直流线路故障过程中电磁耦合机理研究

PAGE9直流线路故障过程中电磁耦合机理研究摘要随着社会的发展交流输电系统也随之发展，走进了更加先进的直流输电时代。直流输电的理论和技术一直处于电力工程学科的前沿。自1882年开创用直流输电输送电能的历史以来，直流输电在远距离大容量输电，海底电缆输电和不同频率联网方面显示了其独特的优点。直流输电在技术,经济上的优势和我国国情决定了我国发展直流输电的绝对必要性和广阔前景。本论文从一下研究主题和方法出发：（1）研究直流输电线路电磁暂态耦合的机理，建立输电线路电磁耦合计算分析的数学模型。通过仿真，分析同塔直流输电线路故障时，极线间的电磁耦合特性。（2）研究平行架设输电线路故障时不同回路间的电磁耦合特性；基于EMTDC、RTDS的同塔并架直流线路故障过程的电磁耦合机理仿真研究，包括极线之间的耦合和同塔并架下同一个塔上不同线路之间的耦合。（3）建立考虑云广工程实际参数的电磁暂态分析数学仿真模型。结合仿真实验，揭示在现有线路运行模式下的固有缺陷，提出新形势下的防范措施和解决方案。然后再对云广直流、兴安直流、溪洛渡送电广东同塔双回直流工程、调查的基础上。提出一整套针对直流线路故障过程中电磁耦合机理和相关控制保护动作行的解决方案提出直流输电线路电磁暂态耦合的机理，建立输电线路电磁耦合计算分析的数学模型；建立考虑云广工程实际参数的电磁暂态分析数学仿真模型进行验证方法的可行性；本项目紧密结合南方电网直流输电系统运行实际，研究成果不仅对现有直流工程的安全可靠运行具有指导作用，而且对于在建的直流工程具有重要的参考价值。关键词：直流输电电磁偶和保护EMTDCRTDS仿真DClinefaultelectromagneticcouplingmechanismoftheprocessABSTRACTWiththedevelopmentofsocietyACtransmissionsystemsarealsodevelopingintoamoreadvancedHVDCera.TheDCtransmissiontheoryandtechnologyhasbeenintheforefrontofpowerengineeringdisciplines.Since1882tocreateahistoryofsupplyingelectricpowerDCtransmission,DCtransmissioninlong-distancehigh-capacitytransmission,submarinecabletransmissionanddifferentfrequenciesinnetworkingforitsuniqueadvantages.DCtransmissiononthetechnical,economicadvantageandChina'snationalconditionsdeterminetheabsolutenecessityofthedevelopmentofDCtransmissionandbroadprospects.Thispaperfromyourresearchtopicsandmethodsdeparture:(1)studythemechanismofDCtransmissionlinecouplingofelectromagnetictransienttransmissionlineelectromagneticcouplinganalysismathematicalmodel.Throughsimulation,theDCtransmissionlinefaultanalysisonthesametower,theelectromagneticcouplingbetweenthepolarcharacteristics.(2)paralleltotheerectionoftransmissionlinefaultbetweendifferentloopelectromagneticcouplingcharacteristics;EMTDCandRTDSbasedonthesametowerandrackDClinefaultprocessofelectromagneticcouplingmechanismsimulationstudies,includingthecouplingbetweenthepolarandtheSameTowerthesamebelowthecouplingbetweendifferentlinesinatower.(3)establishingconsidercloudwideengineeringparameterselectromagnetictransientanalysisofmathematicalsimulationmodel.Thesimulationexperimentsrevealtheinherentdefectsintheexistinglinemodeofoperation,preventivemeasuresandsolutionsproposedunderthenewsituation.ThentheYunnan-GuangdongDC,theLarixDC,XiluodupowertransmissionGuangdongsametowerDCproject,onthebasisoftheinvestigation.ProposedacomprehensivesetofsolutionsforDClinefaultelectromagneticcouplingmechanismandcontrolprotectionactionlineDCtransmissionlineelectromagnetictransientcouplingmechanism,amathematicalmodelofthetransmissionlineelectromagneticcouplinganalysis;establishconsiderthecloud-Cantonactualparametersthefeasibilityofelectromagnetictransientanalysisofmathematicalsimulationmodelwasvalidatedmethod;projectincloseconnectionwiththeactualrunningoftheChinaSouthernPowerGridDCtransmissionsystem,resultsnotonlysafeandreliableoperationofexistingHVDCprojecthasaguidingrole,butalsofortheconstructionofHVDCprojecthasimportantreferencevalue.Keywords：HVDCElectromagneticCouplingSimulationExperimentsEMTDCRTDSDC

