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摘要：接地极系统在特高压直流输电系统中起着重要作用，它的主要作用是钳制中性点电位以及在单极大地回线方式运行时为直流输电系统提供回路，如果接地极线路发生故障时会对直流输电系统产生重要的影响，将直接威胁输电系统的安全和稳定。基于此，本文对特高压直流输电系统接地极线路保护配置方案优化建议进行分析。
关键词：接地极；线路保护；建议
引言
接地极是特高压直流输电工程重要的组成部分，起到为双极不平衡电流提供通路以及钳制中性点电压的作用。为防止大量直流电流入地造成的电磁效应、热力效应以及电化效应对换流站周边的人畜以及电力设备造成显著的影响，接地极距离直流换流站往往有几十甚至上百公里，换流站与接地极之间的电气连接则主要依靠接地极引线实现。
过长的距离不仅极大地增加了接地极引线的投资成本，也增加了接地极引线故障的概率，还造成换流站中性点电位抬高，增加了接地极引线保护和绝缘配置的难度。实际运行中，已多次发现接地极线路保护不正确动作的情况。也有不少学者针对接地极线路保护不正确动作的案例做了分析研究。若能对接地极线路保护存在缺陷进行原理性的分析，则有助于改进接地极线路保护策略，保证直流输电系统的安全运行。
在介绍接地极线路保护配置的基础上，通过理论分析，厘清了接地极不平衡保护和阻抗监视存在的缺陷，并有针对性地提出了相关优化和改进建议。
1直流输电基本原理
通常800kV直流输电主回路，每个12脉动换流器之间是独立开来的。若有单个12脉动换流器发生异常现象，系统控制程序便会断开两侧的直流旁路开关，保证故障不影响系统的整体运行。并在故障处理完成后，控制程序必须在另一个12脉动换流器正常工作时，将去除故障的12脉动换流器并回主回路中。整个工程中，控制系统必须严格按照设定程序进行，最大程度的减小对交直流系统的干扰。这就是特高压直流工程控制的主要难点。
稳态情况运行的时候，控制系统需要保持两个串联的换流器能够稳定对称运行。在技术限制的情况下，难免会有测量精度不高以及控制误差，所以需要更高要求的控制逻辑来避免同极的一个换流器以最小触发角运行，而另外一个换流器却处于额定电流控制下的稳态的不正常情况。经过试验仿真研究表明，这种状况下两个换流器端电压差很高，可能达到50kV以上，这是很危险的状况。所以，必须极力防止出现由于系统的设备故障引起的直流线路单极脱离运行的状况。
2现有接地极线路结构
接地极线路的连接方式如图1所示。
由图1可知，考虑到接地极线路最大流过电流可达数千安培，现有特高压直流工程接地极线路采用同杆双回并架的方式布置，两回接地极线路并列运行。杆塔常采用“十”字形塔，1根地线挂在塔顶，2根导线分挂在杆塔两侧，呈水平排列。每回接地极线路采用双分裂导线，两根子导线水平排列。
3接地极线路保护性能分析
3.1接地极线路不平衡保护性能分析
接地极线路不平衡保护依赖于两根线路间的差动电流，对于±800kV/5000A的特高压直流输电工程，其典型判据为
IDEL_DIFF=|IDEL1－IDEL2|＞Iset
式中，Iset为不平衡保护门槛值，取为100A
为了校核该保护的灵敏度，忽略接地极线路中的暂态分量，仅考虑单回线路金属接地的方式，可将双回接地极线路等值为如下图所示的模型。
由此可见，线路不平衡监测并不能保护线路全长，可以得到以下结论:
