陳仕龍，謝佳偉，畢貴紅，張 杰，束洪春

(昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明650050)

1 引言

目前高壓直流輸電工程規(guī)模日益擴(kuò)大，輸電線路電壓等級(jí)也越來(lái)越高，這就對(duì)直流輸電線路保護(hù)的靈敏性和快速性提出了更高的要求。暫態(tài)保護(hù)具有快速動(dòng)作性能。此外，暫態(tài)保護(hù)還具有不受過(guò)渡電阻、電流互感器(TA)飽和、系統(tǒng)振蕩和長(zhǎng)線分布電容等影響的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)［1-3］。暫態(tài)保護(hù)的上述優(yōu)點(diǎn)正是超高壓長(zhǎng)距離直流輸電線路所需要的。根據(jù)暫態(tài)量利用方式的不同，暫態(tài)保護(hù)分為雙端暫態(tài)量保護(hù)和單端暫態(tài)量保護(hù)。雙端暫態(tài)量保護(hù)成本較高，且依賴(lài)于兩端時(shí)間同步和傳送通道，由于通信通道的不可靠而導(dǎo)致直流線路保護(hù)功能閉鎖的事故常有發(fā)生;而利用單端暫態(tài)量構(gòu)成全線速動(dòng)保護(hù)不依賴(lài)通信設(shè)備和通道，保護(hù)裝置的構(gòu)成簡(jiǎn)單，易于維護(hù)和調(diào)試，可靠性更高［4-6］。基于單端暫態(tài)量的直流輸電線路暫態(tài)保護(hù)開(kāi)始引起國(guó)內(nèi)外繼電保護(hù)工作者的注意并開(kāi)展了相關(guān)研究，同時(shí)取得了一定的研究成果［7-11］。文獻(xiàn)［12］指出了現(xiàn)有的利用保護(hù)元件區(qū)分本側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的直流線路暫態(tài)保護(hù)原理并不能實(shí)現(xiàn)全線保護(hù)，在考慮了特高壓直流輸電線路對(duì)故障暫態(tài)信號(hào)高頻量的衰減作用的情況下，提出了一種能實(shí)現(xiàn)線路全長(zhǎng)保護(hù)的利用保護(hù)元件區(qū)分對(duì)側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的特高壓直流輸電線路單端電壓暫態(tài)保護(hù)原理。

由于暫態(tài)信號(hào)在線路上為混合模式傳播，不同的頻率分量具有不同的傳播速度和衰減程度，因此保護(hù)裝置檢測(cè)到的暫態(tài)量的幅值大小與信號(hào)頻率密切相關(guān)［13］。在基于利用保護(hù)元件區(qū)分對(duì)側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的特高壓直流輸電線路單端暫態(tài)保護(hù)原理實(shí)現(xiàn)線路全長(zhǎng)保護(hù)的研究中，為有效利用故障暫態(tài)量所包含的豐富故障信息，需要找出故障暫態(tài)量的特征頻帶，使得頻率位于該頻帶內(nèi)的暫態(tài)分量能準(zhǔn)確反應(yīng)出故障的位置。

本文介紹了利用保護(hù)元件區(qū)分對(duì)側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的特高壓直流輸電線路單端電壓暫態(tài)保護(hù)原理，根據(jù)云廣±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)，建立云廣±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型。結(jié)合云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)邊界實(shí)際參數(shù)，得出線路邊界透射系數(shù)阻帶。通過(guò)分析各種類(lèi)型故障信號(hào)頻率特性，得出故障信號(hào)主能量頻帶。用于區(qū)分線路區(qū)內(nèi)外故障的故障信號(hào)主能量頻帶是邊界透射系數(shù)阻帶內(nèi)故障信號(hào)能量集中部分對(duì)應(yīng)的頻帶。在故障信號(hào)主能量頻帶內(nèi)，選取滿足衰減規(guī)律—線路及邊界對(duì)故障信號(hào)的雙重衰減效果要強(qiáng)于單個(gè)線路對(duì)信號(hào)的衰減的故障信號(hào)所對(duì)應(yīng)的頻帶作為故障信號(hào)特征頻帶。

2 利用保護(hù)元件區(qū)分對(duì)側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的特高壓直流輸電線路單端電壓暫態(tài)保護(hù)原理