目录第一章绪论 11.1研究背景与动机 11.2国内外研究现状 11.3研究方法与目的技术方案——（耦合的数学模型） 31.4本论文的新颖之处 61.5论文内容概述 7第二章直流线路故障时的电磁耦合模型与分析方法 82.1前言 82.1.1容性耦合 82.1.2感性耦合 92.2直流线路极线间电磁耦合模型 92.3同塔并架直流线路故障时电磁耦合模型 102.3.1直流输电线路 102.3.2杆塔 102.3.3直流系统仿真模型 112.4直流输电线路电磁暂态耦合的机理与计算分析 112.4.1形集中参数电路模型 112.4.2带集中电阻的恒定参数无损线路模型 122.4.3Semlyen模型 132.4.4J.Marti模型 132.4.5L.Marti线路模型 132.4.6Noda线路模型 132.5线路耦合参数计算 142.5.1架空线路电容电感 142.5.2架空线阻抗 152.6本章小结 16第三章平行架设输电线路故障时不同回路间的电磁耦合特性 173.1前言 173.2极线之间的耦合 173.3同塔并架下同一个塔上不同线路之间的耦合 183.4基于EMTDC、RTDS的同塔并架直流线路故障过程的电磁耦合机理仿真 203.4.1计算模型和系统条件 203.4.2仿真研究 213.5本章小结 23第四章云广工程实际参数的电磁暂态分析 244.1前言 244.2云广工程数学仿真模型 244.2.1云广特高压直流输电系统的模型参数 244.2.2交流系统参数 254.2.3直流滤波器 254.2.4平波电抗器 264.2.5换流阀 264.2.6换流变压器 264.2.7直流输电线路 264.3电磁耦合机理仿真研究 274.4现有线路运行模式下的固有缺陷与防范措施及解决方案 284.4.1电容比值不平衡保护的原理及配置 294.4.2运行实例 294.4.3保护动作行为分析 294.4.4存在问题 314.4.5解决措施 314.5本章小结 31第五章结论及未来研究方向 335.1结论 335.2未来研究方向 33参考文献 35致谢 37武汉大学珞珈学院本科毕业设计第一章绪论1.1研究背景与动机云广直流作为世界上第一条特高压直流输电工程尚无太多经验可以借鉴。特高压直流极间线路之间存在一定程度的电磁耦合，这一耦合作用在雷电冲击的情况下特别明显，且影响到了另一极的稳定运行。云广直流2010年8.19和2011年6.5的两次双极相继闭锁事故中都是因为一极线路故障而引起了另一极电流电压的波动从而使另一极保护动作，并最终导致双极相继闭锁。云广工程在设计时并没有考虑到线路之间存在如此大的电磁耦合关系，控制保护系统的设计也只是基于本极的电流电压变化特性，并没有考虑到对极故障对本极造成的干扰。为了节省线路走廊，直流线路同塔并架在直流工程中也开始出现。兴安直流也因为征地等原因，部分直流线路和接地极线路采用了同塔并架的方式，也正是因为这种方式，发生多次因为极线路故障而导致接地极线路保护动作，目前关于这方面的研究只集中在如何防雷等措施上。正在建设的溪洛渡送电广东同塔双回直流工程中，两回直流的线路即架设在同一个杆塔上。这两回直流四条直流输电线路相互之间存在复杂的电磁耦合关系，既出现同一回直流的不同线路间，也包括不同回直流线路之间。当任一线路发生故障时对其它三条线路的影响机制及分析方法，相关直流系统控制保护的响应特性等问题，目前都研究较少。国网公司也建有一个同塔双回直流输电工程，相关研究人员做过一些仿真分析，但也仅限于两回直流之间，并未研究同一回直流不同极线之间的影响。而针对相关问题的分析模型与方法、研究手段、工程试验等方面，国内外都还基本处于空白。本项目紧密结合南方电网直流输电系统运行实际，研究成果不仅对现有直流工程的安全可靠运行具有指导作用，而且对于在建的直流工程具有重要的参考价值。1.2国内外研究现状特高压直流极间线路之间存在一定程度的电磁耦合，这一耦合作用在雷电冲击的情况下特别明显，且影响到了另一极的稳定运行。云广直流2010年8.19和2011年6.5的两次双极相继闭锁事故中都是因为一极线路故障而引起了另一极电流电压的波动从而使另一极保护动作，并最终导致双极相继闭锁。雷电流频率范围较大，且含有较多高次谐波，而设计阶段直流线路对于线路耦合的研究只停留在低频分量，而控制保护逻辑之间的配合也只是基于本极的电流电压变化特性，并没有考虑到对极故障对本极造成的电磁耦合，特别是高频电流的电磁耦合。为了节省线路走廊，线路同塔并架在交流输电系统中较为常见，同塔两回或多回直流线路同杆并架的现象在交流系统出现较多，同杆线路相互影响以及同杆线路跨线故障等的影响方面的研究也较多。近年同杆并架在在直流工程中也开始出现。但直流线路在设计之初对频率特性的考虑不全面，针对线路之间电磁耦合机理研究不够彻底。兴安直流也因为征地等原因，部分直流线路和接地极线路采用了同塔并架的方式，可能因为这种线路架设方式的存在，发生多次因为极线故障而导致接地极线路保护动作，国网公司在三沪直流投运之前针对同杆并架现象可能造成的影响进行了相关研究，南方电网也针对接地极线路和直流线路的同杆架设现象开展研究，但这方面的研究只集中在如何制定防雷措施上，针对电磁耦合机理研究相对较少，也并没有提出针对电磁耦合现象的优化算法。正在建设的溪洛渡送电广东同塔双回直流工程中，两回直流的线路即架设在同一个杆塔上。这两回直流四条直流输电线路相互之间存在复杂的电磁耦合关系，既出现同一回直流的不同线路间，也包括不同回直流线路之间。当任一线路发生故障时对其它三条线路的影响机制及分析方法，相关直流系统控制保护的响应特性等问题，目前都研究较少。直流输电线路因为直流电流没有频率特性，针对含有较大高频分量的雷电流造成的电磁耦合现象与交流输电系统有很大区别，需要进行深入的研究。自1882年开创直流直流输电输送电能的历史以来，经过20世纪50~60年代的汞弧阀时期，直流输电在远距离大容量输电、海底电缆输电和不同频率联网方面显示里其独特的优点；又经过20世纪70~80年代的晶闸管时期，使直流输电得到了大发展，并在大电网互联方面展现了更多优势，传统的纯交流电网已经发展到交直混合电网；20世纪90年代以来，大功率可关断器件的迅猛发展，促成了新型直流输电快速发展，使直流输电的应用扩展到了配电网和新能源开发等更为广阔的领域。直流输电是基础面广、前沿技术含量高、综合性很强的高技术，它不仅在20世纪70~80年代促成了电力电子技术的发展，而且随着电力电子器件的进一步发展、计算机技术的更新换代、输变电新材料的出现、新能源和可再生能源的开发利用，必将在新的世纪为电力的持续发展发挥更大作用。由于我国地域辽阔，能源分布及负荷发展很不平衡，水力资源主要集中在西南数省，煤炭资源主要集中在山西、陕西和内蒙古西部，而负荷主要集中在东部沿海地区，因此远距离大容量输电势在必行。另一方面，电力互联是电力工业发展的必然趋势，我国各大区和独立省网的互联已进入实施阶段，利用直流输电作异步联网在技术上、经济上和安全性等方面的优势已经在世界范围内得到证明。因此直流输电技术必将以其在技术上和经济上的独特优势，在远距离大容量输电和全国联网两个方面对我国电力工业的发展起到十分重要的作用。我国已经成为世纪范围内直流应用前景最为广阔的国家。近20年来，我国直流输电从无到有，经历了一个快速发展的阶段。