范其麗，鄭曉茜，王 璞，馮 越

（1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450121；2.國(guó)網(wǎng)駐馬店供電公司，河南駐馬店 463000）

直流輸電線路雷擊情況下行波保護(hù)誤動(dòng)分析

范其麗1，鄭曉茜1，王 璞2，馮 越2

（1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450121；2.國(guó)網(wǎng)駐馬店供電公司，河南駐馬店 463000）

在直流工程運(yùn)行中，存在直流線路受雷電的干擾，從而導(dǎo)致直流線路行波保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)的案例。為此，基于實(shí)際運(yùn)行中某直流工程的EMTDC/PSCAD仿真模型，對(duì)雷電流以及雷擊線路的不同方式進(jìn)行了準(zhǔn)確建模。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了直流線路在雷擊情況下發(fā)生非故障性繞擊、故障性繞擊以及反擊時(shí)的暫態(tài)過(guò)程，并對(duì)行波保護(hù)3個(gè)判據(jù)dU/dt、ΔU、ΔI的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了分析。結(jié)合行波保護(hù)的動(dòng)作結(jié)果，提出在雷電干擾下行波保護(hù)誤動(dòng)的原因是由于直流線路間強(qiáng)烈的電磁耦合導(dǎo)致特征量發(fā)生突變，從而錯(cuò)誤地滿足了其門檻值，為提高直流線路行波保護(hù)的可靠性提供參考。

高壓直流輸電；雷擊線路；行波保護(hù)誤動(dòng)

0 引言

直流輸電以其技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，成為目前世界上電力大國(guó)解決高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離送電和電網(wǎng)互聯(lián)的一個(gè)重要手段。世界范圍內(nèi)的多個(gè)國(guó)家均形成以直流輸電為主干電網(wǎng)的交直流互聯(lián)形式[1-3]。行波保護(hù)作為直流線路的主保護(hù)，具有良好的速動(dòng)性，同時(shí)其保護(hù)性能不受電流互感器飽和、長(zhǎng)線分布電容等的影響。但是，行波保護(hù)在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)因?yàn)槔纂姷臄_動(dòng)而發(fā)生誤動(dòng)的情況，行波保護(hù)的可靠性還有待進(jìn)一步提升。

在實(shí)際的直流輸電工程中，直流線路一般比較長(zhǎng)且常常穿越地理環(huán)境惡劣的地區(qū)[4]。因此，直流線路遭受雷擊在運(yùn)行中頻頻發(fā)生，尤其在我國(guó)南方地區(qū)雷電活動(dòng)非常強(qiáng)烈。運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表示，受雷電的干擾，行波保護(hù)可能會(huì)發(fā)生誤動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q流閥閉鎖，造成直流系統(tǒng)被迫停運(yùn)，帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失[5]。這類事故表明，直流線路行波保護(hù)在雷擊擾動(dòng)下的可靠性還需要提升，亟需研究行波保護(hù)在雷電干擾下動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。

直流線路在遭受雷擊時(shí)，雷電波通過(guò)雷電通道注入線路，在線路上產(chǎn)生故障行波，不同的雷電流以及不同的雷擊方式都會(huì)對(duì)行波保護(hù)產(chǎn)生不同的影響。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)直流輸電線路在雷擊情況下的動(dòng)態(tài)特性研究很少，往往只局限于雷電特性的研究。文獻(xiàn)[6]對(duì)雷電模型、桿塔模型等進(jìn)行研究，仿真模擬了雷擊直流線路桿塔的暫態(tài)過(guò)程，但并未涉及行波保護(hù)。文獻(xiàn)[7]對(duì)幾種典型故障情況下行波保護(hù)特征量門檻值的整定方法進(jìn)行了分析和改進(jìn)，但并未涉及雷擊擾動(dòng)。綜合上述分析，對(duì)于直流輸電線路在雷擊情況下的暫態(tài)過(guò)程和行波保護(hù)的動(dòng)作特性缺少關(guān)鍵部分的研究，需要從誤動(dòng)機(jī)理上進(jìn)行更加深入的分析。