特高壓直流輸電線路邊界對(duì)故障高頻量有強(qiáng)烈的衰減作用，據(jù)此可提出利用故障高頻信號(hào)區(qū)分線路區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障的邊界保護(hù)原理。然而，特高壓直流線路對(duì)高頻量也有衰減作用，線路越長(zhǎng)，衰減作用越強(qiáng)烈，當(dāng)特高壓直流輸電線路達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，其對(duì)故障暫態(tài)信號(hào)高頻量的衰減作用將有可能超過(guò)特高壓直流輸電線路邊界。如圖1所示，當(dāng)d1和d3點(diǎn)發(fā)生同類(lèi)型的故障時(shí)，d3點(diǎn)故障時(shí)保護(hù)測(cè)得的故障暫態(tài)量幅值就有可能要大于d1點(diǎn)故障。所以，僅考慮線路邊界對(duì)故障高頻量有強(qiáng)烈衰減作用的邊界保護(hù)無(wú)法保護(hù)線路全長(zhǎng)?？紤]特高壓直流輸電線路對(duì)故障暫態(tài)信號(hào)高頻量的衰減作用，本文提出利用保護(hù)元件區(qū)分對(duì)側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的特高壓直流輸電線路單端電壓暫態(tài)保護(hù)原理。

圖1 利用保護(hù)元件區(qū)分對(duì)側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的特高壓直流輸電線路單端電壓暫態(tài)保護(hù)原理圖Fig．1 Principle of single-ended transient based voltage protection of UHVDC transmission line using protector to distinguish opposite inside and outside faults

利用保護(hù)元件區(qū)分對(duì)側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的特高壓直流輸電線路單端電壓暫態(tài)保護(hù)原理的基本思想是:利用保護(hù)元件來(lái)區(qū)分對(duì)側(cè)的區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，即利用整流側(cè)保護(hù)元件來(lái)區(qū)分逆變側(cè)的區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障，利用逆變側(cè)的保護(hù)元件來(lái)區(qū)分整流側(cè)的區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障。如圖1所示，保護(hù)裝置位于整流側(cè)，當(dāng)逆變側(cè)區(qū)外d2點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，故障產(chǎn)生的暫態(tài)電壓高頻分量要通過(guò)特高壓直流輸電線路“邊界”和特高壓直流輸電線路的雙重衰減才能到達(dá)保護(hù)安裝處，而區(qū)內(nèi)線路末端d1點(diǎn)故障所產(chǎn)生的暫態(tài)電壓高頻分量則只通過(guò)特高壓直流輸電線路的衰減就能到達(dá)保護(hù)安裝處，因此在保護(hù)安裝點(diǎn)處，區(qū)內(nèi)d1點(diǎn)故障產(chǎn)生的故障暫態(tài)電壓高頻量將大于區(qū)外d2點(diǎn)故障產(chǎn)生的故障暫態(tài)電壓高頻量，即本原理能區(qū)分區(qū)內(nèi)故障d1和區(qū)外故障d2。所以本文提出的利用保護(hù)元件來(lái)區(qū)分對(duì)側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的特高壓直流輸電線路單端電壓暫態(tài)保護(hù)原理能實(shí)現(xiàn)特高壓直流輸電線路全線保護(hù)。

3 仿真模型

參照云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)換流站主接線，根據(jù)系統(tǒng)元件模型，可建立云廣±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型。云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)電壓等級(jí)為±800kV，直流額定電流3.125kA。直流輸電線路全長(zhǎng)1418km，沿線大地電阻率平均值1000Ω·m，采用6×LGL-630/45導(dǎo)線，采用Frequency Dependent(Phase)Model Options模型。云廣±800kV特高壓直流輸電控制系統(tǒng)基于CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)建立，為滿足系統(tǒng)控制的需要，本文對(duì)CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)做了部分改動(dòng)。所建立的仿真模型如圖2所示。

