一、成果简介：

接地极是(特)高压直流输电系统中不可或缺的重要组成部分，其间通常架设双导线并联的接地极线路。接地极线路走廊复杂，易发生故障。接地极线路发生故障后不仅影响直流输电系统的安全稳定运行，而且还会对直流输电设备安全和沿接地极线路人畜安全造成危害。接地极线路在系统双极平衡运行状态下没有运行电压以及极址点接地电阻很小的特点，决定了接地极线路故障定位有其特殊性和复杂性，多年来一直是影响重大却未解决的技术课题，对此课题研究较少，实际的实体试验和测试研究更少。本项目经过多年的研究，突破了接地极线路故障定位的关键技术，取得以下成果：

1、根据故障点、极址点电压唯一性，提出了基于直流分量、谐波分量、及其融合的接地极线路故障测距新算法，实现了全线可靠测距，并通过了工程实际应用验证。

2、针对接地极线路与架空输电线路拓扑结构的不同，研究了其行波传播特性的特殊性，提出了“基于数学形态学的脉冲信号提取算法”和“基于多分辨相关函数的脉冲信号识别算法”，有效地解决了注入信号折反射过程中的行波信号辨识问题，提高了定位精度。

3、提出了一种基于密集脉冲信号注入的接地极线路故障测距新方法，解决了单极、双极运行方式下，接地极线路故障测距问题。实验和试验验证了该方法的新颖性、正确性和有效性。

4、研制了国内首套高压直流接地极线路故障测距装置，在国内无国标、行标检定技术标准和规范可循的情况下，通过仿真计算、模拟实验、现场试验及在金中直流工程柳南换流站挂网运行，验证了上述理论及其装置的实用效果，

本项目产品在许昌开普国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心一次性通过全套型式试验，在中国电机工程学会组织的成果鉴定会上，鉴定委员一致认为“该项目成果总体居国际领先水平”；在中电联组织的产品鉴定会上，鉴定委员一致认为：“该产品总体达到国际领先水平。”

本项目申请发明专利24项、实用新型专利4项，登记软件著作权3项；出版专著1部，发表论文21篇，其中中文核心期刊14篇，英文7篇；制定IEEE国际标准1项。

本项目2018年与山东科汇公司签订了1个专利实施许可合同。项目成果已转化为产品，入选《南方电网公司新技术试点应用目录（2017-2018版）》和《超高压输电公司新技术试点应用实施方案(2017-2018)》，已在金中直流工程、禄高肇直流工程、楚穗直流工程投入使用，运行效果良好。

接地极线路故障测距系统构成示意图

接地极线路故障测距系统               接地极线路故障行波采集装置

二、技术优势及性能指标：

与同行业相比，在以下各方面均具有明显优势：

（1）原理：考虑了接地极线路及其复杂故障的情况，采用单端、双端信号和微分方程列写定位方程式，并用抗差估计理论，精确求得故障位置，填补了国内外接地极线路故障定位研究的空白，电机工程学会成果鉴定居国际领先水平。

（2）适用范围：适用于单极、双极等各种运行方式，能在暂态故障、稳态故障时和简单故障、复杂故障时精确定位。目前国外的SIEMENS和ABB公司研发的接地极线路故障定位方法和装置都尚未考虑。明显优于国外同类产品。

（3）鲁棒性：不受线路参数、线路间互感、过渡电阻、故障类型、故障点位置、系统运行方式以及GPS失效等因素的影响。可靠性与灵敏度均高于国内外的同类产品。

（4）其它辅助功能：具有专用的后台故障分析软件包和丰富的PC机管理、调试辅助软件包。其辅助功能优于国内外同类产品。

（5）具备自主知识产权。申请发明专利24项、实用新型专利4项，登记软件著作权3项；出版专著1部，发表论文21篇，其中中文核心期刊14篇，英文7篇；制定IEEE国际标准1项。

（6）研制了国内首套接地极线路故障测距系统，并成功应用到实际直流输电工程中，中电联产品鉴定达到国际领先水平。产品应用场景多，普适性广，市场潜在需求量大。产品列入了南方电网科技成果推广目录。

性能指标：

（1）实现接地极线路故障的可靠和灵敏检测

接地极线路正常运行时，其电压是双极直流系统不平衡电流在线路产生的压降，其值很小且其起端电压的幅值最大，越靠近极址点幅值越小。因此，当接地极线路发生故障时，于量测端观测到含有故障信息的信号非常微弱，特别是当故障靠近极址点，故障信号更加微弱，加之互感器的传变特性等影响，使得微弱的故障信号富含干扰信号。现场实际中的接地极线路的电流互感器的最大量程是以直流系统单极——大地方式正常运行下的负荷电流确定的，一般为 1~3kA。而双极直流系统正常运行下，流过互感器的电流仅为负荷电流的1%~5%。因此，接地极线路的互感器在如此大跨度的量程下，能否可靠地传变微弱信号对故障检测、接地极线路保护都至关重要。目前，对于直流接地极线路直流互感器的传变特性进行研究甚少，缺少实用的计及互感器传变特性的接地极线路故障检测方法。同时，现有的故障测距算法未考虑互感器传变特性对测距的影响。