筆者以實(shí)際運(yùn)行的某直流工程為背景，在EMT?DC/PSCAD中搭建正確的雷電流模型、絕緣子模型、桿塔模型并進(jìn)行不同類型的雷擊仿真和行波保護(hù)動(dòng)作特性研究。通過(guò)分析直流輸電線路在遭受雷擊情況下線路電氣量以及行波保護(hù)特征量的暫態(tài)特征，并結(jié)合行波保護(hù)動(dòng)作特性揭示了雷擊擾動(dòng)下行波保護(hù)誤動(dòng)機(jī)理?；谝陨戏治鼋Y(jié)果，詳細(xì)對(duì)比行波保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)和正常動(dòng)作情況下特征量在時(shí)間上的配合情況，為進(jìn)一步提升直流輸電線路保護(hù)的可靠性提供指導(dǎo)，具有重要的理論與實(shí)際價(jià)值。

1 直流輸電線路雷擊仿真建模

1.1 研究系統(tǒng)綜述

采用基于電磁暫態(tài)仿真軟件EMTDC/PSCAD搭建直流輸電線路雷擊仿真系統(tǒng)，模型的一次部分是在實(shí)際某直流系統(tǒng)基礎(chǔ)上加入以受控電流源為基礎(chǔ)的雷電流發(fā)生模塊，通過(guò)設(shè)定參數(shù)模擬不同的雷電流，如圖1所示；控制保護(hù)部分由直流系統(tǒng)原始的處理模塊組成，處理邏輯和保護(hù)定值沿用實(shí)際工程正常運(yùn)行值，保護(hù)采樣率為6.4 kHZ。整體參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 雷電流建模

雷電主放電過(guò)程具有隨機(jī)性，并且雷電流不能通過(guò)解析推導(dǎo)的方法得到。因此要實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電流進(jìn)行數(shù)學(xué)描述需要對(duì)大量實(shí)際雷電流錄波進(jìn)行分析比對(duì)，選取出現(xiàn)概率最高的雷電流形狀再用擬合的方法得到。

圖1 某直流工程線路雷擊模型Fig.1 Lightning strike model of a certain DC project

表1 研究系統(tǒng)整體參數(shù)Table 1 Basic parameters of primary system

大量實(shí)際觀測(cè)結(jié)果表明[8]，自然界的雷電流隨時(shí)間迅速上升至最大值，然后又緩慢下降，變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

圖2 雷電流波形Fig.2 Lightning current waveform

圖2中，T1和T2分別表示雷電流的波頭和波尾參數(shù)，雷電流建模需要將圖2雷電流波形進(jìn)行擬合，用最準(zhǔn)確的解析式進(jìn)行表達(dá)。觀察發(fā)現(xiàn)，雷電流的上升以及下降階段呈現(xiàn)近似指數(shù)形式的變化。因此，在EMTDC雷電仿真模型中，通過(guò)雙指數(shù)函數(shù)對(duì)雷電流進(jìn)行建模，并通過(guò)指數(shù)系數(shù)精確控制雷電流的波頭時(shí)間和波尾時(shí)間，得到雷電流表達(dá)式為

式中，I0為雷電流幅值大小，多雷區(qū)符合概率分布函數(shù)式[9]：

α是決定電流上升的時(shí)間常數(shù)，α=-1/T2；β是決定雷電流電流衰減的時(shí)間常數(shù)，β=-1/T1。筆者采用國(guó)際電工學(xué)會(huì)所推薦的一般電氣工程雷電流計(jì)算中最常用的2.6/50 μs作為線路雷電流仿真參數(shù)，并通過(guò)受控電流源控制雷電流幅值。