圖2 云廣特高壓直流輸電仿真模型Fig．2 Simulationmodel of Yunnan-Guangdong UHVDC

4 故障信號(hào)主能量頻帶

高壓直流輸電線路邊界是引起保護(hù)安裝處檢測(cè)到的區(qū)內(nèi)外故障信號(hào)出現(xiàn)差異的主要原因。差異的顯著與否與線路邊界對(duì)故障信號(hào)的衰減程度強(qiáng)弱，即線路邊界透射系數(shù)的大小密切相關(guān)，透射系數(shù)越小，區(qū)內(nèi)外故障特征差異就越明顯。為了提高保護(hù)的靈敏性，可以選擇區(qū)內(nèi)外故障特征十分明顯，即透射系數(shù)阻帶內(nèi)的暫態(tài)量作為故障信號(hào)。另外，高壓直流輸電線路發(fā)生故障時(shí)，相當(dāng)于在故障點(diǎn)附加一個(gè)故障信號(hào)源，故障信號(hào)能量的大小與信號(hào)頻率特性相關(guān)。如果所選頻帶內(nèi)的故障信號(hào)能量較小，加上線路的衰減作用，保護(hù)安裝處所檢測(cè)到的故障信號(hào)能量就很小，這樣用作區(qū)分線路區(qū)內(nèi)外故障的保護(hù)整定值也就很小。當(dāng)系統(tǒng)或線路上出現(xiàn)干擾時(shí)，就會(huì)引起保護(hù)的誤動(dòng)，嚴(yán)重影響了保護(hù)的可靠性。

通過(guò)上文分析可知，為了提高保護(hù)的可靠性和靈敏性，應(yīng)該選擇信號(hào)能量比較大，并且區(qū)內(nèi)外故障特征差異明顯的故障信號(hào)來(lái)判別故障位置，因此用于區(qū)分線路區(qū)內(nèi)外故障的故障信號(hào)應(yīng)該具有以下特點(diǎn):①它是邊界透射系數(shù)的阻帶;②它是故障信號(hào)的主能量頻帶。下面通過(guò)對(duì)邊界透射系數(shù)的頻率特性和故障信號(hào)的頻率特性加以分析，總結(jié)得出邊界透射系數(shù)阻帶內(nèi)的故障信號(hào)的主能量頻帶。

4.1 線路邊界頻率特性分析

直流平波電抗器與直流濾波器一起構(gòu)成高壓直流換流站直流側(cè)的直流諧波濾波回路，也構(gòu)成了高壓直流輸電線路的邊界。平波電抗器能平滑直流電流中的紋波，避免在低直流功率傳輸時(shí)電流的斷續(xù)，還能通過(guò)限制由快速電壓變化所引起的電流變化率來(lái)降低換相失敗率;直流濾波器能濾除流入直流線路和接地極引線中的諧波分量，以降低諧波對(duì)系統(tǒng)造成的危害;平波電抗器和直流濾波器都是高壓直流輸電系統(tǒng)中重要的設(shè)備［14］。由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)濾波器構(gòu)成的線路邊界阻抗是關(guān)于頻率的函數(shù)，阻抗幅值的大小隨頻率不同而變化，不同頻率的暫態(tài)分量在經(jīng)過(guò)線路邊界時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的折射，因此線路區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，整流側(cè)保護(hù)安裝處檢測(cè)到的來(lái)自故障點(diǎn)的暫態(tài)分量大小與邊界的透射系數(shù)相關(guān)。線路邊界模型如圖3所示，圖中Ur為入射電壓波，Uf為電壓反射波，Uz為電壓透射波。

參照云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)，圖3中:L0=0.3H，L1=11.773×10－3H，L2=10.266×10－3H，L3=4.77×10－3H，C1=2×10－6F，C2=3.4152×10－6F，C3=11.7732×10－6F，邊界的阻抗為:

圖3 云廣特高壓直流輸電線路邊界Fig．3 Transmissionlineboundaryof Yunnan-GuangdongUHVDC

代入實(shí)際參數(shù)，求得:

邊界透射系數(shù)的求解公式為［15］:

式中，zc為線路的波阻抗。對(duì)于超高壓輸電線路，為了減小線路的電暈損耗及線路電抗，以增加輸電線路的輸送能力，常采用分裂導(dǎo)線。對(duì)于分裂導(dǎo)線，zc≈300Ω［16］，將其代入式(4)中，求得透射系數(shù)的頻譜圖如圖4所示。

