西门子及 ABB 直流线路行波保护对比和改进研究

根据电磁场理论，电能以波的形式传播。正常运行和发生故障时，输电线路上都存在运动的电压和电流行波。当线路发生故障时，会从故障点产生向两侧以接近光速传播的暂态电流行波和电压行波，而行波信号中包含着丰富的故障信息，对于继电保护来说，充分利用线路故障时产生的暂态故障行波，即行波的故障分量，可构成超高速行波保护，能够满足直流输电线路保护速动性要求[1-3]。目前，在国内外直流输电工程中，西门子公司和 ABB 公司的直流线路行波保护方案应用最为广泛[4-5]。一般情况下保护定值来自厂家，事故后依据经验进行适当的调整，其性能有待进一步提高，具体表现为过渡电阻耐受能力有限、区内区外故障的区分度不高、故障选线效果不佳[6-8]。对西门子及 ABB 技术路线的直流线路行波保护进行对比研究。介绍西门子及 ABB 直流线路行波保护的原理和判据，通过仿真从过渡电阻、故障距离、区内外故障、线路耦合等方面对西门子及 ABB 行波保护性能进行分析和对比[9]，有助于运行维护人员对现场直流线路行波保护技术的理解，并对直流线路行波保护的改进西门子及 ABB 直流线路行波保护判据直流线路发生接地故障时，故障行波向线路两端传播，线路中许多参量会迅速发生变化，例如直流电压下降、整流侧直流电流急剧增大、逆变侧直流电流急剧减小等[10-11]。根据以上所描述的特点，西门子行波保护通过检测电压变化率(du/dt)、电压变化量(u)和电流变化量(i)三个量来判断线路故障的发生，构成电压行波保护的判据，如式(1)所示。整流侧逆变侧(1)直流线路发生接地故障时，携带故障信息的行波会从故障点向线路两端传播，换流站对极波 Pi进行检测，通过极波的变化判断线路故障。另一方面，线路故障时两极中性母线的冲击电容器上会分别产生一个冲击电流 ICN1 和 ICN2，利用该冲击电流以及两极直流电压量即可构成地模波 Gwav，根据地模波的极性就能正确判断出故障极[12]。其中，，式中  代表直流线路极波阻抗， IDL 和UDL 代表直流线路电流和电压，下标 i 值为 1 或 2，代表极 1 或极 2。式中：gZ 为直流线路地模波阻抗；IEL 为接地极线路电流；1ICN 为极 1 中性母线冲击电流；2ICN 为极 2 中性母线冲击电流；1UDL 为极 1 直流线路电压；2UDL 为极 2 直流线路电压。ABB 行波保护通过检测极波变化率(dP/dt)、地模波变化率(dGwav/dt)、极波变化量(P)和地模波变化量(Gwa)四个量来判断线路故障的发生，构成极波行波保护的判据，如式(2)所示。2 仿真模型直 流 系 统 模 型 采 用 云 广 特 高 压 直 流 工 程PSCAD/EMTDC 模型。为方便进行对比，采用相同的云广特高压直流工程参数搭建跟现场一致的西门子电压行波保护模型如图 1 所示，ABB 极波行波保护模型如图 2 所示西门子及ABB直流线路行波保护性能分析通过仿真从过渡电阻、故障距离、区内外故障、线路耦合等方面对西门子及 ABB 直流线路行波保护动作性能进行分析和对比。

3.1 过渡电阻现有行波保护过渡电阻耐受能力不高、直流线路发生高阻接地故障时往往由差动保护动作消除故障，延时较长，给系统安全运行造成不良的影响。西门子及 ABB 直流线路行波保护过渡电阻耐受能力存在一定的差异。设云广直流线路在 2 s 时刻在中点发生接地故障，过渡电阻取 0、100 Ω 和 300 Ω 三种情况。录得西门子行波保护判据量如图 3 所示，ABB 行波保护判据量如图 4 所示，其中横线为保护定值。随着过渡电阻增加，西门子及 ABB 行波保护各个判据量的幅值随之降低，但并不影响波形。ABB 行波保护过渡电阻耐受能力高于西门子行波保护。通过测试获取了西门子和 ABB 行波保护在不同故障点保护动作的临界过渡电阻，如表 1~表 4 所示

通过仿真从过渡电阻、故障距离、区内外故障、线路耦合等方面对西门子及 ABB 行波保护性能进行分析和对比。结果表明，ABB 行波保护过渡电阻耐受能力高于西门子行波保护，西门子及 ABB 行波保护均可以利用变化率判据提高区内外故障的区分度，西门子行波保护可以利用电压变化量及电流变化量作为故障选线的依据，ABB 行波保护可以利用地模波变化率作为故障选线的依据。并针对西门子及 ABB 直流线路行波保护方案存在的缺陷，在现有判据量的基础上提出改进方案。研究成果有助于运行维护人员对现场直流线路行波保护技术的理解，并对直流线路行波保护的改进有一定的参考价值。

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