1.3 直流輸電線路的雷擊模型

在選定雷電波形的基礎(chǔ)上搭建直流輸電線路的雷擊模型，圖3（a）為雷電流電路模型，i0為雷電流模型控制的電流源，Z0表示雷電通道波阻抗取300 Ω，二者組成的并聯(lián)電路表示雷電流注入時(shí)的彼德遜等效電路[10-11]。實(shí)際工程運(yùn)行中，常見(jiàn)的雷擊情況有3種：雷擊導(dǎo)線統(tǒng)稱繞擊，相當(dāng)于有電流直接注入輸電線路，造成電壓、電流升高或驟降。若雷電流幅值比較小，造成暫態(tài)電壓絕對(duì)值也小，不足以使絕緣子之間的電壓差超過(guò)耐受電壓，此時(shí)稱為非故障性繞擊，如圖3（b）所示；若雷電流幅值比較大，造成暫態(tài)電壓絕對(duì)值使絕緣子兩端電壓差超過(guò)其耐受電壓，則絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，雷電流注入線路的同時(shí)線路通過(guò)桿塔接地，此時(shí)稱為故障性繞擊，如圖3（c）所示。當(dāng)雷擊塔頂時(shí)，由于桿塔具有一定的波阻抗，此時(shí)必然導(dǎo)致連接絕緣子的橫擔(dān)部分產(chǎn)生暫態(tài)電壓，在雷電流幅值較大的情況下，橫擔(dān)暫態(tài)電壓與線路電壓之間差值超過(guò)絕緣子耐受電壓后會(huì)導(dǎo)致絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，線路通過(guò)桿塔接地，該情況下的雷擊稱為反擊，如圖3（d）所示。

圖3 雷電模擬和雷擊直流輸電線路模型Fig.3 Lightning simulation and lightning strike model of DC line

在EMTDC/PSCAD中，通過(guò)設(shè)置不同幅值的雷電流，觀察不同雷擊方式時(shí)保護(hù)安裝處的電壓暫態(tài)過(guò)程，來(lái)研究不同雷擊方式和行波保護(hù)動(dòng)作特性之間的聯(lián)系。

圖4為直流輸電線路發(fā)生非故障行繞擊時(shí)保護(hù)安裝處的暫態(tài)電壓波形?？梢钥闯?，在第5 ms雷擊故障發(fā)生后，負(fù)極雷擊極線路受到來(lái)自于正極性雷電流的繞擊，電壓瞬間跌落并反沖至正的600 kV附近。由于雷電流在擊中線路后形成幅值很高的沖擊電壓波[12]，同時(shí)受兩級(jí)線路間強(qiáng)烈的電磁耦合作用，非雷擊極線路受到來(lái)自雷擊線路的電磁干擾，線路電壓也發(fā)生劇烈波動(dòng)，并呈現(xiàn)出和雷擊極相對(duì)稱的變化。在雷擊結(jié)束后，雷擊極線路逐漸波動(dòng)下降至0附近，非雷擊極線路則逐漸到恢復(fù)正常值。

圖4 直流線路發(fā)生故障性繞擊時(shí)電壓暫態(tài)過(guò)程Fig.4 Voltage transient process of DC line during shielding failure

圖5為直流輸電線路發(fā)生故障性繞擊時(shí)保護(hù)安裝處的暫態(tài)電壓波形?？梢钥闯觯l(fā)生雷擊后雷擊極線路電壓瞬間下跌至0附近，非雷擊極線路也發(fā)生和雷擊極線路相反的變化。隨后，在雷擊極沖擊電壓波快速上升的過(guò)程中，絕緣子被擊穿，隨后發(fā)展成線路接地故障，造成故障在第15 ms時(shí)進(jìn)一步加重，雷擊極線路電壓快速下跌至0附近。由于接地故障的過(guò)程使得雷擊極新路上的電磁能量向大地釋放，因此，非雷擊極線路沒(méi)有再發(fā)生劇烈的變化。

圖5 直流線路發(fā)生故障性繞擊時(shí)電壓暫態(tài)過(guò)程Fig.5 Voltage transient process of DC line during shielding failure

圖6為直流輸電線路發(fā)生反擊時(shí)保護(hù)安裝處的暫態(tài)電壓波形。由于反擊故障發(fā)生后也轉(zhuǎn)變?yōu)榻拥毓收?，所以和發(fā)生故障性繞擊的情況相比較，保護(hù)安裝處電壓暫態(tài)過(guò)程幾乎一致，主要區(qū)別體現(xiàn)在雷擊故障初期雷擊極線路電壓反沖至600 kV附近，并且非雷擊極線路的波動(dòng)程度相對(duì)更加劇烈。