1987年自行研制设计的舟山直流输电试验工程投入运行，1989年葛洲坝——南桥±500kv、1200MW直流输电工程投入运行，2000年天桥——广州±500kv、3000MW直流输电工程投入运行，2004年三峡——广东±500kv、3000MW直流输电工程投入运行，2004年贵州——广东±500kv、3000MW直流输电工程投入运行。另外，三峡右——上海直流输电工程和贵州——广东二回直流输电工程的工程已经进入实施阶段。根据计划在未来20年中，南方电网将出现7条或更多直流输电线路，华东电网也将出现7条或更多直流输电线路，华中电网将出现近10条直流输电线路。显然我国已夸人直流输电混合大电网时代，在技术上和管理上都对我国的电力工作提出了挑战。1.3研究方法与目的技术方案——（耦合的数学模型）(1)、从电磁场基本理论出发，研究同塔架设或平行架设直流输电线路相互耦合的数学模型。架空输电线路可以看作位于平均高度的相互平行的多导体传输线，其单位长度的等效电路模型可由下图表示：图1.1架空线路单位长度的等效电路图中的电容、电导分别称为部分电容、部分电导。为第i条导线的自分部电容；为第i条与第j条导线间的互部分电容；为第i条导线回路单位长度的自电感；为第i条与第j条回路间单位长度的互电感；为第i条导线的内阻抗；为参考导线(即大地)的单位长度内阻抗；描述多导体传输线路的数学模型为电报方程：(1.1)式中，式中为电压向量，； 为线电流向量，；[Z]为阻抗矩阵，即：(1.2)[Y]为导纳矩阵，即：（1.3）对于架空输电线路，导线间的绝缘介质为空气，线路间的电导可以忽略，以大地作为参考导线，每相导线及每根架空地均作为一根导线，激励源为各相导线的电源电压，通过求解电报方程(1.1)即可求得地线的感应电压和感应电流值。时域有限差分法是求解电报方程的有效方法，但该方法复杂，计算量大。对于高压架空输电线路，由于工作频率低，采用π型等效电路级联的方式求解，计算精度足以满足工程需要。长度为L的两根导线与大地组成的多导体传输线，π型等效电路如下图所示。图1.2π型等效电路示意图电磁暂态计算软件APP-DRA具有架空输电线路π型等效电路模块(LCC)。每一档距采用一段π型LCC模型，整条线路采用多条π型LCC模型级联的方式建立模型，如下图所示。图1.SEQ图\*ARABIC\s13架空输电线路地线感应电压感应电流ATP-DRAW计算模型(2)、计算分析同塔直流输电线路发生故障时，同回输电线路不同极间、同塔不同回路间及不同塔平行架设的直流输电线路间电磁耦合关系，研究干扰电压、电流的特征。(3)、分析高压直流输电线路电磁干扰的传播方式、传播途经等，研究高压直流输电线路对保护装置电磁干扰的数学模型，分析高压直流输电线路电磁暂态对保护干扰的特征。电磁干扰途径分为电容耦合、电感耦合和电磁辐射。电容耦合任何电子设备之间都存在分布式电容，变电站中还有补偿电容、耦合电容、电容式电压互感器等电容元件。某一导体上的电压通过这些电容影响其它导体上的电位，形成传导型干扰。电感耦合任何载流导体都会在周围空间中产生磁场，若磁场是交变的，则会在周围闭合电路中产生感应电势。电磁辐射辐射干扰是指强电系统产生的高频电磁干扰辐射，干扰能量通过空间电磁波的形式传播到弱点系统中产生干扰，随弱点此系统电缆的接地方式不同形成共模或差模干扰。公共阻抗耦合这是噪声源和信号源具有公共阻抗时的传导耦合，如雷击电流和短路电流流入地网，尽管接地网电阻很小，但毕竟不为零，这将使地电位升高，且接地网上不同点出现地电位差。接在地网不同点的设备地电压将不同，为了防止公共阻抗耦合，应使耦合阻抗（接地网阻抗）趋于零，则地电位差也将趋于零，干扰电流将消失。由于地网电流的扩散性，远离电流入地点处的电流较小，地电位差也比较小。实际上干扰源对二次回路的耦合是非常复杂的，通常同一干扰源会以几种干扰途径对二次回路产生干扰。1.4本论文的新颖之处本文主要包括对现代直流线路的设计和实际的安装的客观情况即：两回直流的线路即架设在同一个杆塔上。这两回直流四条直流输电线路相互之间存在复杂的电磁耦合关系，既出现同一回直流的不同线路间，也包括不同回直流线路之间。当任一线路发生故障时对其它三条线路的影响机制及分析方法，相关直流系统控制保护的响应特性等问题，目前都研究较少。国网公司也建有一个同塔双回直流输电工程，相关研究人员做过一些仿真分析，但也仅限于两回直流之间，并未研究同一回直流不同极线之间的影响。而针对相关问题的分析模型与方法、研究手段、工程试验等方面，国内外都还基本处于空白。首先特高压直流极间线路之间存在一定程度的电磁耦合，这一耦合作用在雷电冲击的情况下特别明显，且影响到了另一极的稳定运行。云广直流2010年8.19和2011年6.5的两次双极相继闭锁事故中都是因为一极线路故障而引起了另一极电流电压的波动从而使另一极保护动作，并最终导致双极相继闭锁再次为了节省线路走廊，直流线路同塔并架在直流工程中也开始出现。兴安直流也因为征地等原因，部分直流线路和接地极线路采用了同塔并架的方式，也正是因为这种方式，发生多次因为极线路故障而导致接地极线路保护动作，目前关于这方面的研究只集中在如何防雷等措施上。本论文紧密结合南方电网直流输电系统运行实际，研究成果不仅对现有直流工程的安全可靠运行具有指导作用，而且对于在建的直流工程具有重要的参考价值。1.5论文内容概述本项目涉及直流线路极线间电磁耦合机理、同塔并架直流线路故障耦合模型与方法的研究工作；同时紧密结合南方电网直流输电系统运行实际。具体的研究内容：（1）研究直流输电线路电磁暂态耦合的机理，建立输电线路电磁耦合计算分析的数学模型。通过仿真，分析同塔直流输电线路故障时，极线间的电磁耦合特性。（2）研究平行架设输电线路故障时不同回路间的电磁耦合特性；基于EMTDC、RTDS的同塔并架直流线路故障过程的电磁耦合机理仿真研究，包括极线之间的耦合和同塔并架下同一个塔上不同线路之间的耦合。（3）建立考虑云广工程实际参数的电磁暂态分析数学仿真模型。结合仿真实验，揭示在现有线路运行模式下的固有缺陷，提出新形势下的防范措施和解决。武汉大学珞珈学院本科毕业论文PAGE47第二章直流线路故障时的电磁耦合模型与分析方法2.1前言特高压直流极间线路之间存在一定程度的电磁耦合，这一耦合作用在雷电冲击的情况下特别明显，且影响到了另一极的稳定运行。云广直流2010年8.19和2011年6.5的两次双极相继闭锁事故中都是因为一极线路故障而引起了另一极电流电压的波动从而使另一极保护动作，并最终导致双极相继闭锁。云广工程在设计时并没有考虑到线路之间存在如此大的电磁耦合关系，控制保护系统的设计也只是基于本极的电流电压变化特性，并没有考虑到对极故障对本极造成的干扰。为了节省线路走廊，直流线路同塔并架在直流工程中也开始出现。兴安直流也因为征地等原因，部分直流线路和接地极线路采用了同塔并架的方式，也正是因为这种方式，发生多次因为极线路故障而导致接地极线路保护动作，目前关于这方面的研究只集中在如何防雷等措施上。正在建设的溪洛渡送电广东同塔双回直流工程中，两回直流的线路即架设在同一个杆塔上。这两回直流四条直流输电线路相互之间存在复杂的电磁耦合关系，既出现同一回直流的不同线路间，也包括不同回直流线路之间。