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摘 要：特高压直流输电线路送电距离跨度大，沿途条件复杂，线路发生故障的概率大为增加，急需一套可靠性高的保护方案来保证输电线路的安全运行；另外输电线路发生故障后，快速准确的故障定位不仅可以迅速排除故障防止故障再次发生，还可以大大节省巡线工作量，特别是直流线路，因其输电距离长、跨度大，故障定位工作显得尤为重要。
关键词：特高压；直流输电；暂态保护；暂态保护
【前言】
人类对电能的认识和应用从直流电开始的。1882年，法国物理学家德普勒完成人类历史上首次直流输电试验，此次直流输电距离达到57km，电压为1.5～2kV。高压直流输电技术的发展大致经历了3个阶段：汞弧阀时代，晶闸管阶段和新型半导体阶段。
1高压直流线路保护现状
目前，高压直流输电线路保护普遍以行波保护作为主保护，同时采用低压保护、斜率保护、纵联差动保护等作为行波保护的后备保护。当直流输电线路发生故障时，从故障点到两侧的换流站会分别反射故障电压、电流行波，据此来进行故障检测，这是行波保护的主要思路。但是从目前的实际工程中反映的行波保护存在的主要问题是可靠性差。行波保护可靠性差主要由以下几个原因：
（1）电力线路上由于开关分合、空线合闸、雷击等造成的干扰容易使保护误动作；
（2）换相失败、交流侧故障引起直流线路上出现高频暂态量，造成行波保护误动作；
（3）直流线路在高阻接地故障时，行波波头斜率变缓，使得不能正确识别行波造成保护拒动作；
（4）行波的色散显现增加行波波头的检测难度。短路故障产生的行波信号是一些传播模式的混合信号，每种传播模式的不同频率分量具有不同的传播速度和衰减特性，即所谓的色散。色散现象使得行波在传播过程中发生畸变，从而降低了对行波准确到达时间的判别及对行波反射波的识别能力；
（5）在实际输电线路中，输电线路沿大地的电阻会有变化，以及线路参数随频率变化等问题，使得行波分析和研究比较困难，故障行波的特点不容易被充分利用。
2高压直流线路保护存在的问题
目前广泛应用于直流输电线路的行波保护容易受雷击、换相失败、交流侧故障等暂态现象的干扰，而在线路高阻接地故障时还存在灵敏度不够的问题。所以直流线路行波保护的可靠性不高的问题是其最致命的缺点。直流输电线路发生故障时，一方面可以利用橋阀控制极的控制来快速地限制和消除故障电流；另一方面，由于定电流调节器的调节作用，故障电流与交流线路相比要小得多。因此，对直流线路故障的检测，不能依靠故障电流大小来判别，而需要通过电流或者电压的暂态分量来识别。依赖工频量信息的传统保护已经不能适应超长距离直流线路保护的需要，对特高压直流输电更是如此。电力系统故障时，故障暂态电压和故障暂态电流中蕴含了丰富的故障信息，包括故障类型、故障时刻、故障方向等。对暂态信号进行分析，提取对应的故障特征，可以实现快速、可靠的几点保护原理。暂态保护就是利用故障产生的高频暂态量的保护方法，其严格定义为“基于检测故障所产生的高频暂态量，并利用高频暂态量频率特性的输电线路保护”。国内外对暂态保护的研究是从超高压交流输电线路保护开始的，高压直流输电线路的暂态保护也开始引起继电保护工作者的注意。
3特高压直流输电线路暂态保护原理
3.1区分对侧区内外故障的单端电压暂态保护原理
由特高压直流输电线路的频率特性可知：特高压直流线路对高频量有衰减作用，线路越长，衰减作用越大。由特高压直流输电线路边界的频率特性可知：特高压直流输电线路的边界元件对高频信号有很强的衰减作用。线路对高频信号的衰减作用的大小与线路长度有关，当特高压直流输电线路达到一定长度时，线路对故障高频暂态信号的衰减作用将有可能超过特高压直流输电线路“边界”对故障高频暂态信号的衰减作用。考虑特高压直流输电线路对故障高频暂态信号的衰减作用，提出一种区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理。区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理如图1所示。区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理的基本思想是：利用保护元件检测来自对侧的故障信号进而判断故障发生区内还是区外，即利用整流侧保护元件来区分逆变侧的区内故障和区外故障，利用逆变侧的保护元件来区分整流侧的区内故障和区外故障。
3.2双端电压暂态保护研究
