基于高頻電流注入的接地極引線故障監視方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及特高壓直流輸電線路監控技術領域，具體涉及一種基于高頻電流注入 的接地極引線故障監視方法。
【背景技術】
[0002] 特高壓直流輸電技術具有輸送容量大、輸電距離遠、控制性能強等優點，在電能的 遠距離傳輸及區域電網互聯中發揮了舉足輕重的作用。接地極是特高壓直流輸電系統的重 要組成部分，主要起到提供大地回流通路、建立系統電壓參考點等作用。隨著特高壓直流輸 電工程的不斷建設和投運，接地極的極址選擇日趨困難，同時考慮到直流偏磁對換流站設 備的影響，某些特高壓直流輸電工程的接地極距離換流站距離已超過l〇〇km，給接地極引線 的保護帶來嚴重的影響。此外，當特高壓直流輸電系統以雙極平衡方式或者單極-金屬回線 方式運行時，接地極引線上無電流，給接地極引線的故障識別和處理帶來了極大的挑戰。
[0003] 傳統的接地極引線保護廣泛采用電流不平衡保護原理，通過檢測并列運行的兩條 接地極引線上直流電流不平衡度識別接地極引線故障，該方法具有很強的靈敏度。傳統方 式中也有將電流差動保護及過流保護應用于接地極引線的故障識別中，取得了較好效果。 然而，以上方法均只能用于單極-大地回線運行方式，無法在雙極平衡方式或單極-金屬回 線方式運行時及時發現接地極引線存在的隱患，可能導致在直流工程切換至單極-大地回 線運行方式后發生故障，危及人畜生命安全。
[0004] 為解決雙極平衡方式運行時接地極引線故障識別問題，現有技術中提出了基于注 入法的故障監視原理，采用注入脈沖信號和高頻信號的方法檢測相應的反射波和高頻阻 抗，進而識別故障。但由于接地極引線高頻及暫態特征的研究并不充分，現有的阻抗監視策 略在實際運行過程中存在拒動的情況，接地極引線故障監視結果的可靠性較低。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的是現有技術中基于注入法監視特高壓直流輸電接地極引線故 障可靠性低的問題。
[0006] 本發明通過下述技術方案實現：
[0007] -種基于高頻電流注入的接地極引線故障監視方法，包括:在接地極引線首端注 入高頻電流信號，高頻電流信號的頻率滿足不等式：
，其中，It為接地極 弓丨線的長度，fin為高頻電流信號的頻率，U為接地極引線單位長度的電感量，&為接地極引 線單位長度的電容量;在注入高頻電流信號的同時測量接地極引線首端的同頻電壓信號； 根據接地極引線測量阻抗的模值等于同頻電壓信號的幅值與高頻電流信號的幅值之比獲 得接地極引線測量阻抗的模值;在接地極引線測量阻抗的模值小于整定值時判定接地極引 線存在故障。
[0008] 現有的基于注入法的接地極引線阻抗監視方法，不能保證接地極引線測量阻抗隨 故障距離增加而單調變化，因而在實際運行過程中存在拒動的情況。本發明通過對接地極 引線進行全頻段阻抗-距離的特性分析，給出了注入的高頻電流信號的頻率選擇范圍，在此 范圍內可以保證接地極引線測量阻抗隨著故障距離的增加而單調增大，提高了監視特高壓 直流輸電接地極引線故障的可靠性，降低了接地極引線故障識別判據的整定難度。并且，現 有的基于注入法的接地極引線阻抗監視方法需要注入頻率為上萬赫茲的電流信號，而本發 明注入的高頻電流信號的頻率與接地極引線長度成反比，對于100千米長的接地極引線，需 要注入的高頻電流信號的頻率僅為幾百赫茲，因而對測量同頻電壓信號的信號采樣裝置無 特殊要求，方便實施。
[0009]可選的，高頻電流信號的頻率還滿足不等式：
