特高壓直流輸電技術(shù)由于其具有輸送容量大、可控性能好、無需考慮同步問題等優(yōu)點，逐漸成為大型電力能源基地集中遠距離輸送的首選技術(shù)。接地極是特高壓直流輸電系統(tǒng)重要組成部分，主要起到鉗制中性點電壓、為不平衡電流提供通路等作用。

然而，隨著特高壓直流工程的快速發(fā)展，接地極址的選擇日益困難。為避免直流偏磁對換流站設(shè)備產(chǎn)生影響，部分已投運的直流工程接地極址與換流站間的距離已超過100km，而部分設(shè)計中的特高壓直流工程，接地極址距離換流站甚至接近200km。長距離接地極線路發(fā)生短路故障的概率已不容忽視。

根據(jù)接地極線路同桿雙回的架設(shè)特點，現(xiàn)有特高壓直流輸電工程接地極線路保護常采用不平衡原理。該原理通過檢測流經(jīng)雙回接地極線路中直流電流的不平衡度，對接地極線路故障進行辨識。然而在特高壓直流某些運行方式下，流經(jīng)接地極電流為0，不平衡保護在原理上存在死區(qū)，難以適應(yīng)直流系統(tǒng)不同的運行方式。

為了解決接地極線路無直流電流通過時故障可靠判別問題，有學者提出了基于高頻電流注入的接地極線路阻抗監(jiān)視策略，并在德寶、賓金、靈紹等國內(nèi)多個超特高壓直流輸電工程中得以應(yīng)用。該策略通過信號注入裝置向接地極線路注入高頻正弦電流信號，并通過測量信號注入點的同頻電壓幅值，計算出接地極線路的阻抗變化，用以反映線路運行狀況。

然而，實際運行情況卻表明，由于對不同運行狀態(tài)下的高頻信號響應(yīng)特征的研究尚不充分，接地極線路阻抗監(jiān)視策略存在明顯缺陷，拒動、誤動現(xiàn)象時有發(fā)生。例如，在2014年6月，某特高壓直流輸電工程調(diào)試期間，接地極線路掉入水塘，基于高頻注入信號的阻抗監(jiān)視原理未能正確動作，造成較為嚴重的經(jīng)濟損失。

為了改善基于注入法的接地極線路故障檢測系統(tǒng)性能，有學者從降低注入頻率、改進故障判據(jù)等多個方面出發(fā)，提出了改進策略。有學者在對輸電線路的全頻帶阻抗-距離特性進行了理論分析的基礎(chǔ)上，提出了注入信號頻率選擇的單調(diào)性原則與可靠性原則。

然而，根據(jù)上述原則，注入信號頻率將降低為現(xiàn)有工程常用頻率的1/50，線路兩側(cè)阻波器成本將明顯增加。有學者則利用電壓突變、電壓駐波比等判據(jù)對監(jiān)視策略進行了改進，提升了監(jiān)視系統(tǒng)的靈敏度。然而，深入分析表明，由于對接地極線路高頻故障阻抗特征認識不夠清晰，在特定工況下阻抗監(jiān)視系統(tǒng)拒動的情況依然存在。

基于此，本文從波動方程出發(fā)，深入分析了特高壓直流輸電系統(tǒng)接地極線路正常運行及不同接地故障條件下的高頻測量阻抗特性，并針對接地極線路長度等于注入信號半波長整數(shù)倍這一特殊工況進行細致分析?；谏鲜龇治鼋Y(jié)論，研究特高壓直流接地極線路阻抗監(jiān)視系統(tǒng)可靠性，為注入信號頻率選擇提供了參考依據(jù)。最后利用PSCAD電磁暫態(tài)仿真程序?qū)Ρ疚慕Y(jié)論的有效性進行了仿真驗證。

圖1 基于高頻電流信號注入的接地極線路故障監(jiān)視裝置

結(jié)論

本文對基于高頻注入法的特高壓直流接地極線路保護的拒動問題進行了研究，深入分析了保護的拒動機理。研究表明，保護拒動的主要原因是接地線路長度與高頻注入信號頻率不匹配，在某些特殊位置發(fā)生單回線接地故障后高頻測量阻抗偏差量過小，保護無法正確識別故障。

本文計及線路參數(shù)誤差的影響，提出了最優(yōu)注入信號頻率的選取方法和改進保護方案。利用PSCAD仿真軟件搭建某實際特高壓系統(tǒng)模型，對本文的分析結(jié)論和所提改進保護性能進行了研究和分析。

仿真結(jié)果表明本文對保護拒動的原因分析完全正確，所提改進保護方案可消除保護死區(qū)，較傳統(tǒng)保護方案在可靠性方面有顯著提高。后續(xù)將開展阻波器頻譜特性對阻抗監(jiān)視系統(tǒng)適應(yīng)性影響的研究。