当故障点距保护安装点的距离大于一定值时，线路对某频率电压信号的衰减作用将大于边界对该频率电压信号的衰减作用，结合特高压直流输电系统的对称性，提出利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路双端电压暂态保护原理，其原理如图2所示。首先，通过比较两端保护元件记录到的故障信号，判断故障点更靠近哪一侧。然后，在确定故障更靠近哪一侧的前提下，可依据如下原则进行对侧区一内外故障判定：对侧区外故障时，故障信号经过对侧边界和线路的双重衰减到达本侧保护元件，因而故障信号的衰减程度很大；而线路故障时，故障信号经过小于或等于线路全长的衰减到达本侧保护元件，因而故障信号的衰减程度相对对侧区外故障时较小，从而可以正确区分对侧区内外故障。
3.3基于高频量衰减特性的特高压直流输电线路故障测距研究
特高压直流线路对高频量有衰减作用，线路越长，衰减作用越大。由特高压直流输电线路边界的频率特性可知：特高压直流输电线路的边界元件对高频信号有很强的衰减作用。线路对高频信号的衰减作用的大小与线路长度有关，当特高压直流输电线路达到一定长度时，线路对故障高频暂态信号的衰减作用将有可能超过特高压直流输电线路“边界”对故障高频暂态信号的衰减作用。考虑特高压直流输电线路对故障高频暂态信号的衰减作用，提出一种区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电流暂态保护原理。区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电流暂态保护原理如图3所示。
3.4基于高频量衰减特性的特高压直流输电线路单端故障测距原理
根据特高压直流输电线路的频率特性可知：特高压直流输电线路对高频量有衰减作用，线路越长，衰减作用越强烈，所以高频量的衰减程度与其通过的直流输电线路长度有密切关系。可见，在测距装置安装点检测直流输电线路故障时所产生的故障暂态信号高频分量，研究其通过直流输电线路后的衰减特性，可以判断故障点故障测距安装点的距离。基于故障暂态信号高频分量衰减特性的单端故障测距原理如图4所示。
图4基于高频量衰减特性的特高压直流输电线路单端故障测距原理
【结束语】
本文以直流输电系统作为研究对象，借鉴现有超高压交流输电线路暂态保护研究思路，分析现有高压直流输电线路保护原理和方法的缺点和不足，提出新的保护原理。
【参考文献】
[1]张文亮，汤涌，曾南超.多端高压直流输电技术及应用前景[J].电网技术，2010，34（9）：1-6.
[2]梁旭明张平常勇.高压直流输电技术现状及发展前景[J].电网技术，2012，36（4）：1-9.
[3]张东辉，冯晓东，孙景强，等.柔性直流输电应用于南方电网的研究[[J].南方电网技术，2011，5（2）：1-6.
[4]刘振亚.特高压直流输电理论[M].中国电力出版社，2009.
[5]任达勇.天广直流工程历年双极闭锁事故分析[J].高电压技术，2006，32（9）：173-175.
关键词：特高压；直流输电；暂态保护；暂态保护
【前言】
人类对电能的认识和应用从直流电开始的。1882年，法国物理学家德普勒完成人类历史上首次直流输电试验，此次直流输电距离达到57km，电压为1.5～2kV。高压直流输电技术的发展大致经历了3个阶段：汞弧阀时代，晶闸管阶段和新型半导体阶段。
1高压直流线路保护现状
目前，高压直流输电线路保护普遍以行波保护作为主保护，同时采用低压保护、斜率保护、纵联差动保护等作为行波保护的后备保护。当直流输电线路发生故障时，从故障点到两侧的换流站会分别反射故障电压、电流行波，据此来进行故障检测，这是行波保护的主要思路。但是从目前的实际工程中反映的行波保护存在的主要问题是可靠性差。行波保护可靠性差主要由以下几个原因：
（1）电力线路上由于开关分合、空线合闸、雷击等造成的干扰容易使保护误动作；
（2）换相失败、交流侧故障引起直流线路上出现高频暂态量，造成行波保护误动作；
（3）直流线路在高阻接地故障时，行波波头斜率变缓，使得不能正确识别行波造成保护拒动作；
（4）行波的色散显现增加行波波头的检测难度。短路故障产生的行波信号是一些传播模式的混合信号，每种传播模式的不同频率分量具有不同的传播速度和衰减特性，即所谓的色散。色散现象使得行波在传播过程中发生畸变，从而降低了对行波准确到达时间的判别及对行波反射波的识别能力；
（5）在实际输电线路中，输电线路沿大地的电阻会有变化，以及线路参数随频率变化等问题，使得行波分析和研究比较困难，故障行波的特点不容易被充分利用。
2高压直流线路保护存在的问题
目前广泛应用于直流输电线路的行波保护容易受雷击、换相失败、交流侧故障等暂态现象的干扰，而在线路高阻接地故障时还存在灵敏度不够的问题。所以直流线路行波保护的可靠性不高的问题是其最致命的缺点。直流输电线路发生故障时，一方面可以利用橋阀控制极的控制来快速地限制和消除故障电流；另一方面，由于定电流调节器的调节作用，故障电流与交流线路相比要小得多。因此，对直流线路故障的检测，不能依靠故障电流大小来判别，而需要通过电流或者电压的暂态分量来识别。依赖工频量信息的传统保护已经不能适应超长距离直流线路保护的需要，对特高压直流输电更是如此。电力系统故障时，故障暂态电压和故障暂态电流中蕴含了丰富的故障信息，包括故障类型、故障时刻、故障方向等。对暂态信号进行分析，提取对应的故障特征，可以实现快速、可靠的几点保护原理。暂态保护就是利用故障产生的高频暂态量的保护方法，其严格定义为“基于检测故障所产生的高频暂态量，并利用高频暂态量频率特性的输电线路保护”。国内外对暂态保护的研究是从超高压交流输电线路保护开始的，高压直流输电线路的暂态保护也开始引起继电保护工作者的注意。