当任一线路发生故障时对其它三条线路的影响机制及分析方法，相关直流系统控制保护的响应特性等问题，目前都研究较少。国网公司也建有一个同塔双回直流输电工程，相关研究人员做过一些仿真分析，但也仅限于两回直流之间，并未研究同一回直流不同极线之间的影响。而针对相关问题的分析模型与方法、研究手段、工程试验等方面，国内外都还基本处于空白。本项目紧密结合南方电网直流输电系统运行实际，研究成果不仅对现有直流工程的安全可靠运行具有指导作用，而且对于在建的直流工程具有重要的参考价值。在电力系统正常运行情况下，由于直流输电线路上由于线路电压/电流稳定不会产生感应电压，但在线路遇到故障的情况下，由于极线上的电压发生剧烈波动，由于线路之间的容性耦合与感性耦合，将会在附近的极线与接地极线上产生感应电压。由于容性耦合而产生的感应电压将会因为附近的金属导线直接或通过相关设备接地而大幅度降低，同时线路上由于感性耦合而产生的感应电动势作用在附近线路与大地所构成的回路中产生工频电流，从而影响附近线路的安全。2.1.1容性耦合在电力线路运行时，在线路周围的空间中会产生电场，这会赋予电场中的导体或电介质相应的电位（电位值取决于电位参考点的选取，通常取大地为电位参考点）。由可知，相对于电位参考点，导体上有电容存在；当两个导体或电介质之间电位不同的时候，由可以定义两个导体之间的电容。在输电线路运行时，由于存在电容使附近金属线路与大地之间产生电位差，从而在附近的金属导线上产生感应电容电压。由于是通过线路之间的互电容耦合而产生的感应电压，所以这种影响称之为容性耦合。在线路的位置几何参数固定的情况下，感应电容电压主要受到电力线路的电压等级，导线之间的距离以及线路运行状态的影响。2.1.2感性耦合由工程电磁场理论可知，当一个导线通电流时，将会在周围的空间产生磁场。我们通过磁通和磁通链来描述磁场。当穿过处在磁场中的一个线圈或者回路的磁通或者磁通链随时间变化时，线圈或者回路中将会产生感应电压。在电路中，通过电感参数L与互感参数M来描述这一电磁感应现象。这两个参数由线路的形状/尺寸与媒质磁导率等物理参数决定，而与电流，磁通无关。当直流线路上的电流产生变化时，将会在线路周围空间形成变化的磁场，从而通过互感在附近的电力线路上产生感应电压。由于这是通过线路之间的互感耦合产生的感应电压，所以称之为感性耦合。2.2直流线路极线间电磁耦合模型建立了特高压直流输电线路雷电绕击的仿真模型，仿真时为了模拟雷电流波在雷击处两侧的折反射，在雷击处两侧都加入了3基杆塔，在线路两侧分别经长线路模型连接电源。避雷线也通过该长线模型接地。如图2.1所示。线路全长10km，沿线大地电阻率平均值为，图2.1特高压直流输电线路雷电绕击仿真模型2.3同塔并架直流线路故障时电磁耦合模型2.3.1直流输电线路直流线路每极导线选用4×JL/G2A-900/75-4/7钢芯铝绞线；2根避雷线采用GJ-100型镀锌钢绞线，具体线路参数见表2.2。由于按双回同塔设计，极导线需按上下两层布置。项次直流线路项次直流线路架空地线型号GJ-100导线型号4×JL/G2A-900/75-4/7外径/mm13外径/mm40.6直流电阻/1.5667直流电阻/0.0322弧垂/m11分裂间距/mm450弧垂/m15表2.2直流线路参数2.3.2杆塔本文选用广东省电力设计研究院规划的SZ27103双回路直线塔型进行建模计算，该塔型的具体尺寸如图2.3所示，保护角为-5˚。极导线悬垂绝缘子串选用V串型式，采用复合绝缘子，每串结构高度为6.8m，最小电弧距离为6.2m。图2.3同塔双回输电线路杆塔模型2.3.3直流系统仿真模型参照前文2.3中使用的仿真模型，使用6相J-marti模型模拟输电线路，在雷击处两侧各加3基杆塔，剩余部分输电线路采用冲击阻抗模拟，避雷线通过该阻抗接地，输电导线通过该阻抗接入直流电压，如图2.4所示。线路全长10km，沿线大地电阻率平均值为，图2.4同塔双回直流输电系统雷电绕击计算模型2.4直流输电线路电磁暂态耦合的机理与计算分析2.4.1形集中参数电路模型如图2.4.1所示，形集中参数电路可通过下式计算。(2.1)式中，R’、L’、C’是某一给定频率下的单位长线路的电阻、电感、电容，l是线路长。图2.5形模型在进行线路稳态计算时，应用形电路模型可以精确的模拟通常长度（100~200km以下）的线路。而进行线路的暂态计算式，要应用形电路模型必须满足：裁断频率远大于线路暂态现象的基本频率，其中由形电路模型的L，C决定。因此可以通过将多条短距离（线路距离用上面条件计算得到）的形电路串接来对长线路进行模拟。其中，线路暂态的裁断频率和基本频率的计算式为：(2.2)：末端开路：末端经阻抗接地(2.3)：末端短接式中，是线路长度，是传播速度（km/s），是传播时间（s）。虽然用形电路模型可以准确的模拟线路稳态及工频的暂态计算，但由于形电路模型中无法模拟频率相关线路参数，而且集中参数还会产生虚假振荡，串接之后求解也比行波理论的计算方法复杂而且计算量大，因此一般不应用于线路的暂态计算。2.4.2带集中电阻的恒定参数无损线路模型带集中电阻的恒定参数无损线路模型也可以成为Bergeron模型或Dommel模型。这个模型在模拟换位线路时也可以称为Clark模型，在模拟不换位模型时也可以称为KClee模型。在进行计算时，由于线路上的串联电阻不能够忽略，而并联电导可以忽视，所以可以用几个集中电阻来等值模拟线路，而其他部分则视作无损导线，经验表明这种模拟方法是合理的。在EMTP中，使用3个集中电阻来模拟线路，两端的电阻值为R/4，中间的电阻值为R/2，如图2.4.2所示。此时在线路中必须满足的条件才能得到准确合理的结果，此处Z为波阻抗。如果不满足这个条件，则必须缩短每个模型的长度即增加线路的段数。用集中电阻来模拟线路时，并没有考虑线路参数的频率相关性，线路参数默认按照基本频率计算。在无损线路上使用等值形电路，在消去内部节点后，可得到等值形电路的参数。(2.4)(2.5)式中，，为线路单位长电阻；为每段传播时间，和为线路单位长电感和电容；为线路总长度；为波阻抗。图2.6带集中电阻的线路模型2.4.3Semlyen模型Semlyen模型是考虑频率相关性的线路模型，在J.Marti模型之前被广泛应用。与J.Marti模型不同的是Semlyen在时域将和用指数函数之和近似处理式2-30的傅立叶逆变换。由于提高计算精度需要调整收敛的设定，而且与J.Marti模型一样，没有采用频率相关特性的转换矩阵，因此Semlyen模型对垂直排列的不换位线路和地下同轴电缆模拟的计算结果不够精确，甚至在计算接地故障引起的过电压时还会恶化，同时Semlyen模型的稳定性较差。2.4.4J.Marti模型J.Marti模型是目前应用最广的线路模型，在J.Marti模型中采用了具有频率相关特性的线路参数。不同于Semlyen模型，J.Marti近似和的方法是在频域用有理函数进行近似计算，而且对的近似有理函数通过网络表达，因此暂态计算很稳定。但是J.Marti同样没有采用频率相关特性的转换矩阵。