胡振華，李海鋒，武霽陽

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

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±500kV同塔雙回直流線路雷擊暫態(tài)特性及行波保護響應(yīng)

胡振華，李海鋒，武霽陽

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

直流線路的雷擊暫態(tài)過程是影響其行波保護動作性能的重要因素之一，對此研究了同塔雙回直流線路雷擊暫態(tài)特征及其對行波保護的影響特點。首先，對不同雷擊情況下的同塔雙回直流線路雷擊暫態(tài)特性進行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)相較于下層極線雷擊，雙回上層極線雷擊對線路電氣量的影響較大。其次，根據(jù)SIEMENS行波保護的雷擊響應(yīng)特性，分析認為非故障性繞擊時，對于雷擊極線上層極線繞擊誤動風(fēng)險大于下層極線繞擊；由于雙回極線間的耦合影響，雷電流時間越長、閃絡(luò)時間越晚時，非雷擊極線的誤動風(fēng)險越高。最后，根據(jù)電壓和電流變化量的響應(yīng)特性，提出了一種減少雙回直流極線雷擊誤動的改進方案，并通過算例驗證了該方案的有效性。

雷擊暫態(tài)；同塔雙回；直流系統(tǒng)；西門子；行波保護；改進方案

高壓直流輸電具有傳輸距離長、容量大和控制靈活等優(yōu)點，我國已有多條建成運行的直流工程，其在電力需求和發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。而長距離的直流工程難免穿越雷電活動劇烈的區(qū)域，雷擊事故時有發(fā)生。如2008年興安直流“5·5”事件，由于受逆變側(cè)強雷雨天氣的影響，首先極I行波保護動作，重啟不成功后閉鎖，并引起極II接地極電流不平衡保護動作而閉鎖[1]。2011年6月5日，楚穗直流孤島調(diào)試期間發(fā)生雙極相繼閉鎖，經(jīng)過分析這是由于雷電繞擊一極線路，引起非故障極感應(yīng)過電壓而引起行波保護誤動。在我國高壓直流線路跳閘事故中，雷擊跳閘比例大于40%[2]。雷擊行波屬于暫態(tài)量，在耦合情況下其特性復(fù)雜，嚴重時可引起直流線路保護的誤動作，包括非故障性雷擊誤動作、故障性雷擊引起非故障線路的誤動。因此，研究雷擊暫態(tài)特性及其對行波保護動作性能的影響對于確保直流輸電線路的正常運行具有重要意義。

由于同塔雙回直流線路存在復(fù)雜不對稱的多極線耦合，使得雷擊行波在雙回直流線路中的傳播特性更加復(fù)雜。近年來國內(nèi)外學(xué)者通過研究單回直流線路的雷擊暫態(tài)特性和行波保護響應(yīng)特性，提出了一些短路故障和雷擊干擾識別的方法和建議[3-6]。然而，對于同塔雙回直流系統(tǒng)，分析主要集中在線路耐雷水平方面[7-11]，關(guān)于雷擊暫態(tài)特性和行波保護響應(yīng)的分析較少。

本文基于PSCAD/EMTDC仿真軟件，全面分析了不同雷擊情況下的同塔雙回直流線路的暫態(tài)特性；在此基礎(chǔ)上，分析了行波保護判據(jù)對雷擊的響應(yīng)特性；最后，結(jié)合同塔雙回直流線路雷擊暫態(tài)特性，提出了一種減少雙回直流極線雷擊誤動的改進方案。

1　仿真建模

1.1雷電流模型

雷電模型采用國內(nèi)外通用的雙指數(shù)電流波[12]

(1)

式中：i(t)為雷電流瞬時值，t為時間；Im為雷電流峰值；-1/T1為波頭衰減系數(shù)；-1/T2為波尾衰減系數(shù)。

雷電流波形為1.2/50 μs(即雷電流波頭時間為1.2 μs，雷電流半峰值時間為50 μs，下同)；通道波阻抗為300 Ω。

1.2直流系統(tǒng)模型

本文根據(jù)實際直流工程參數(shù)，建立同塔雙回直流系統(tǒng)的PSCAD/EMTDC仿真模型。其中雙回直流系統(tǒng)極線分布方式如圖1所示。

