的波形；⑤故障发生的时刻。
文献[3]分析表明，在换相开始时就发生线路故障的情况下，即使电流调节器具有最理想的特性，也无法避免电流有相当大的过冲。调节器时间常数越大，则过冲也越大。由于线路平波电抗器的电感实际上要比换流阀的换相电感大得多，所以换相电感对线路故障所引起换流阀电流的过冲影响较小。
3.2实例分析
通过普侨直流阀组的系统调试中做得直流线路短路试验（瞬时故障），利用试验的故障录波图，分析上述原理阐述的直流线路故障对系统的影响。
3.2.1 靠近整流侧附近直流线路发生瞬时故障
运行状态：普侨直流极2低端阀组单极金属回线运行，双极功率250MW。普洱换流站设定直流重启动次数为1次，直流电压1.0pu，去游离时间150ms。
试验条件：在极2线路整流侧（普洱换流站）附近制造人工对地短路故障。
故障录波如下图4所示：
图4 靠近整流侧附近线路发生瞬时故障的录波
由录波图可知：发生故障的瞬间，直流电流瞬时增大，直流电压降低。由于线路上存在故障，在整流侧只需较低的电压就可以维持直流电流，于是在直流控制系统的作用下，触发角开始移相增大，在触发角的作用下，直流电压下降，从而稳定直流电流，直流电流能在较短的时间内回到整定值。对于直流功率而言，可知在故障后其有瞬时的跌落至0，相当于闭锁状态，在直流线路故障重启的功能作用下，直流系统实现了重启，而且重启成功，直流电压重新建立成功，直流功率恢复正常。
在直流控制系统的作用下，故障电流稳态值是不大的，但在故障初始阶段，故障电流会有较大的过冲，因为触发脉冲是离散的，直流控制不可能瞬时达到，而且直流线路电容放电也增加了故障电流。
此外，重启不成功故障录波图如图5所示：
图5重启不成功故障录波
从波形图可知，故障发生时，各特征量跟重启成功的情况下几乎一致。值得注意的是触发角的移相次数，设置一次重启次数，直流线路故障重启成功的话，则触发角移相次数为1次，而重启不成功的话，则触发角移相了两次，最后执行一次闭锁。
3.2.2 靠近逆变侧附近直流线路发生瞬时故障
此种情况，即在直流线路末端发生了故障。
运行状态：普侨直流极2低端阀组单极金属回线运行，双极功率250MW。普洱换流站设定直流重启动次数为1次，直流电压1.0pu，去游离时间150ms。
试验条件：在极2线路逆变侧（侨乡换流站）附近制造人工对地短路故障。
故障录波如图6所示：
由录波图可知，其情况跟靠整流侧的短路故障差不多，其幅值的差异来自线路阻抗的大小差异。但有一个值得注意的点，就是直流电压，其波动更为剧烈，即变化率较大。
图4 靠近逆变侧附近线路发生瞬时故障的录波
从直流线路故障的分析中可以看到，当直流线路发生短路故障时，由于定电流调节器的作用，故障电流增长倍数并不像交流线路那样大，因此仅根据故障时的电流大小来判别故障是相对困难的。所以，对现在的直流线路保护里的行波保护，借助了电压的变化量来识别。例如当逆变器发生一次换相失败故障，使得直流线路通过逆变器的一对同相阀形成短路，这种“短路”故障与直流线路末端短路相比，只相差一个逆变侧的平波电抗器。对于稳态的直流短路电流来说，这个差别几乎无法将两种故障区别开来。一般来说，换相失败故障有可能经历三分之一个工频周期之后就能自行恢复；而在直流线路发生瞬时故障后，必须使线路储存的能量全部释放，线路故障处的电弧才能消灭，然后才能使线路再启动投入运行。这就需要从故障过程中的电流、电压的变化量来区别故障。
4 总结
双十二脉动特高压直流系统运行时发生直流线路瞬时故障，在直流控制系统的作用下，故障电流稳态值是不大的，但在故障初始阶段，故障电流会有较大的过冲，因为触发脉冲是离散的，直流控制不可能瞬时达到而且直流线路电容放电也增加了故障电流。故障后故障电流和整流侧直流电流大幅上升，在定电流控制的作用下，极控迅速增大故障极触发角，直流电压下降，从而稳定直流电流，直流电流能在较短的时间内回到整定值或回到由整流侧电流控制器的低压限流控制功能或其它控制功能决定的较低的值。故障电流将继续流动，直到被控制功能清除为止。极控制系统借助于相关的直流保护启动故障恢复重启策略，经过去游离时间和低电流运行，或降压重启，恢复故障前的功率水平。恢复成功与否与过渡电阻、直流功率水平、接线方式、相关的保护息息相关。若经过多次重启仍未成功，时间超过直流保护整定值，由保护发出跳闸命令，按顺序闭锁阀组。
此外，低功率运行时，直流线路故障更加灵敏，线路接地故障使直流电气量变化更为明显，更容易导致27du/dt的动作；单极金属回路运行发生直流线路故障时，更容易直接导致极闭锁。
参考文献
[1]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.
[2]中国南方电网有限责任公司.±800kV直流输电技术研究[M].北京：中国电力出版社，2006.
[3]浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电[M].北京：水利电力出版社，1985.
[4]中国南方电网超高压输电公司昆明局.±800kV普洱换流站运行规程[Z].昆明：中国南方电网超高压输电公司昆明局，2013.7.
作者简介
李文祥（1990），男，学士，助理工程师，主要研究方向：从事特高压交直流并联系统运行维护工作。
论文作者:李文祥
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/30
标签：故障论文; 电流论文; 线路论文; 电压论文; 发生论文; 系统论文; 重启论文; 《电力设备》2017年第24期论文;