以上仿真實(shí)例說(shuō)明，無(wú)論以何種形式雷擊直流線路的一極，均可引起另一極線路電壓發(fā)生劇烈波動(dòng)。同時(shí)，線路電壓的劇烈波動(dòng)勢(shì)必會(huì)引起線路電流的劇烈波動(dòng)，因此就有可能造成非雷擊極線路行波保護(hù)的誤動(dòng)。

圖6 直流線路發(fā)生反擊時(shí)電壓暫態(tài)過(guò)程Fig.6 Voltage transient process of DC line during back striking

2 行波保護(hù)誤動(dòng)分析

2.1 行波保護(hù)原理與特征量功能分析

根據(jù)麥克斯韋經(jīng)典電磁場(chǎng)理論，電能在輸電線路上以電磁波的形式傳播，并存在運(yùn)動(dòng)的電流和電壓行波。當(dāng)直流線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)以故障點(diǎn)為起點(diǎn)，沿線路向兩側(cè)以近乎于光速的速度傳播暫態(tài)的電氣量行波。而傳遞的行波中包含著豐富的故障信息，因此，充分利用產(chǎn)生的暫態(tài)故障行波，在繼電保護(hù)裝置中加以分析和處理，可構(gòu)成超高速的行波保護(hù)，并且由于故障行波傳遞的速度極快，幾乎不受直流系統(tǒng)控制的影響，能夠滿足直流輸電線路保護(hù)速動(dòng)性要求[13]。

典型的特高壓直流輸電線路電壓行波保護(hù)以輸電線路電壓變化率判據(jù)dU/dt、電壓變化量判據(jù)ΔU以及線路電流變化量判據(jù)ΔI作為主要判據(jù)，以快速反映線路故障，行波保護(hù)的動(dòng)作方程如下：

從式（3）可知，行波保護(hù)整體功能的實(shí)現(xiàn)需要以上3個(gè)特征量的滿足，其中dU/dt為電壓變化率判據(jù)、ΔU為行波保護(hù)的電壓變化量判據(jù)，ΔI作為其電流變化量判據(jù)。電壓判據(jù)的滿足對(duì)于整流側(cè)和逆變側(cè)都是大于某一門檻值，而電流變化量判據(jù)對(duì)于整流側(cè)是大于某一門檻值，對(duì)于逆變側(cè)是小于一個(gè)門檻值。下面對(duì)行波保護(hù)特征量的功能做簡(jiǎn)要分析。

電壓變化率dU/dt是將直流線路電壓按特定的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行微分，結(jié)果表征線路電壓波動(dòng)速率，用于判別故障是否發(fā)生在輸電線路上。

電壓變化量ΔU是將當(dāng)前時(shí)刻的電壓值減去一段時(shí)間之前的是電壓值，結(jié)果表征線路電壓波動(dòng)劇烈程度，判別區(qū)分直流線路的受擾情況與故障情況。

電流變化量ΔI是將當(dāng)前時(shí)刻的線路電流經(jīng)過(guò)兩個(gè)時(shí)間常數(shù)不同的一階慣性環(huán)節(jié)后再作差，結(jié)果表征線路電流波動(dòng)劇烈程度。另外，逆變側(cè)ΔI門檻值為負(fù)值，其主要原因是用于區(qū)分線路故障和逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障。因此，特征量ΔI用于判別故障發(fā)生在直流線路的哪一極[14]。

另外，直流系統(tǒng)行波保護(hù)除了要滿足3個(gè)判據(jù)dU/dt、ΔU、ΔI的門檻值以外，還要滿足3個(gè)判據(jù)在時(shí)間上的邏輯配合，行波保護(hù)最終才能出口，典型的行波保護(hù)時(shí)間邏輯配合見(jiàn)圖7。