2.4.5L.Marti线路模型由于在计算接地故障过电压、交流叠加过电压或者电缆过电压时（模拟时间较长），转换矩阵的频率相关性不能被忽略，因此L.Marti建立了采用考虑频率相关的转换矩阵的线路模型，通过卷积积分计算来模拟转换矩阵的频率相关特性，但是由于转换矩阵的频率响应变化表现出一定的振动性，而不是像与一样单调变化，所以L.Marti线路模型的计算十分不稳定，应用较少。2.4.6Noda线路模型Noda线路模型在理论上是最严密的线路模型，因为Noda线路模型不是通过相模变换，而是直接在相域模拟考虑频率相关特性的线路模型，但这样使得计算量极大，计算过程十分复杂，因此稳定性也较差。2.5线路耦合参数计算2.5.1架空线路电容电感图2.7架空线路示意图由图可得，电容矩阵与电位系数矩阵互为逆矩阵，因此可对求逆得：(2.6)中的元素可由式2.2，2.3计算得到(2.7)(2.8)其中，——导线i离地高度（单位：m）——导线i的半径（单位：m）——导线i与目标导线j镜像之间的距离（单位：m）——导线i与目标导线j之间的距离（单位：m）——自由空间的介电常数，同理可得，单位长电感矩可表示为：(2.9)(2.10)其中：——自由空间磁导率，但在实际情况中，趋肤效应和土壤的影响一直存在，导线总会产生损耗。因此，在有损情况下一般将长电感矩阵与长阻抗矩阵一起计算。2.5.2架空线阻抗利用Carson公式对空中平行架空线的单位长自阻抗和互阻抗进行求解，得到的结果精度较高。如图2-1所示的架空线，用Carson公式分别计算其单位长自阻抗及互阻抗可得(2.11)(2.12)式中J为无穷限积分(2.13)(2.14)Carson公式计算出的结果虽然较准确，但其计算由于无穷限积分的存在变得十分复杂。L.M.wedePohl推导出用于近似计算互阻抗和自阻抗的公式：(2.15)其中，-透射深度，-土壤电阻率（单位：）(2.16)其中，A-分裂导线的横截面积（单位：）L-导线长度（单位：m）-每束导线中分裂导线的数目2.6本章小结本章的内容主要是写直流线路故障时的电磁偶和模型与分析方法通过对云广直流的介绍我们引入了云广直流2010年8.19和2011年6.5的两次双极相继闭锁事故中都是因为一极线路故障而引起了另一极电流电压的波动从而使另一极保护动作，并最终导致双极相继闭锁。云广工程在设计时并没有考虑到线路之间存在如此大的电磁耦合关系，控制保护系统的设计也只是基于本极的电流电压变化特性，并没有考虑到对极故障对本极造成的干扰。所以我们就成功进入了对直流线路故障的电磁耦和模型与分析的论题中。这一章我建立了直流线路的极线的电磁耦合模型，通过对电与磁的基本物理关系式的应用与推导我建立了电磁耦合的基本模型然后再具体一点对同塔并架直流线路电磁偶合模型进行了建立和分析，最后就是建立直流输电线路电磁暂态耦合的机理与计算分析通过这些我就算是开始了对云广工程在设计时并没有考虑到线路之间存在如此大的电磁耦合关系，控制保护系统的设计也只是基于本极的电流电压变化特性，并没有考虑到对极故障对本极造成的干扰，的问题进行研究和解决的分析和解决的道路上来了。第三章平行架设输电线路故障时不同回路间的电磁耦合特性3.1前言同塔多回输平行电线路的最大特点是除了本回线的相间耦合作用，还存在不同回路之间的线间耦合作用.大大增加了线路故障分析的难.针对目前敌国已经普遍布的同塔双回线路.基于稳态计算和故障分析的需要，当前已有众多学者对其参数解耦方法及序分量特征进行研究.并取得了一定的成果.文献提出了同杆双回线路六序分量法，文献提出了类对称分虽变换、类clark变换种类karranbaue变换，为同杆双回线路的故障分析提供了简便的方法.回输电线路.其12条线路之间都存在互感和电容且由干线路的排布方式使得各回线间互感和电容不完全相等，文献出了同杆4回线12序分量法，但此方法是在假设所有回路线间互阻抗相等的前提下提出的，对照实际四回线路杆塔结构及线路架设情况.可以看出不同回线间的线路互阻抗不相同.故12序分量法无法应用于实际线路.因此.目前还没有针对同塔四回线参数解耦的通用方法出现。本章对同塔四回线的杆塔结构及线路架设方案进行了研究，总结了同塔四回线各序量特征及物理意义，为同塔四回线路的故障分析及继电保护的研究提供了理论基础.3.2极线之间的耦合云南送电广东同塔双回直流输电工程采用两回±500kV直流同杆并架方式。两回直流共起点、共落点、共换流站、线路共杆、共用接地极，直流输电容量2x3200MW，直流线路长度2x1286km。每个±500kV系统可独立运行，又可联合同步运行。在本节中，通过如图3.1所示的接线图模拟同塔双回直流输电系统接地故障。图3.1同塔双回直流输电系统接地故障计算模型3.3同塔并架下同一个塔上不同线路之间的耦合同塔并架下同一个塔上不同线路之间的耦合会长生感应电流感应电压2种。当导线上流过变化的电流时，在其周围产生一个变化的磁场，如停电线路与其交链，则会在停电线路上感应出一个纵电势，沿导线方向分布，根据停电导线对地绝缘程度的不同而对应不同的对地电位。这种由于导线间的感应效应耦合而产生的结果称为电磁感应。其大小决定于导线之间存在的电容耦合效应，现在以安徽省500kv平西5312线路为例进行建模仿真。平西5312线全长115.8km，其中20km与平肥5302线为同塔双回路不换位，建立模型时只考虑同塔部分。图3.2线路断面图线路断面如图3.2所示。导线规格是4XLGJ-630/45型港芯铝绞线，子导线按正方形四角布置，分裂间距0.45m，最下层导线离地高度平均33m，架空线离下层导线26m，导线弧垂约10m，土壤电阻率取平均100m。电源模型使用EMTDC软件内部提供的发电机模型，电源与地网相连，电源频率50HZ最大输出功率1200MVA，见图3.3。图3.3电源模型图平肥5302线运行，平西5312线两端分别模拟两端不接地、一端接地和两端接地3种运行方式。根据参考文献,在两端不接地情况下，线路感应电压Ui以静电感应为主：在一端接地，一端不接地情况下，接地端接地电流;以静电感应为主，不接地端电压UP以电磁感应为主：两端接地情况下，线路感应电流I以电磁感应为主。接地端接地电阻模型使用0.1平肥5302线空载运行时，平西5312线感应电压和电流的计算结果见表1,计算结果表明，当平肥5302线空载时，平西5312线静电感应电压最大相电压为28.38kv,静电感应电流大约2A，电磁感应为3V，电磁感应电流约为0.2A耦合类型A相B相C相静电耦合US/KV25.3014.6028.38IS/A20.3832电磁耦合Ue/V332Ie/A3表3.4平肥5302线空载运行时平西5312线感应电压和电流平肥5302线负荷为1200MW运行时，计算以上同样的数据，结果见表3.5。计算表明，与5302线空载时相比，静电感应电压和感应电流不变，电磁感应电压和电流增加。不同负荷下变化曲线见图3.2.5;3.2.6,图中显示静电感应电压和电流基本保持不变，不受负荷影响。耦合类型A相B相C相静电耦合Us/kv25.0014.6028.52IS/A20.382电磁耦合UE/e/A2088216表3.5平肥5302线负荷1200WM时平西5312线感应电压和电流图3.6静电感应电压随负荷变化情况图3.7静电感应电流随负荷变化情况结论同塔双回500kv输电线路由于电磁和静电耦合，当两条线路运行时会与两条线路上产感应耦合电压和电流。