1)双极不平衡电流越小，保护灵敏度越低。双极平衡运行时，接地极线路单回接地并不能有效动作，即使不平衡电流达到5000A，在线路末端依然有4%的死区。2）当单回线路出现非金属性短路时，过渡电阻会使得保护灵敏度进一步缩小。3）特别地，当接地极线路双回线路同点接地时，由于故障后两根线路的电流依然相等，不平衡监视无法可靠动作。如2014年6月5日特高压宾金直流调试期间线路双回同点接地，在该故障下接地极线路不平衡监视未能可靠动作。
3.2接地极线路阻抗监视性能分析
接地极阻抗监视通过对线路阻抗的测量实现对故障状态的判断，由于双极平衡运行工况下接地极线路上无直流电流流过，为保证监视功能的可靠性，阻抗监视装置将持续向线路注入13．95kHz的高频电流，用以进行阻抗计算。
为了防止高频电流侵入换流站，接地极线路两侧装设了带阻滤波器实现了对注入信号的阻断，但由于接地极址侧的滤波器装置有并联匹配电阻，因此在计算线路正常运行时的阻抗，应该计及并联电阻的影响。
正是由于测量阻抗与故障距离间的周期性变化，导致阻抗监测装置无法采用传统距离保护的整定原则，而是通过测量阻抗与正常阻抗的偏差进行监测。但由于输入阻抗频率较高，阻抗的测量值受单位长度的电感、电容值影响极大，单位长度参数些许的变化，将会导致测量值出现明显变化。
由阻抗监视原理整定方法可知，整定值是关于输电线路单位长度电阻、电感和电容的函数。然而，由于以下三点原因，通过实测方法获得的线路参数往往存在着误差:
1)输电线路的电容、电感、电阻等物理量属于频变参数，利用低频信号测得的线路参数直接使用势必带来误差；2）线路参数测试设备本身存在0．5%～2%的测量误差；3）随着环境温度、湿度等变化，线路参数也会略有变化。
设定线路参数的真实数值与实测结果如表1所示。为突出特点，设定线路测量参数中仅有电容存在1%的误差，电感、电阻测量结果则为准确值。
4接地极线路保护建议
4.1改进保护策略
针对接地极组成结构，分别在两条接地极线路的近站端和极址端安装专用的电子式电流互感器，在原有接地极不平衡保护的基础上实现纵联电流差动保护，通过横向和纵向比较两条接地极线路的差动电流实现对故障类型的辨识，提高保护动作的灵敏性和可靠性。
4.2提高保护隔离故障的能力
接地极线路保护均已告警作为出口，后续的故障隔离均需依赖人工进行。因此，在接地极线路保护出口后增加合理的顺序控制行为，是提高保护有效隔离故障能力的重要保障。可考虑以下3种隔离故障的顺序控制行为:
1)自动双极平衡功能；2）自动大地回线方式转金属回线方式功能；3）利用NBGS辅助熄弧功能。
结语：
在掌握接地极线路不平衡保护和阻抗监视原理的基础上，理论分析了两种保护的保护性能，得到以下结论:
1)接地极线路不平衡保护无法保护接地极线路全长，保护的灵敏性与双极不平衡电流和过渡电阻有关，不平衡电流越小，保护灵敏性越低；过渡电阻越大，保护灵敏性越低。同时，不平衡保护不具备监测接地极线路双回线同点故障的能力。2）由于注入信号的频率过高，阻抗监视装置的测量阻抗与故障距离呈现周期变化，传统距离保护的整定原则无法适用。利用测量阻抗与正常阻抗偏差实现的整定方法受线路参数变化的影响，导致阻抗监视在实际运行中有拒动的可能。3）进一步改进接地极线路的保护策略，提高保护的故障隔离能力，是保证直流系统安全运行的有效措施。
参考文献：
[1]滕予非，汤涌，周波，焦在滨，庞广恒.基于高频电压突变量的特高压直流输电系统接地极引线故障监测方法[J].高电压技术，2016，42（01）:72-78.
[2]滕予非，王鱼，焦在滨，张纯，庞广恒.特高压直流输电系统接地极引线阻抗监视策略[J].电工技术学报，2016，31（11）:157-164.