>其中，H為圓周率，ki為第 一可靠性系數且為接地極引線正常運行阻抗。通過進一步限定注入的高頻 電流信號的頻率范圍，當接地極引線發生金屬性短路故障時，最大的接地極引線測量阻抗 的模值小于接地極引線正常運行阻抗的模值，且留有一定的裕度，從而保證本發明提供的 接地極引線故障監視方法能夠可靠地識別接地極引線的全線故障，并具有一定的耐過渡電 阻的能力。
[0011] 可選的，整定值為k2X |Zn_ai|，其中，k2為第二可靠性系數且0<k2<l。
[0012] 可選的，接地極引線正常運行阻抗根據
確定，其中，Z_mal (s)為復頻域中的接地極引線正常運行阻抗，
RP為接地極引線末端并聯電阻的電阻值。
[0013] 可選的，接地極引線采用同桿雙回方式架設且接地極引線首端和接地極引線末端 互聯。
[0014] 本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：
[0015] 本發明提供的基于高頻電流注入的接地極引線故障監視方法，在接地極引線首端 注入高頻電流信號，同時通過測量接地極引線首端的同頻電壓信號，間接獲得接地極引線 測量阻抗的模值，根據接地極引線測量阻抗的模值和整定值之間的關系可以判斷出接地極 引線是否發生故障。本發明提供的接地極引線故障監視方法給出了高頻電流信號的頻率選 擇范圍，保證接地極引線測量阻抗隨故障距離的變化關系是單調的，具有可靠地識別接地 極引線全線故障的能力和一定的耐過渡電阻的能力。
【附圖說明】
[0016] 此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本申請的一部 分，并不構成對本發明實施例的限定。在附圖中：
[0017] 圖1是本發明實施例的基于高頻電流注入的接地極引線故障監視方法的流程示意 圖。
【具體實施方式】
[0018]針對現有的阻抗監視策略在實際運行過程中存在拒動的情況，發明人對接地極引 線的全頻帶阻抗-距離特性進行了研究，將接地極引線模型簡化為無損均勻傳輸線路與集 中參數電阻串聯的形式。由輸電線路波過程的微分方程推導，可以得到單回線路上任意兩 點間電壓、電流關系滿足：
[0023]式（1)~式(4)中，UK和Ik分別為接地極引線上K點的電壓和電流，Um和Im分別為接 地極引線上M點的電壓和電流，Z。為接地極引線的波阻抗，y為接地極引線的傳播系數，^為 接地極引線單位長度的電阻值，U為接地極引線單位長度的電感量，&為接地極引線單位長 度的電容量，1為接地極引線上M點與K點之間的距離。設定M點為阻抗監視裝置安裝處，阻抗 監視裝置包括信號注入裝置和信號采樣裝置，當接地極引線上K點發生金屬性短路故障時， 有：
[0026]式(6)中，Ain為注入高頻電流信號的波長。由此可見，當接地極引線上發生金屬性 短路故障時，接地極引線首端注入角頻率為的高頻電流信號后，阻抗監視裝置檢測到的 線路阻抗Zfault為：
[0028]由上式可知，當接地極引線的長度超過注入高頻電流信號的0.5倍波長時，一旦接 地極引線出現金屬性短路故障，阻抗監視裝置檢測到的線路阻抗虛部會隨故障距離在(_ ~，+~）范圍內呈現周期性變化。當阻抗監視裝置安裝處與故障點之間的故障距離1滿足式 (8)：
[0030]阻抗監視裝置檢測到的線路阻抗虛部的模值是1的單調增函數；當阻抗監視裝置 安裝處與故障點之間的故障距離1滿足式(9):
[0032] 阻抗監視裝置檢測到的線路阻抗虛部的模值是1的單調減函數。其中，^為非負 整數。
[0033] 根據上述分析可知，當阻抗監視裝置安裝處與故障點之間的故障距離1小于注入 高頻電流信號的〇. 25倍波長時，阻抗監視裝置檢測到的線路阻抗與故障距離之間的關系具 有單調性。然而，當阻抗監視裝置安裝處與故障點之間的故障