3.4基于EMTDC、RTDS的同塔并架直流线路故障过程的电磁耦合机理仿真同塔架设直流线路间存在电磁耦合，但各级导线间的电磁偶和关系不会给直流系统稳定运行带来严重的影响，只有当直流线路发生接地故障等情况下，故障产生的暂态分量会因电磁耦合的关系及线路参数不平衡等原因影响到其他正常运行的级导线。为此，首先对直流调试时直流线路故障和丢失脉冲试验对同塔架设直流的影响进行分析：其次，利用EMTDC建立同塔双回直流输电研究模型，在重现直流线路故障和丢失脉冲试验的基础上，深入分析直流一极线路故障导致健全极发生换相失败和直流丢失脉冲故障导致直流发生换相失败的原因。3.4.1计算模型和系统条件按照图3.4.1所示系统接线图，采用EMTDC建立了同塔双回直流输电系统研究模型，详细模拟了同塔双回直流线路、HVDC换流器和换流变压器和交/直流滤波器等。系统基本条件为：±800KV直流双极额定容量500万千瓦，±800KV直流双极额定容量500万千瓦。模型详细模拟了交/直流滤波器，直流控制特性与工程实际保持一致；直流线路均采用频率相关模型，杆塔布置和参数见图3.9和表3.10同塔线路同塔线路1373云南广东图3.8同塔架设直流的示意图Fig.3.8schematicofdoublecircuitHVDCC1—云南极Ⅱ导线；C2—广东极Ⅰ导线；C3—云南极Ⅰ导线；C4—广东极Ⅱ导线；G—地线；对地距离均为悬挂高度；大地平均电阻率ρ=100*m；图中线路单位均为m。图3.9直流同塔线路的杆塔布置Fig.3.9TowergeometrystructureofdoublecircuitTransmissionlines项目导线型号外径/cm直流电阻分裂间距/cm塔上悬挂高度/cm弧垂/m大地平均电阻率线路架空线4×ACSR-720/50GJ-1003.6231.30.39841.56675033.046.51814100.0100.0表3.10±800kv直流线路杆塔的导线和地线参数Tab.3.10parametersofconductorandgroundwirefor±800kvDCline3.4.2仿真研究为分析同塔架设直流间的互相影响，在电磁暂态程序中建立起了云南、广东直流系统详细模型，直流控制与现场保持一致，模型主要参数见表2，同塔线路塔杆结构见图2，直流同塔线路按表1参数建立。调整研究模型的直流运行工况与系统调试期一致，极Ⅰ、极Ⅱ的直流功率分别为213、175mw。在研究模型中进行广东靠近广东极Ⅱ直流线路故障试验，仿真波见图3极Ⅱ直流线路故障期间导致极Ⅰ发生换相失败，仿真波形与图3给出的现场波形基本一致。线额定直流路电压/KV额定直流A额定功率MW直流线路长度/km平波电抗mH换流变容MVA换流变漏抗/%云南±500120012001112150Mh/站极366/33615广东±50012003000897150Mh/站极893/84616表3.11模型主要参数Tab.3.11Mainparametersofthemode注：换流变流量-/-,左边为整流站，右边为逆变侧仿真结果分析：㈠直流同塔架设线路直流系统的启动对健全极大的影响不大，与常规单回直流基本相当。㈡研究了一极直流线路故障对健全的影响，进行了广东直流线路靠近广东极Ⅱ直流线路故障试验。考虑到直流线路故障发生时刻的影响，将短路故障时刻移动半个周波，每50us计算1次，共计200次。统计发现，其中有50次极Ⅱ线路故障导致极Ⅰ发生换相失败。若将极Ⅰ设为极电流控制进行上述计算时，极Ⅰ仅有35次发生换相失败。这说明极Ⅱ直流线路发生故障期间若极Ⅰ处在双极功率控制，极补偿功能导致极Ⅰ直流上升也是导致其换相失败的一个原因。此外研究发现，在极Ⅰ逆变器换相期间若发生极Ⅱ线路故障更容易导致极Ⅰ发生换相失败，因此不是每次直流线路故障都会引起健全极发生换相失败，是否会引发健全极发生换相失败与线路故障发生时刻有关，典型波形见图3㈢此外在研究模型中进行了极Ⅱ金属回线广东丢失单次脉冲试验，仿真波形图见4.在广东站发生丢失脉冲故障后，云南站也发生了换相失败，仿真与现场波形基本一致。由仿真结果可知，广州直流发生丢失脉冲故障导致云南直流发生换相失败的原因为：①同塔直流线路间的电磁感应；②广东站与云南站逆变站电气距离较近，广州站丢失脉冲故障导致云南站换流母线电压发生畸变也会影响到广东站；③云南换流母线的强度，研究发现若适当增加云南站换流母线的短路容量，使交流系统强度增加，这云南站可以避免在此情况下发生换相失败。由上述分析可知，云南直流线路采用同塔架设后导线排列更加紧凑，线路间的耦合更加紧密，一方面一极直流线路故障可能导致本回健全极发生换相失败，而且在一回直流发生丢失脉冲故障时也会导致另外一回直流发生换相失败。3.5本章小结影响感应电压和电流的主要因素有：线路运行状况（停运线路接地电阻大小、接地位置、运行线路负荷及运行线路操作等)、平行线路长度、相间及回路间距离、导线高度以及线路的换位情况等。两回路同塔的长度不同时，感应电流中静电耦合部分不同，电流随线路长度的增加而增加。㈠直流线路采用同塔架设后导线排列更加紧密，但各级导线间的耦合关系不会影响同塔直流输电系统的稳态运行。㈡同塔架设直流输电系统的单极/双极起动，对健全和另外一i回直流输电系统影响不大，单极起动对健全极的影响与常规直流基本相当。㈢同塔架设直流输电系统发生直流线路故障对健全极的影响比常规单回直流大，线路故障期间可能导致健全极逆变器发生换相失败，是否发生换相失败与同塔直流线路塔杆结构、直流线路故障发生时刻及健全极的控制模式有关。㈣同塔架设直流输电系统滤波器变电站一极发生脉冲丢失故障可能引起另外一回直流发生换相失败，同塔直流线路机构、同塔架设直流2个逆变器间的电气距离和交流系统强度是主要影响因素。第四章云广工程实际参数的电磁暂态分析4.1前言云广直流作为世界上第一条特高压直流输电工程尚无太多经验可以借鉴。特高压直流极间线路之间存在一定程度的电磁耦合，这一耦合作用在雷电冲击的情况下特别明显，且影响到了另一极的稳定运行。云广直流2010年8.19和2011年6.5的两次双极相继闭锁事故中都是因为一极线路故障而引起了另一极电流电压的波动从而使另一极保护动作，并最终导致双极相继闭锁。云广工程在设计时并没有考虑到线路之间存在如此大的电磁耦合关系，控制保护系统的设计也只是基于本极的电流电压变化特性，并没有考虑到对极故障对本极造成的干扰。为了节省线路走廊，直流线路同塔并架在直流工程中也开始出现。兴安直流也因为征地等原因，部分直流线路和接地极线路采用了同塔并架的方式，也正是因为这种方式，发生多次因为极线路故障而导致接地极线路保护动作，目前关于这方面的研究只集中在如何防雷等措施上。正在建设的溪洛渡送电广东同塔双回直流工程中，两回直流的线路即架设在同一个杆塔上。这两回直流四条直流输电线路相互之间存在复杂的电磁耦合关系，既出现同一回直流的不同线路间，也包括不同回直流线路之间。当任一线路发生故障时对其它三条线路的影响机制及分析方法，相关直流系统控制保护的响应特性等问题，目前都研究较少。国网公司也建有一个同塔双回直流输电工程，相关研究人员做过一些仿真分析，但也仅限于两回直流之间，并未研究同一回直流不同极线之间的影响。