分析邊界的透射系數(shù)頻譜圖可知，隨著信號(hào)頻率的增大，邊界對(duì)信號(hào)的透射系數(shù)在減小，當(dāng)信號(hào)頻率f＞2kHz時(shí)，邊界透射系數(shù)kz＜0.1。為了使線路發(fā)生區(qū)內(nèi)、外故障時(shí)整流側(cè)保護(hù)安裝處檢測(cè)到的故障信號(hào)差異明顯，可以選擇透射系數(shù)阻帶內(nèi)的暫態(tài)電壓分量作為故障信號(hào)。由圖4可知，云廣特高壓直流輸電線路邊界透射系數(shù)阻帶為［2kHz，+∞］。

圖4 云廣特高壓直流輸電線路邊界透射系數(shù)頻率特性Fig．4 Magnitude frequency characteristic of refraction coefficient of transmission line boundary of Yunnan-Guangdong UHVDC

4.2 故障信號(hào)頻譜分析

高壓直流輸電線路上較常見(jiàn)的意外情況有金屬性接地故障、非金屬性接地故障、雷擊干擾以及雷擊致線路故障。下面分別對(duì)這四種工況進(jìn)行仿真分析，得出不同類(lèi)型故障信號(hào)的頻率特性圖，然后總結(jié)得出故障信號(hào)的主能量頻帶。在分析各種類(lèi)型故障信號(hào)頻率特性時(shí)，只對(duì)邊界透射系數(shù)阻帶內(nèi)的故障信號(hào)加以分析，本文采樣率fs=200kHz，因此本文只對(duì)［2kHz，100kHz］頻帶內(nèi)故障信號(hào)進(jìn)行頻率特性分析，即以下故障信號(hào)頻譜圖中橫軸范圍為［2kHz，100kHz］，文中仿真分析是以電壓信號(hào)為例。

4.2.1 金屬性接地

線路發(fā)生接地故障時(shí)，在接地點(diǎn)立刻形成故障電流入地通路。本文采用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)分析軟件自帶的接地故障模塊來(lái)仿真接地故障。接地故障仿真模型示意圖如圖5所示，其中，Time Fault Logic模塊控制的是接地故障開(kāi)始的時(shí)間及故障持續(xù)時(shí)間，本文接地故障開(kāi)始時(shí)間設(shè)置為0.3s，故障持續(xù)時(shí)間為0.1s;故障模塊控制的是發(fā)生接地故障時(shí)過(guò)渡電阻的大小。

圖5 接地故障仿真模型示意圖Fig．5 Simulation model of earth fault

線路金屬性接地故障時(shí)，過(guò)渡電阻設(shè)置為0.01Ω。通過(guò)仿真分析，得到金屬性接地時(shí)故障暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖，如圖6所示。

圖6 金屬性接地故障下暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖Fig．6 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signal under earth fault condition

分析故障暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖可知:在發(fā)生金屬性接地時(shí)，暫態(tài)電壓主能量頻帶為［2kHz，20kHz］。

4.2.2 非金屬性接地

為了獲得線路發(fā)生非金屬性接地時(shí)，暫態(tài)電壓的主能量頻帶，本文分別對(duì)過(guò)渡電阻為10Ω、50Ω和200Ω的情況進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同過(guò)渡電阻下，非金屬性接地故障時(shí)暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖Fig．7 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signal under non-earth fault condition with different transition resistances

分析以上暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖可知，隨著過(guò)渡電阻的增大，暫態(tài)電壓幅值在減小，但是故障信號(hào)的主能量頻帶維持在［2kHz，20kHz］不變。

4.2.3 雷擊干擾

雷擊干擾指的是在雷擊點(diǎn)處疊加了一個(gè)注入電流源，但在雷擊點(diǎn)處未形成故障電流入地通道［17］。為了求得雷擊干擾情況下的暫態(tài)電壓頻譜，本文選用2.6/50μs雙指數(shù)波形的雷電流模型，雷電流幅值取40kA［18］。雷擊時(shí)，故障信號(hào)暫態(tài)電壓頻譜如圖8所示。

