基于高频电流注入的接地极引线故障监视方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及特高压直流输电线路监控技术领域，具体涉及一种基于高频电流注入 的接地极引线故障监视方法。
【背景技术】
[0002] 特高压直流输电技术具有输送容量大、输电距离远、控制性能强等优点，在电能的 远距离传输及区域电网互联中发挥了举足轻重的作用。接地极是特高压直流输电系统的重 要组成部分，主要起到提供大地回流通路、建立系统电压参考点等作用。随着特高压直流输 电工程的不断建设和投运，接地极的极址选择日趋困难，同时考虑到直流偏磁对换流站设 备的影响，某些特高压直流输电工程的接地极距离换流站距离已超过l〇〇km，给接地极引线 的保护带来严重的影响。此外，当特高压直流输电系统以双极平衡方式或者单极-金属回线 方式运行时，接地极引线上无电流，给接地极引线的故障识别和处理带来了极大的挑战。
[0003] 传统的接地极引线保护广泛采用电流不平衡保护原理，通过检测并列运行的两条 接地极引线上直流电流不平衡度识别接地极引线故障，该方法具有很强的灵敏度。传统方 式中也有将电流差动保护及过流保护应用于接地极引线的故障识别中，取得了较好效果。 然而，以上方法均只能用于单极-大地回线运行方式，无法在双极平衡方式或单极-金属回 线方式运行时及时发现接地极引线存在的隐患，可能导致在直流工程切换至单极-大地回 线运行方式后发生故障，危及人畜生命安全。
[0004] 为解决双极平衡方式运行时接地极引线故障识别问题，现有技术中提出了基于注 入法的故障监视原理，采用注入脉冲信号和高频信号的方法检测相应的反射波和高频阻 抗，进而识别故障。但由于接地极引线高频及暂态特征的研究并不充分，现有的阻抗监视策 略在实际运行过程中存在拒动的情况，接地极引线故障监视结果的可靠性较低。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的是现有技术中基于注入法监视特高压直流输电接地极引线故 障可靠性低的问题。
[0006] 本发明通过下述技术方案实现：
[0007] -种基于高频电流注入的接地极引线故障监视方法，包括:在接地极引线首端注 入高频电流信号，高频电流信号的频率满足不等式：
，其中，It为接地极 弓丨线的长度，fin为高频电流信号的频率，U为接地极引线单位长度的电感量，&为接地极引 线单位长度的电容量;在注入高频电流信号的同时测量接地极引线首端的同频电压信号； 根据接地极引线测量阻抗的模值等于同频电压信号的幅值与高频电流信号的幅值之比获 得接地极引线测量阻抗的模值;在接地极引线测量阻抗的模值小于整定值时判定接地极引 线存在故障。
[0008] 现有的基于注入法的接地极引线阻抗监视方法，不能保证接地极引线测量阻抗随 故障距离增加而单调变化，因而在实际运行过程中存在拒动的情况。本发明通过对接地极 引线进行全频段阻抗-距离的特性分析，给出了注入的高频电流信号的频率选择范围，在此 范围内可以保证接地极引线测量阻抗随着故障距离的增加而单调增大，提高了监视特高压 直流输电接地极引线故障的可靠性，降低了接地极引线故障识别判据的整定难度。并且，现 有的基于注入法的接地极引线阻抗监视方法需要注入频率为上万赫兹的电流信号，而本发 明注入的高频电流信号的频率与接地极引线长度成反比，对于100千米长的接地极引线，需 要注入的高频电流信号的频率仅为几百赫兹，因而对测量同频电压信号的信号采样装置无 特殊要求，方便实施。
[0009]可选的，高频电流信号的频率还满足不等式：
>其中，H为圆周率，ki为第 一可靠性系数且为接地极引线正常运行阻抗。通过进一步限定注入的高频 电流信号的频率范围，当接地极引线发生金属性短路故障时，最大的接地极引线测量阻抗 的模值小于接地极引线正常运行阻抗的模值，且留有一定的裕度，从而保证本发明提供的 接地极引线故障监视方法能够可靠地识别接地极引线的全线故障，并具有一定的耐过渡电 阻的能力。
[0011] 可选的，整定值为k2X |Zn_ai|，其中，k2为第二可靠性系数且0<k2<l。
[0012] 可选的，接地极引线正常运行阻抗根据
确定，其中，Z_mal (s)为复频域中的接地极引线正常运行阻抗，
RP为接地极引线末端并联电阻的电阻值。
[0013] 可选的，接地极引线采用同杆双回方式架设且接地极引线首端和接地极引线末端 互联。
[0014] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0015] 本发明提供的基于高频电流注入的接地极引线故障监视方法，在接地极引线首端 注入高频电流信号，同时通过测量接地极引线首端的同频电压信号，间接获得接地极引线 测量阻抗的模值，根据接地极引线测量阻抗的模值和整定值之间的关系可以判断出接地极 引线是否发生故障。本发明提供的接地极引线故障监视方法给出了高频电流信号的频率选 择范围，保证接地极引线测量阻抗随故障距离的变化关系是单调的，具有可靠地识别接地 极引线全线故障的能力和一定的耐过渡电阻的能力。
【附图说明】
[0016] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部 分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0017] 图1是本发明实施例的基于高频电流注入的接地极引线故障监视方法的流程示意 图。
【具体实施方式】
[0018]针对现有的阻抗监视策略在实际运行过程中存在拒动的情况，发明人对接地极引 线的全频带阻抗-距离特性进行了研究，将接地极引线模型简化为无损均匀传输线路与集 中参数电阻串联的形式。由输电线路波过程的微分方程推导，可以得到单回线路上任意两 点间电压、电流关系满足：
[0023]式（1)~式(4)中，UK和Ik分别为接地极引线上K点的电压和电流，Um和Im分别为接 地极引线上M点的电压和电流，Z。为接地极引线的波阻抗，y为接地极引线的传播系数，^为 接地极引线单位长度的电阻值，U为接地极引线单位长度的电感量，&为接地极引线单位长 度的电容量，1为接地极引线上M点与K点之间的距离。设定M点为阻抗监视装置安装处，阻抗 监视装置包括信号注入装置和信号采样装置，当接地极引线上K点发生金属性短路故障时， 有：
[0026]式(6)中，Ain为注入高频电流信号的波长。由此可见，当接地极引线上发生金属性 短路故障时，接地极引线首端注入角频率为的高频电流信号后，阻抗监视装置检测到的 线路阻抗Zfault为：
[0028]由上式可知，当接地极引线的长度超过注入高频电流信号的0.5倍波长时，一旦接 地极引线出现金属性短路故障，阻抗监视装置检测到的线路阻抗虚部会随故障距离在(_ ~，+~）范围内呈现周期性变化。当阻抗监视装置安装处与故障点之间的故障距离1满足式 (8)：
[0030]阻抗监视装置检测到的线路阻抗虚部的模值是1的单调增函数；当阻抗监视装置 安装处与故障点之间的故障距离1满足式(9):
[0032] 阻抗监视装置检测到的线路阻抗虚部的模值是1的单调减函数。其中，^为非负 整数。
[0033] 根据上述分析可知，当阻抗监视装置安装处与故障点之间的故障距离1小于注入 高频电流信号的〇. 25倍波长时，阻抗监视装置检测到的线路阻抗与故障距离之间的关系具 有单调性。然而，当阻抗监视装置安装处与故障点之间的故障