而针对相关问题的分析模型与方法、研究手段、工程试验等方面，国内外都还基本处于空白。本项目紧密结合南方电网直流输电系统运行实际，研究成果不仅对现有直流工程的安全可靠运行具有指导作用，而且对于在建的直流工程具有重要的参考价值。4.2云广工程数学仿真模型4.2.1云广特高压直流输电系统的模型参数仿真模型元件参数的准确性直接决定着该模型对直流输电系统模拟的准确程度，本论文以云广特高压直流输电系统为研究对象，根据设计单位对云广特高压直流输电工程的实际设计参数，建立云广特高压直流输电系统仿真元件模型，该模型完全反映云广特高压直流系统实际参数，具有很高的可信度．4.2.2交流系统参数云广特高压直流输电系统整流侧及逆变侧交流系统参数如下：云南侧楚雄换流站交流系统远期最大短路电流约47.8ｋA，短路容量约为43191M，近期最大短路容量取值18000～24000MVA，最小短路电流8～9ｋA，最小短路容量7275～8184MVA；广东侧穗东换流站交流系统最大短路电流53.8ｋA，最大短路容量约48922MVA，最小短路电流26KA，最小短路容量约23642MVA［5－7］．4.2.2交流滤波器楚雄换流站配置４大组交流滤波器，滤波器4大组的分组方案如下：ACF1：DT11／24＋DT13／36＋HP3＋2×SC；ACF2：DT11／24＋DT13／36＋2×SC；ACF3：DT11／24＋DT13／36＋2×SC；ACF4：DT11／24＋DT13／36＋HP3＋2×SC．其中，交流滤波器的分组接线图如图4.1所示．图4.1交流滤波器分接线图Fig.4.1wiringdiagramofACfilter交流滤波器参数如表4.2.1所示．穗东换流站交流滤波器配置及参数与楚雄换流站相同．4.2.3直流滤波器楚雄站直流滤波器的配置按每极两组三调谐滤波器考虑，接线形式如图4.2.2，穗东换流站直流滤波器的配置及参数与楚雄换流站相同．图2中C1＝2．0μF，L１＝11．773ｍH，C2＝3．415μF，L2＝10．266ｍH，C3＝11．773μF，L3＝4．77ｍH．4.2.4平波电抗器楚雄换流站平波电抗器每极按极母线和中性母线各装设2台75ｍＨ的干式平波电抗器，穗东换流站平波电抗器设置及参数与楚雄换流站相同．4.2.5换流阀楚雄换流站及穗东换流站的阀组采用每极2个12脉动换流单元串联接线的接线方式，2个12脉动阀组串联电压按±（400＋400）ｋＶ分配．4.2.6换流变压器楚雄换流站换流变压器为单相双绕组变压器，单台容量250.21MVA，接线型式为Y0／Y及Y0／△两种，换流阻抗0.18，网侧绕组额定电压525ｋV，Y0／Y接线型式阀侧绕组额定电压169．85／槡3ｋV，Y0／△接线型式阀侧绕组额定电压169．85ｋV．仿真模型采用三相双绕组变压器，单台容量750．63MVA，接线型式为Y0／Y及Y0／△两种，换流阻抗0．18，网侧绕组额定电压525ｋV，阀侧绕组额定电压169．85ｋV．穗东换流站换流变压器仿真模型采用三相双绕组变压器，单台容量750．63MVA，接线型式为Y0／Y及Y0／△两种，换流阻抗0．18，网侧绕组额定电压525ｋV，阀侧绕组额定电压160．5ｋV．4.2.7直流输电线路云广特高压直流输电线路全长1418ｋｍ，沿线大地电阻率平均值为1000Ｏｈｍ·ｍ，各线路的杆塔及导线参数如表4.2所示．滤波器类型DT11/24DT13/36HP3SCC1L1R1C2L2UfMHOHMUFMH2.14912.8535005.6399.5072.1536.2425003.8679.0582.160685.909180014.7722.1592.039表4.2交流滤波器参数Tab.4.2ParameterofACfilter图4.3直流滤波器接线图图4.4云广特高压直流杆塔模型及参数Fig.4.3WiringdiagramofDCfilterFig.4.4ModelandparameterofYunnan-GuangdongUHVDCtower表4.5直流输电线路参数Tab.4.5ParameterofDCtransmissionline根据表4.2.4中杆塔参数，可建立云广特高压直流输电杆塔模型及参数如图4.2.3所示。4.3电磁耦合机理仿真研究同塔路线路由于其线路参数的改变，在线路运行过程中其某一回路或某一相产生故障时，故障干扰将耦合到其他回路，因此在设计同塔路线路时，需要对其线间耦合干扰进行分析。假设线路是三相电压对称且均匀换位的理想运行状况，根据已知线路的参数可以计算出其等效电阻、电抗和电纳（电导一般取值为0），然后根据线路之间的分布式电容模型即可仿真出交流线路在直流线路上的感应电压值。采用PSCAD软件对线路间耦合干扰进行计算分析，假定同塔四回路间有一回路产生了故障，则对其中另一回路的干扰可以用图12所示的模型进行计算分析，其中S1、S2、S3为干扰源回路，C1S1、C1S2、C1S3、C2S1、C2S2、C2S3、C3S1、C3S2、C3S3分别为干扰源对其他回路间的分布电容，C10、C20、C30分别为交流线路的对地电容，C12、C13、C23为交流线路相互间的等效电容。图4.5同塔线路间耦合干扰分析模型这里仍以前面所计算的同塔四回110ｋV线路为例，当线路电压为其最高电压，即u＝1.15×110ｋV＝126.5ｋV时，此时间段得到其在杆塔同侧的三相线路的耦合干扰为3.588、1.450、0.291ｋV。因此可以看出：如果干扰电压升高，其线间容性耦合干扰也会随之增大，严重时将造成其他线路的过电压。因此在采用同塔四回线路时，需要对其故障时的线间耦合干扰进行分析。4.4现有线路运行模式下的固有缺陷与防范措施及解决方案云广直流输电系统落点穗东换流站在调试、运行期间，多次发生双调谐交流滤波器（DT13/36型）电容比值不平衡保护异常动作跳闸、且两套冗余保护系统动作行为不一致的事故。这既干扰了直流系统的正常运行，严重危害了交流高压开关、高压电容器等设备的安全，也给现场维护人员带来很大困惑。本文根据云广直流穗东站现场运行过程中交流滤波器保护的几起异常、跳闸事故，分析了保护动作行为不一致的原因及保护设计不合理之处，提出保护延时改进措施，同时在RTDS上进行了仿真试验和故障录波回放试验。4.4.1电容比值不平衡保护的原理及配置云广直流穗东站交流滤波器保护功能通过数字式多微处理器系统SDR-101A继电装置实现。各种类型的交流滤波器小组保护配置相同，每一小组由两套保护系统构成冗余配置，两套系统在物理和电气上完全独立。穗东换流站DT13/36型双调谐交流滤波器中配置了电容比值不平衡保护，以保证正常电容器单元不受电容器单元故障损坏而产生的过应力的损害。电容比值不平衡保护的原理是通过检测不平衡支路的电流变化来达到识别电容器损坏的目的。电容比值不平衡保护的判据为IT2/IT3>Kset，其中IT2为中间桥接线的不平衡电流，IT3为接地侧电流，电流均为经过全周傅氏算法计算得到的基波电流。穗东换流站该保护分3段，其中3段保护定值Kset=0.459，经整定延时50ms出口跳闸。