圖1　雙回直流系統(tǒng)極線分布方式

1.3桿塔模型

當進行反擊分析時，桿塔的影響不能忽略。因雷電流波頭時間為1.2～50 μs，高壓直流輸電線路的桿塔高度一般大于40 m，可將桿塔視為分布參數(shù)傳輸線，為此本文采用了多波阻抗桿塔模型[11,13]。

2　同塔雙回直流線路雷擊暫態(tài)特征分析

線路雷擊主要有繞擊和反擊。繞擊為雷電波繞過避雷線直接落到輸電線路。如果繞擊雷未導(dǎo)致桿塔絕緣子閃絡(luò)，稱為非故障性繞擊，此時保護不應(yīng)當動作；而當繞擊或反擊造成絕緣子擊穿，演變?yōu)榻?jīng)桿塔接地的短路故障時，保護裝置則應(yīng)快速動作。

在實際系統(tǒng)中，雷擊正極線的概率較高。而在同塔雙回直流線路中，則存在兩根正極極線且位置不同，故其雷擊暫態(tài)特性也將有所不同，這也是其區(qū)別于單回雙極直流線路的不同之處。為此，下面分別對1-P極和2-P極各種雷電繞擊和反擊下直流線路的電氣量暫態(tài)特征進行研究。分析中，取線路中點為雷擊點，非故障性繞擊、故障性繞擊和反擊下的雷電流峰值分別是-15 kA、-30 kA和-45 kA。

2.1非故障性繞擊

雙回直流線路非故障性繞擊時的雷擊極線電氣量特征如圖2所示。雷電波到達測量點后，雷擊極線電壓迅速下降，而后波動式上升，最后圍繞工作電壓軸線振蕩；雷擊極線電流波頭為尖頂波，波頭過后圍繞工作電流軸線振蕩。

圖2　非故障性繞擊暫態(tài)特性

從圖2可以看出，在相同的雷擊條件下，1-P極繞擊時，雷擊極線電氣量峰值大于2-P極繞擊。表明，雙回上層正極線繞擊，對雷擊極正常運行的影響大于下層正極線繞擊。

2.2故障性繞擊

雙回1-P極和2-P極故障性繞擊時，雷擊極線電壓特性如圖3所示。絕緣閃絡(luò)后，雷擊極線電壓迅速上升，而后波動式下降并圍繞零軸線振蕩，且1-P極繞擊時電壓振蕩幅度大于2-P極繞擊。

圖3　故障性繞擊時雷擊極線暫態(tài)特性

非雷擊極線電氣量暫態(tài)波頭耦合特性復(fù)雜，多次上下劇烈振蕩。非雷擊回的另一正極線路(稱之為非雷擊正極，如1-P極雷擊時的2-P極、2-P極雷擊時的1-P極)電壓和電流暫態(tài)特性如圖4(a)和(b)所示，電壓波頭上升，而電流波頭下降；且1-P極繞擊時2-P極電氣量的波動幅度大于2-P極繞擊時1-P極電氣量。圖4(c)和(d)為1-N極電壓和電流暫態(tài)特性，電壓和電流波頭均上升，且可以看出，1-P極繞擊時，對1-N極電氣量的影響小于2-P極繞擊。

圖4　故障性繞擊時非雷擊極線暫態(tài)特性

2.3雷擊桿塔反擊

雙回1-P極和2-P極反擊暫態(tài)特性如圖5所示。絕緣閃絡(luò)瞬間，閃絡(luò)極線電壓呈現(xiàn)雷電沖擊特征，持續(xù)時間很短；閃絡(luò)極線經(jīng)桿塔接地后，其電壓呈現(xiàn)接地故障特征并趨于零軸線。由于波頭過后，閃絡(luò)極線電壓曾短時上升，所以閃絡(luò)極線電流先上升，而后波動式下降。

圖5　反擊暫態(tài)特性

3　行波保護響應(yīng)分析

行波保護是根據(jù)所檢測到的線路電氣量的行波特征，來判斷線路的運行狀態(tài)。由于行波保護主要是利用行波初期的信息，因而所需要的動作時間較短。而能否正確識別線路的故障類型，是評價行波保護優(yōu)劣的重要因素。在SIEMENS行波保護中，通過電壓變化率、電壓變化量和電流變化量來識別線路故障。