3特高压直流输电线路暂态保护原理
3.1区分对侧区内外故障的单端电压暂态保护原理
由特高压直流输电线路的频率特性可知：特高压直流线路对高频量有衰减作用，线路越长，衰减作用越大。由特高压直流输电线路边界的频率特性可知：特高压直流输电线路的边界元件对高频信号有很强的衰减作用。线路对高频信号的衰减作用的大小与线路长度有关，当特高压直流输电线路达到一定长度时，线路对故障高频暂态信号的衰减作用将有可能超过特高压直流输电线路“边界”对故障高频暂态信号的衰减作用。考虑特高压直流输电线路对故障高频暂态信号的衰减作用，提出一种区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理。区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理如图1所示。区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理的基本思想是：利用保护元件检测来自对侧的故障信号进而判断故障发生区内还是区外，即利用整流侧保护元件来区分逆变侧的区内故障和区外故障，利用逆变侧的保护元件来区分整流侧的区内故障和区外故障。
3.2双端电压暂态保护研究
当故障点距保护安装点的距离大于一定值时，线路对某频率电压信号的衰减作用将大于边界对该频率电压信号的衰减作用，结合特高压直流输电系统的对称性，提出利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路双端电压暂态保护原理，其原理如图2所示。首先，通过比较两端保护元件记录到的故障信号，判断故障点更靠近哪一侧。然后，在确定故障更靠近哪一侧的前提下，可依据如下原则进行对侧区一内外故障判定：对侧区外故障时，故障信号经过对侧边界和线路的双重衰减到达本侧保护元件，因而故障信号的衰减程度很大；而线路故障时，故障信号经过小于或等于线路全长的衰减到达本侧保护元件，因而故障信号的衰减程度相对对侧区外故障时较小，从而可以正确区分对侧区内外故障。
3.3基于高频量衰减特性的特高压直流输电线路故障测距研究
特高压直流线路对高频量有衰减作用，线路越长，衰减作用越大。由特高压直流输电线路边界的频率特性可知：特高压直流输电线路的边界元件对高频信号有很强的衰减作用。线路对高频信号的衰减作用的大小与线路长度有关，当特高压直流输电线路达到一定长度时，线路对故障高频暂态信号的衰减作用将有可能超过特高压直流输电线路“边界”对故障高频暂态信号的衰减作用。考虑特高压直流输电线路对故障高频暂态信号的衰减作用，提出一种区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电流暂态保护原理。区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电流暂态保护原理如图3所示。
3.4基于高频量衰减特性的特高压直流输电线路单端故障测距原理
根据特高压直流输电线路的频率特性可知：特高压直流输电线路对高频量有衰减作用，线路越长，衰减作用越强烈，所以高频量的衰减程度与其通过的直流输电线路长度有密切关系。可见，在测距装置安装点检测直流输电线路故障时所产生的故障暂态信号高频分量，研究其通过直流输电线路后的衰减特性，可以判断故障点故障测距安装点的距离。基于故障暂态信号高频分量衰减特性的单端故障测距原理如图4所示。
图4基于高频量衰减特性的特高压直流输电线路单端故障测距原理
【结束语】
本文以直流输电系统作为研究对象，借鉴现有超高压交流输电线路暂态保护研究思路，分析现有高压直流输电线路保护原理和方法的缺点和不足，提出新的保护原理。
【参考文献】
[1]张文亮，汤涌，曾南超.多端高压直流输电技术及应用前景[J].电网技术，2010，34（9）：1-6.
[2]梁旭明张平常勇.高压直流输电技术现状及发展前景[J].电网技术，2012，36（4）：1-9.
[3]张东辉，冯晓东，孙景强，等.柔性直流输电应用于南方电网的研究[[J].南方电网技术，2011，5（2）：1-6.
[4]刘振亚.特高压直流输电理论[M].中国电力出版社，2009.
[5]任达勇.天广直流工程历年双极闭锁事故分析[J].高电压技术，2006，32（9）：173-175.