分析圖8可知，干擾性雷擊信號(hào)主能量頻帶為［2kHz，30kHz］。

4.2.4 雷擊致故障

雷擊線路并致線路故障情況下，起始過(guò)程為雷電流注入階段，雷電流注入線路并向線路兩端傳播，與線路波阻抗共同作用產(chǎn)生過(guò)電壓，當(dāng)絕緣子串兩端電壓超過(guò)絕緣子串50%放電電壓時(shí)，絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，接地故障電流沿桿塔進(jìn)入線路，線路呈現(xiàn)接地故障特征［19］。本文采用絕緣子壓控開(kāi)關(guān)模型來(lái)模擬故障性雷擊，將絕緣子串兩端電壓的絕對(duì)值作為壓控開(kāi)關(guān)的輸入電壓，絕緣子串50%的放電電壓作為壓控開(kāi)關(guān)的控制電壓，并且開(kāi)關(guān)處于常開(kāi)狀態(tài)。如果輸入電壓大于開(kāi)關(guān)的控制電壓，則開(kāi)關(guān)閉合，這時(shí)接地故障電流沿桿塔進(jìn)入線路?！?00kV直流輸電線路絕緣子50%放電電壓可由式(5)得到［20］:

圖8 雷擊下暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖Fig．8 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signal under lightning condition

式中，Lx為絕緣子串長(zhǎng)度(單位:m)，云廣±800kV直流輸電線路絕緣串長(zhǎng)度為8.8～11.8m，其中絕緣子串長(zhǎng)度8.8m與10.8m分別占40%與50%［21］，本文絕緣子串長(zhǎng)度定為10.8m。由式(5)計(jì)算得到U50%=5888.4kV。

本文借助PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)分析軟件建立的絕緣子串模型如圖9所示。

圖9 絕緣子串仿真模型Fig．9 Simulation model of insulator string

其絕緣子發(fā)生閃絡(luò)控制模塊如圖10所示。圖10中，絕緣子串兩端的電壓E12、E22取絕對(duì)值后，分別作為壓控開(kāi)關(guān)的輸入電壓，壓控開(kāi)關(guān)的控制電壓為5888.4kV，當(dāng)壓控開(kāi)關(guān)的輸入電壓大于控制電壓時(shí)，對(duì)應(yīng)的壓控開(kāi)關(guān)閉合。圖10中用斷路器的開(kāi)閉來(lái)表示壓控開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

圖10 絕緣子串閃絡(luò)控制模塊圖Fig．10 Controlmodule of insulator string flashover

為了獲得雷擊致線路故障情況下的暫態(tài)電壓主能量頻帶，本文分別對(duì)接地電阻為1Ω、20Ω和80Ω的情況進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同過(guò)渡電阻下，雷擊致故障時(shí)暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖Fig．11 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signal under lightning inducing fault condition with different transition resistances

分析圖11所示仿真結(jié)果可知，過(guò)渡電阻的增大使得暫態(tài)電壓幅值減小，但是故障信號(hào)主能量頻帶保持在［2kHz，20kHz］范圍內(nèi)不變。

分析上述各種類(lèi)型故障信號(hào)頻譜圖可知，邊界透射系數(shù)阻帶內(nèi)的故障信號(hào)的主能量頻帶為［2kHz，20kHz］。

5 故障信號(hào)特征頻帶

由于故障暫態(tài)量的能量大小及其在邊界和線路上的衰減強(qiáng)弱與自身頻率相關(guān)，因此保護(hù)處測(cè)得的故障量幅值大小與故障信號(hào)頻率有關(guān)。為了使利用保護(hù)元件區(qū)分對(duì)側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的特高壓直流輸電線路單端電壓暫態(tài)保護(hù)能保護(hù)線路全長(zhǎng)，應(yīng)該選取主能量頻帶內(nèi)的特征頻段的暫態(tài)信號(hào)作為故障信號(hào)，該故障信號(hào)滿足上文提到的衰減規(guī)律，即線路及邊界的雙重衰減效果比單個(gè)的線路衰減效果強(qiáng)烈，所以在保護(hù)安裝處，區(qū)內(nèi)故障信號(hào)幅值要大于區(qū)外故障。為了確定故障信號(hào)主能量頻帶內(nèi)的特征頻帶，本文分別在距離整流側(cè)保護(hù)安裝處100km、600km、1410km以及逆變側(cè)邊界之外對(duì)各類(lèi)型故障分別作仿真分析。

5.1 金屬性接地

分別對(duì)距離整流側(cè)保護(hù)安裝處100km、600km、1410km以及逆變側(cè)邊界之外發(fā)生的金屬性接地故障情況進(jìn)行仿真分析，保護(hù)安裝處測(cè)得的不同故障距離的暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖如圖12所示。圖12中OB(Outside Boundary)表示的故障位置是逆變邊界側(cè)之外。