4.4.2运行实例2009年6月5日及8月10日，直流系统功率上升过程中，584交流滤波器自动投入，随即电容比值不平衡3段保护动作跳闸。两起跳闸事故中，584交流滤波器小组保护系统均只有系统2出口跳闸，而系统1无动作信号，并未出口。4.4.3保护动作行为分析SDR-101A继电保护装置采用双CPU插件，装置有两个完全冗余的CPU，保护判据由两个CPU独立计算、判断，两个CPU采用“与”门的出口方式。只有当两个CPU均动作时，出口继电器才会励磁。事故发生后，读取保护装置内故障录波。录波显示，6月5日及8月10日584交流滤波器的两次跳闸中，保护系统2两个CPU均动作，满足“与”门出口条件，系统2出口跳闸；而保护系统1只有CPU2动作，不满足“与”门出口条件，故系统1不会出口跳闸。2.2故障录波分析根据以上分析，可以确定保护动作行为的不同是由于CPU动作的差异所致。导致CPU出现动作差异的原因分析如下。由于交流滤波器中大量电容器件的充放电过程，在直流系统和交流系统的各种特殊工况下，如投切滤波器、直流功率调整、电网扰动等，会导致交流滤波器上流过较大的冲击电流。图1和图2是2009年8月10日功率调整期间584交流滤波器跳闸时，584交流滤波器保护系统2内CPU1和CPU2所记录的电流波形。对比图1和图2可见，功率调整使得滤波器投入时，滤波器不平衡支路流过较大的瞬时性冲击电流，而同一套保护系统的两个CPU对冲击电流的录波波形相差较大。SDR-101A装置的两个CPU各自有独立的采样、A/D转换模块。由于两个CPU之间没有采样同步信号，因而采样的数据点并不完全一致。SDR-101A装置的采样率为24点/周波，在有冲击电流的暂态过程中，由于冲击电流的变化率很大，CPU之间微小的采样时差会引起较大的数据偏差，出现图1和图2之间波形上的差异。采样数据的差异直接导致全周傅氏算法的计算结果不同。由于暂态冲击电流的作用，同一保护系统内的两个CPU感受到不同的采样值，导致计算结果存在偏差。若其中一个CPU计算结果未达到动作值，则该CPU不会动作。可以断定，这就是2个CPU动作不一致的原因所在。图4.6584保护系统2cpu1故障录波Fig.4.6FaultRecordingofCPU1in582ACFprotection2图4.7584保护系统2CPU2故障录波Fig.4.7FaultrecordingofCPU2in584ACFprotection4.4.4存在问题分析图1的故障录波可见，不平衡电流与接地侧电流之比IT2/IT3在达到电容比值不平衡3段动作定值0.459A后，仅延时25ms便置跳闸标志位，而电容比值不平衡3段延时整定值为50ms。实际动作延时与延时整定值不一致。造成实际动作延时与延时整定值不同的原因是：保护装置从判断故障发生到继电器动作出口，其中包括了数据窗计算时间和继电器固有动作时间。考虑到以上两点，实际总会出现保护出口时间大于保护时间整定值的情况。为降低时间偏差，通常在软件里用整定时间值减去一个固定时间作为延时补偿。进行延时补偿的优点是保护的出口时间与延时整定值一致性较好，缺点是冲击条件下短延时保护容易误动。云广直流逆变侧SDR-101A系列小组滤波器保护在出厂前，针对延时整定值为50ms的电容比值不平衡3段保护进行了30ms的延时补偿，因此保护理论延时为50−30=20ms。这与图1所示25ms的动作时间基本一致。由此可见，造成交流滤波器保护频繁跳闸的原因是：滤波器投入时，滤波器不平衡支路上流过的冲击电流超过电容比值不平衡3段定值，而由于保护内部设置延时补偿，导致实际延时较短未躲过冲击，保护出口跳闸。4.4.5解决措施从图4.4.1、图4.4.2可知，冲击电流为瞬时性，持续时间仅为20~30ms。若保护延时能按照延时整定值50ms执行，则完全可以可靠躲过冲击电流，避免由于冲击所致的误动。针对以上情况，对软件进行修改。其保护范围、动作定值均未改变，与原有保护的区别在于：取消电容比值不平衡3段保护内原有的30ms延时补偿，使实际动作延时等于延时整定值50ms。4.5本章小结推导了考虑弧垂影响时同塔路输电线的三维电磁场计算方程，以现有110kv同塔四回线路为例，计算其三维电场和磁场的分布，并与其二维空间的电场与磁场进行比较。结果表明，当采用二维模型计算输电线的工频电场与磁场时，其电场与磁场与三维空间下计算结果的误差分别为11．2％与7．1％。计算分析了相间距对同塔四回路线路的工频电场以及传输功率的影响。结果表明，对于同塔四回路输电线，在安全允许的条件下，相间距越小，其工频电磁场越小，传输功率越大，建议在城市电网的增容改造中采用紧凑型四回路输电线。此外，还对四回线路中一个回路出现故障时，其对杆塔同侧的线路耦合干扰进行了分析。结果表明，当其中一回路电压过高时，其对杆塔同侧的影响不能忽略。电容比值不平衡保护配置的目的是防止故障时交流滤波器损坏，功率调整、滤波器投入期间该保护屡次异常跳闸，原因在于保护软件内部设置延时补偿，导致实际延时较短，未能有效躲过冲击电流。本文在分析保护的动作行为、指出保护延时设计缺陷，提出延时改进措施，进而利用RTDS数字仿真系统进行了数据回放，并模拟再现直流功率升降、滤波器组投入的过程。试验结果表明，修改后的保护可以有效避免冲击电流造成的误动。第五章结论及未来研究方向5.1结论两回路同塔的长度不同时，感应电流中静电耦合部分不同，电流随线路长度的增加而增加。㈠直流线路采用同塔架设后导线排列更加紧密，但各级导线间的耦合关系不会影响同塔直流输电系统的稳态运行。㈡同塔架设直流输电系统的单极/双极起动，对健全和另外一i回直流输电系统影响不大，单极起动对健全极的影响与常规直流基本相当。㈢同塔架设直流输电系统发生直流线路故障对健全极的影响比常规单回直流大，线路故障期间可能导致健全极逆变器发生换相失败，是否发生换相失败与同塔直流线路塔杆结构、直流线路故障发生时刻及健全极的控制模式有关。㈣同塔架设直流输电系统滤波器变电站一极发生脉冲丢失故障可能引起另外一回直流发生换相失败，同塔直流线路机构、同塔架设直流2个逆变器间的电气距离和交流系统强度是主要影响因素。5.2未来研究方向特高压直流极间线路之间存在一定程度的电磁耦合，这一耦合作用在雷电冲击的情况下特别明显，且影响到了另一极的稳定运行。云广直流2010年8.19和2011年6.5的两次双极相继闭锁事故中都是因为一极线路故障而引起了另一极电流电压的波动从而使另一极保护动作，并最终导致双极相继闭锁。雷电流频率范围较大，且含有较多高次谐波，而设计阶段直流线路对于线路耦合的研究只停留在低频分量，而控制保护逻辑之间的配合也只是基于本极的电流电压变化特性，并没有考虑到对极故障对本极造成的电磁耦合，特别是高频电流的电磁耦合。为了节省线路走廊，线路同塔并架在交流输电系统中较为常见，同塔两回或多回直流线路同杆并架的现象在交流系统出现较多，同杆线路相互影响以及同杆线路跨线故障等的影响方面的研究也较多。近年同杆并架在在直流工程中也开始出现。但直流线路在设计之初对频率特性的考虑不全面，针对线路之间电磁耦合机理研究不够彻底。兴安直流也因为征地等原因，部分直流线路和接地极线路采用了同塔并架的方式，可能因为这种线路架设方式的存在，发生多次因为极线故障而导致接地极线路保护动作，国网公司在三沪直流投运之前针对