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特高压直流输电线路暂态保护和故障测距问题研究

刘可真  
【摘要】:随着我国东部经济发达地区电力需求量的不断增长,建设特高压直流(UltraHigh Voltage Direct Current,UHVDC)输电工程,实施大规模、远距离的“西电东送”战略,势在必行。UHVDC输电线路电压等级高、输电距离远、往往要穿越大量的山地丘陵以及其它复杂的环境,遭受雷击和发生故障的概率较高。为提高UHVDC输电线路保护动作的可靠性,需要在故障发生后能够快速查找出故障位置,以保证电力系统的安全稳定运行。论文以UHVDC输电线路故障机理、暂态量保护新原理、雷击干扰识别、故障测距等问题为脉络,展开深入研究,旨在为提高UHVDC输电线路保护和故障测距的性能提供技术支持。 为寻找现有UHVDC输电线路保护存在不能正确动作的原因,本文研究了UHVDC输电线路故障发展的行波过程、控制系统调节的暂态过程、故障恢复过程三个阶段的故障机理。研究表明:线路末端高阻接地故障是行波保护和差动保护拒动的主要原因。过渡电阻的增加,使得故障电气量、电压变化量和变化率均下降,控制系统的响应特性变缓;而故障距离的增加会延迟电气量和控制系统的响应时间,导致行波保护拒动。为躲开交流系统故障,差动保护的延时和控制系统的作用,换流站的阀组保护可能会先于差动保护动作,闭锁故障极使线路停运,导致差动保护失去后备保护的作用。 为重点解决UHVDC输电线路保护不能正确动作的问题,本文提出了一种基于单端电气量的暂态保护方法,正确地建立了区内区外故障判别、保护启动和故障极性选择三类判据。方法主要利用了直流线路两端的平波电抗器和直流滤波器构成的物理边界对直流线路行波高频信号具有阻滞的特性。对区外故障,暂态电压高频分量经边界元件后大量衰减,于保护安装处测量到的暂态电压高频能量小;对区内故障,保护安装处的暂态电压高频能量较高。据此构造了区内、外故障判据。利用故障时小波变换模极大值随尺度增加而增大的规律构造了启动判据;利用正、负极故障时两极线极波面积比值差异构造了故障选极判据。仿真结果表明:所提保护新方法具有良好的耐受过渡电阻的能力。 为推进暂态量UHVDC输电线路保护的实用化,本文提出了一种UHVDC输电线路雷击暂态识别方法,充分利用雷击和故障特征的差异,正确构造出雷击干扰识别判据。UHVDC输电线路受雷击干扰时,直流线路双极电压时域波形与轴线电压相关度均较大;雷击故障或短路故障时,故障极直流电压骤降,与轴线电压相关度较小。雷击故障比短路故障含有更多的雷电波高频分量,而中低频分量与短路故障相近,利用5ms时窗的高频能量与中低频能量比值特征可有效识别雷击故障和短路故障。仿真结果表明:所提方法能够正确、快速、可靠的识别雷击干扰和故障类型。 为准确定位UHVDC输电线路故障位置并及时清除故障,本文提出了一种UHVDC输电线路故障测距的能量谱识别新方法。UHVDC输电线路的物理边界的高频阻滞特性,使故障行波经故障点及线路边界多次反射,使量测端波形呈周期性,而形成直流输电线路的行波固有频率。固有频率与故障距离之间存在数学关系,故障行波暂态能量在主频率附近较集中,其暂态能量包含丰富的故障距离信息。单端线模电压能谱分布随故障位置条件的不同而变化,采用ANN拟合单端线模电压的小波能量谱与故障距离的对应关系实现UHVDC线路故障测距,将不宜提取的固有频率点特征转化为容易提取的频带特征,提高了测距的可靠性。


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