圖12 金屬性接地故障下，不同距離暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖Fig．12 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under earth fault

分析圖12所示仿真結(jié)果可知，在保護(hù)安裝處，頻率位于［14kHz，20kHz］的暫態(tài)電壓幅值大小隨著故障距離的變化區(qū)別不大，所以金屬性接地情況下，頻率位于［14kHz，20kHz］的暫態(tài)電壓信號(hào)無(wú)法區(qū)分線路區(qū)內(nèi)、外故障。而頻率位于［2kHz，14kHz］這一頻帶內(nèi)暫態(tài)電壓信號(hào)幅值在區(qū)內(nèi)故障時(shí)要大于區(qū)外故障，而且幅值大小隨著故障距離的增大而減小。因此金屬性接地情況下，［2kHz，14kHz］頻帶內(nèi)的暫態(tài)電壓信號(hào)能準(zhǔn)確反映故障位置。

5.2 非金屬性接地

為了分析非金屬性接地故障下，不同故障距離暫態(tài)電壓頻譜，本文分別對(duì)過(guò)渡電阻為20Ω、80Ω和150Ω的情況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖13～圖15所示。

圖13～圖15所示仿真結(jié)果表明:在線路發(fā)生非金屬性接地情況下，隨著過(guò)渡電阻的增大，主能量頻帶內(nèi)的暫態(tài)電壓幅值減小;而頻率位于［2kHz，14kHz］這一頻帶內(nèi)暫態(tài)電壓信號(hào)幅值在區(qū)內(nèi)故障時(shí)要大于區(qū)外故障，而且幅值大小隨著故障距離的增大而減小。因此非金屬性接地情況下，［2kHz，14kHz］頻帶內(nèi)的暫態(tài)電壓信號(hào)能準(zhǔn)確反映故障位置。

圖13 過(guò)渡電阻為20Ω時(shí)，不同故障距離非金屬性接地故障暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖Fig．13 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under non-earth fault condition and transition resistance is 20Ω

圖14 過(guò)渡電阻為80Ω時(shí)，不同故障距離非金屬性接地故障暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖Fig．14 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under non-earth fault condition and transition resistance is 80Ω

圖15 過(guò)渡電阻為150Ω時(shí)，不同故障距離非金屬性接地故障暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖Fig．15 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under non-earth fault condition and transition resistance is 150Ω

5.3 雷擊

分別對(duì)距離整流側(cè)保護(hù)安裝處100km、600km、1410km以及逆變側(cè)邊界之外發(fā)生的雷擊情況進(jìn)行仿真分析，保護(hù)安裝處測(cè)得的不同故障距離的暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖如圖16所示。

圖16 雷擊下不同故障距離暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖Fig．16 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distancesunder lighting condition

分析仿真結(jié)果圖16可知，在保護(hù)安裝處，頻率位于［10kHz，20kHz］的暫態(tài)電壓幅值在線路末端雷擊與邊界之外發(fā)生雷擊時(shí)相差不大，所以利用頻率位于［10kHz，20kHz］的暫態(tài)電壓分量作為故障信號(hào)是無(wú)法區(qū)分線路末端故障與區(qū)外故障，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)線路全線保護(hù)。而頻率位于［2kHz，10kHz］這一頻帶內(nèi)暫態(tài)電壓信號(hào)幅值在區(qū)內(nèi)故障時(shí)要大于區(qū)外故障，而且幅值大小隨著故障距離的增大而減小。因此雷擊情況下，［2kHz，10kHz］頻帶內(nèi)的暫態(tài)電壓信號(hào)能準(zhǔn)確反映故障位置。

5.4 雷擊致故障

雷擊致故障指雷擊使得線路絕緣擊穿而出現(xiàn)接地故障。文中雷擊到故障發(fā)生持續(xù)時(shí)間為5ms，分別對(duì)故障過(guò)渡電阻為1Ω、10Ω和80Ω的情況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖17～圖19所示。

圖17 過(guò)渡電阻為1Ω時(shí)，雷擊致故障下不同故障距離暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖Fig．17 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under lightning inducing fault condition and transition resistance is 1Ω

圖18 過(guò)渡電阻為10Ω時(shí)，雷擊致故障下不同故障距離暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖Fig．18 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under lightning inducing fault condition and transition resistance is 10Ω