圖7 直流線路行波保護(hù)的時(shí)間配合邏輯Fig.7 The time logical relationship of WFPDL

2.2 行波保護(hù)誤動(dòng)分析和改進(jìn)策略

選取某直流工程典型意義下的運(yùn)行工況，取直流系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)定工況后作為雷擊時(shí)刻，在EMTDC模型中采用不同幅值的雷電流繞擊直流線路一極，找到令非雷擊線路行波保護(hù)發(fā)生臨界誤動(dòng)的情況，說(shuō)明保護(hù)誤動(dòng)情況下特征量的突變規(guī)律。圖8給出了非雷擊線路整流側(cè)行波保護(hù)3個(gè)特征量在臨界誤動(dòng)和不誤動(dòng)情況下的響應(yīng)特性。

圖8 行波保護(hù)誤動(dòng)情況下各個(gè)判據(jù)的響應(yīng)特性Fig.8 The response of rectifiers under WFPDL maloperation

可見(jiàn)，對(duì)于判據(jù)ΔU和ΔI在行波保護(hù)臨界誤動(dòng)時(shí)，都有較為明顯的突變，造成非雷擊線路行波保護(hù)特征量突變的根本原因是由于兩極間的電磁耦合。

直流線路之間的電磁藕合分為容性藕合和感性藕合兩種，當(dāng)線路的一極遭受雷擊后，由于雷電壓的疊加會(huì)使得雷擊極線路電壓發(fā)生劇烈波動(dòng)，使其周圍產(chǎn)生一個(gè)交變的電場(chǎng)，由于電磁感應(yīng)作用，非雷擊線路上會(huì)耦合出一個(gè)對(duì)地劇烈波動(dòng)的電位，此為容性藕合；同時(shí)，雷電流的注入使得雷擊極線路電流劇烈波動(dòng)，在其周圍產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)，非雷擊線路上會(huì)耦合出一個(gè)沿導(dǎo)線方向的縱向電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而使得電流發(fā)生波動(dòng)，此為感性藕合[15]。

因此，強(qiáng)大的電磁耦合作用會(huì)導(dǎo)致非雷擊線路電氣量的劇烈變化，使得行波保護(hù)判據(jù)滿足其既定的門檻值。同時(shí)，如果再次滿足行波保護(hù)各個(gè)判據(jù)間設(shè)定的時(shí)間邏輯后，行波保護(hù)就會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。

3 結(jié)論

以實(shí)際直流工程為背景，正確建立了雷電流以及直流線路雷擊模型，分析了行波保護(hù)誤動(dòng)情況下的直流線路的電氣量暫態(tài)過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)行波保護(hù)3個(gè)判據(jù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并結(jié)合行波保護(hù)的實(shí)際原理提出了行波保護(hù)的誤動(dòng)機(jī)理，為后續(xù)的行波保護(hù)優(yōu)化和直流工程的可靠運(yùn)行提供指導(dǎo)。

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Maloperation Analysis of Travelling Wave Protection under Lightning Strike of DC Transmission Line

FAN Qili1，ZHENG Xiaoxi1，WANG Pu2，F(xiàn)ENG Yue2
（1.Zhengzhou Technical College， Zhengzhou 450121，China;2.State Grid Zhumadian Power Supply Company ，Zhumadian 463000，China）

In the practical running of the HVDC，it is risked that if a lightning current attacks，the traveling wave protection may be maloperation.Based on a practical HVDC model in EMTDC/PSCAD，the paper builds a correct lightning model and the model of different ways about lightning current attacks.The paper analyzes transient process of voltage when non-fault shielding failure，fault shielding failure and back flashover occurs，and studies the dynamic response of three protection criteria:dU/dt，ΔU，ΔIunder lightning.Comparing response of travelling wave protection，The analysis shows that when a line has been struck by lightning，there will be a drastic fluctuation in electrical quantities made by electro?magnetic coupling between circuits and will cause the response of protection criteria exactly satisfies a set time series，which is an important reason in the traveling wave maloperation.Therefore，the paper put for?ward an reference to improve the reliability of traveling wave protection.

HVDC；lightning strike transmission line；the maloperation of traveling wave protection

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.029

2017-05-24

范其麗（1979—），女，講師，主要研究方向：電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。