（2）实现接地极线路故障信息不均匀下的测距

接地极线路不同于有运行电压等级的输电线路和配网线路。当故障位于不同位置，若忽略故障信息在线路传播引起的损耗，在其他条件相同的情况下，于量测端观测含有的故障信息是相同，这里称为故障信息均匀。而接地极线路起端电压最高，沿线路逐渐降低，极址点的电压最低，可见接地极线路不同位置故障，于量测端观测到的故障信息是不均匀的，特别是半线长之外稍远处接地故障与极址接地之间无明显电气区别。从理论上来说，若采用接地极故障本身产生的信息，单一原理测距算法很难在全线长内获得满意的测距精度和可靠性，因此能否采用不同原理、不同的量、构造不同的测距算法实现全线长故障测距，值得探讨和研究。

（3）解决极址点接地特殊结构引入的故障测距特殊问题

接地极线路极址点通过阻值很小的电阻接地，这是接地极具有的特殊结构，会对测距引入一些特殊问题。具体表现在：

①采用单端故障本身产生数据列写测距方程获取到的测距结果会出现伪故障点，并且不同故障位置、不同过渡电阻以及采用不同线路等效模型下，测距结果分布不同。在图1中同一线路模型，同一故障位置下，不同过渡电阻下，测距结果分布不同。过渡电阻稍大的测距结果中，除了故障点和极址点还有1个伪故障点。过渡电阻变大，会引入伪故障点，这是有别于采用单端数据的输电线路故障测距。如何甄别出伪故障点，申请者在前期研究中，尚未解决。为解决此问题，可以进一步理论分析出故障距离与故障位置、过渡电阻以及线路等效模型之间的关联关系，进而提出甄别出真实故障位置的有效方法或者研究非测距方程的测距新算法。

②由于极址点接地电阻很小，其高阻故障的界定不同于输电线路。当接地极线路发生故障，若接地点过渡电阻大于极址电阻，极址点电压是电压沿接地极线路分布的最小值，如图2所示。而对于输电线路，故障点往往就是沿线电压分布的最小值。可见，接地极线路不同于输电线路，当接地点电阻大于极址点电阻(这里称为高阻故障)，若直接采用输电线路的常规测距方法，可能无法实现接地极线路高阻故障测距，需要另辟蹊径。

(4)实现在直流系统正常运行下的接地极线路主动式故障测距

若接地极线路发生故障，而直流系统未发生故障，即直流线路正常运行。基于注入扰动信号的主动式故障测距方法中注入的扰动信号，一方面会注入到接地极线路；另一方面会通过中性母线向直流系统侧注入扰动信号，而扰动信号则有可能会对正常运行的直流系统产生影响。因此，有人提出了在接地极线路的两端还分别串入一个并联谐振滤波器，该方法虽然防止注入信号进入系统，但是改变了一次侧的结构，在实际工程实际中，存在一定的难度；若能不改变一次侧，同时又能防止注入信号对直流系统的影响的测距方法，则更适宜于现场实际。

三、所属领域：

综合能源系统方向：能源控制技术

四、成熟度：

产业化阶段

五、市场应用情况及经济效益分析：

市场应用情况：

1）专利实施许可：2018年签订了1个专利实施许可合同。

2）在南网新建直流工程中投入使用：2017年首次应用于金中直流工程，创造良好口碑。

3）在南网改建直流工程中投入使用：2019年禄高肇直流工程采购了2套。

4）在南网换流站技改中推广应用：2020年在穗东换流站成果推广1套。

5）入选了《南方电网公司新技术试点应用目录（2017-2018版）》和《超高压输电公司新技术试点应用实施方案(2017-2018)》。

6）将借助生产合作单位的营销平台进行销售；超高压科创中心平台助力成果推广；公司现有的工程改造应用需求，通过专题推广等方式，加快客户拓展，助力订单获取。

经济效益分析：

本项目研究成果能够有效解决接地极故障定位问题，其性能和价格均明显优于国外同类产品，适用于国内外各种运行方式下的接地极线路，在国内外均具有广阔的推广应用价值和前景。具有显著的经济社会效益。依靠它的帮助，我们能在最短的时间内，以最小的人力、物力，排除故障，消除隐患。准确、快速地排除故障与隐患，将减少因输电线故障而带来的停电损失。

对于一条500kV的直流输电线路，每停电1分钟将带来900元直接经济损失。该成果可将线路的故障查找时间由以前的24小时减少到2小时。每年将减少百亿元的经济损失。

本产品每套成本约80万元，每套售价约200万元，每套的利润120万元。以目前约42个直流工程计算，将有约84套的需求，本产品可创总产值16400万元，利润10080万元。随着我国直流输电系统的增长，本产品的国内市场前景很广阔。另外，产品处于垄断的国际领先水平，在国际市场上占有可观的份额。