圖19 過(guò)渡電阻為80Ω時(shí)，雷擊致故障下不同故障距離暫態(tài)電壓信號(hào)頻譜圖Fig．19 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signals of different fault distances under lightning inducing fault condition and transition resistance is 80Ω

分析圖17～圖19可知，雷擊致線路故障時(shí)，在保護(hù)安裝處，頻率位于［14kHz，20kHz］的暫態(tài)電壓幅值大小隨故障距離的變化區(qū)別不大，所以雷擊致線路故障情況下，頻率位于［14kHz，20kHz］的暫態(tài)電壓信號(hào)無(wú)法區(qū)分線路區(qū)內(nèi)、外故障。而頻率位于［2kHz，14kHz］這一頻帶內(nèi)暫態(tài)電壓信號(hào)幅值在區(qū)內(nèi)故障時(shí)要大于區(qū)外故障，而且幅值大小隨著故障距離的增大而減小。因此雷擊致線路故障情況下，［2kHz，14kHz］頻帶內(nèi)的暫態(tài)電壓信號(hào)能準(zhǔn)確反映故障位置。

通過(guò)對(duì)各類(lèi)型的線路故障進(jìn)行仿真分析可知，在故障信號(hào)主能量頻帶內(nèi)，雷擊情況下，頻率位于［10kHz，20kHz］的暫態(tài)電壓分量作為故障信號(hào)無(wú)法區(qū)分線路末端故障與區(qū)外故障，而頻率位于［2kHz，10kHz］的暫態(tài)電壓分量作為故障信號(hào)可以準(zhǔn)確反映故障位置。在線路發(fā)生接地故障時(shí)，包括金屬性接地故障、非金屬性接地故障以及雷擊致線路故障，頻率位于［14kHz，20kHz］的暫態(tài)電壓分量作為故障信號(hào)無(wú)法反映故障位置，而頻率位于［2kHz，14kHz］的暫態(tài)電壓分量作為故障信號(hào)可以準(zhǔn)確反映故障位置。為了在各種故障類(lèi)型下可以從原理上實(shí)現(xiàn)線路全長(zhǎng)保護(hù)，可以選用頻率位于［2kHz，10kHz］的暫態(tài)電壓分量作為故障信號(hào)，即用以區(qū)分線路區(qū)內(nèi)、外故障的故障信號(hào)特征頻帶可以定為［2kHz，10kHz］

6 結(jié)論

本文結(jié)合云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)，得出了線路邊界透射系數(shù)阻帶。通過(guò)分析直流線路上常見(jiàn)類(lèi)型的故障信號(hào)的頻率特性，得出了邊界透射系數(shù)阻帶內(nèi)的故障信號(hào)的主能量頻帶。通過(guò)對(duì)直流線路上各種類(lèi)型故障在不同故障距離處的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得出了主能量頻帶內(nèi)的特征頻帶。在保護(hù)安裝處，特征頻帶所對(duì)應(yīng)的暫態(tài)電壓幅值滿足:區(qū)內(nèi)故障大于區(qū)外故障，而且幅值大小隨著故障距離的增大而減小。因此，特征頻帶內(nèi)的暫態(tài)電壓可以準(zhǔn)確反映故障位置，可以提取特征頻帶內(nèi)的暫態(tài)量作為故障信息。并且得出以下結(jié)論:

(1)過(guò)渡電阻的增大對(duì)主能量頻帶的分布幾乎沒(méi)有影響，雷擊致故障情況下的故障信號(hào)主能量頻帶分布與接地故障類(lèi)似。

(2)由平波電抗器和直流濾波器組成的線路邊界對(duì)高頻量的衰減是引起保護(hù)安裝處檢測(cè)到的區(qū)內(nèi)、外故障暫態(tài)量出現(xiàn)差異的主要原因。邊界透射系數(shù)阻帶內(nèi)的故障信號(hào)，其區(qū)內(nèi)、外故障暫態(tài)特征差異最為顯著。

(3)邊界阻帶內(nèi)的故障信號(hào)主能量頻帶為［2kHz，20kHz］，用以區(qū)分線路區(qū)內(nèi)、外故障的故障信號(hào)特征頻帶為［2kHz，10kHz］。

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