行波保護特征量及其整定值均采用標幺值，輸出判據(jù)為

(2)

式中：dU/dt為電壓變化率，Δ1為其整定值；ΔU為電壓變化量，Δ2為其整定值；ΔI為電流變化量，Δ31、Δ32為其對應(yīng)整流側(cè)和逆變側(cè)的整定值。

下面具體分析式(2)所示行波保護判據(jù)在雷擊情況下的響應(yīng)特性，其中行波保護采樣頻率為150μs。分析中，考慮到不同雷電參數(shù)對行波保護的影響，分別選取了1.2/50μs和10/350μs兩種雷電波形進行測試。

3.1非故障性繞擊

雙回正極極線非故障性繞擊時，雷擊極線行波保護響應(yīng)特性如圖6所示。從圖6可知，雷電波越長，保護特征量越大，雷擊極線行波保護越容易誤動。相比1.2/50μs雷擊，10/350μs雷擊時，dU/dt和ΔI均大于整定值，ΔU波頭段先升后降，峰值接近于整定值，雷擊極線行波保護處于誤動的邊緣。而且1-P極繞擊時保護特征量大于2-P極繞擊，相較于2-P極，1-P極承受了更大的誤動風(fēng)險，在10/350μs雷擊時更加明顯。

圖6　非故障性繞擊時雷擊極線響應(yīng)特性

3.2故障性繞擊

當雷電流幅值增大時，雷擊閃絡(luò)率增加。設(shè)雷電流峰值為-30kA，雙回正極線路繞擊時絕緣閃絡(luò)。雷擊極線dU/dt和ΔI首先動作，雖然ΔU起始階段小于整定值，但隨著接地特征逐漸顯著，ΔU增大并動作，如圖7所示，行波保護應(yīng)正確動作。

圖7　故障性繞擊時雷擊極線ΔU響應(yīng)特性

1.2/50μs和10/350μs兩種雷電流繞擊時，均以半峰值時間作為閃絡(luò)時刻，非雷擊極線行波保護響應(yīng)特性如圖8、圖9所示。在非雷擊極線中，dU/dt均滿足動作條件，ΔU和ΔI是引起行波保護誤動的關(guān)鍵因素。由圖8可知，雷電波越長，如10/350μs繞擊故障時，非雷擊回的另一正極線路(2-P極或1-P極)ΔU后續(xù)峰值越大，ΔI波頭段下降，后續(xù)波動峰值越接近于整定值，行波保護誤動風(fēng)險越大；對于高雷電流峰值的波尾閃，下層2-P極雷擊故障時，1-N極ΔU波頭峰值增幅較大，此時1-N極行波保護也具有較高的誤動風(fēng)險(如圖9所示)；2-N極響應(yīng)特性與1-N相似，且保護特征量小于1-N極，則文中不再給出。從而，為了減少故障性繞擊時非雷擊極線行波保護誤動，應(yīng)從ΔU和ΔI上尋找應(yīng)對方法。

圖8　故障性繞擊時非雷擊回的另一正極線路響應(yīng)特性

圖9　故障性繞擊時1-N極ΔU響應(yīng)特性

3.3雷擊桿塔反擊

反擊時，閃絡(luò)極線接地故障特征顯著，ΔU呈不斷上升特性，如圖10所示，行波保護應(yīng)正確動作。根據(jù)仿真結(jié)果可知，由于雷電沖擊持續(xù)時間短，且受行波保護采樣頻率的影響，非閃絡(luò)極線保護特征量受雷電流峰值、波長影響較小，因而其誤動風(fēng)險較小，如圖11所示。

圖10　反擊時閃絡(luò)極線ΔU響應(yīng)特性

圖11　反擊時非閃絡(luò)正極極線ΔU響應(yīng)特性

4　同塔雙回直流線路行波保護改進方案

4.1雷擊對行波保護影響的響應(yīng)特點

根據(jù)上述分析可知，雷電流波長和閃絡(luò)時間較長時，非雷擊極線耦合更加嚴重，可導(dǎo)致ΔU和ΔI特征量動作，從而引起行波保護誤動。且進一步分析發(fā)現(xiàn)，雷擊類型和極線位置不同時，雙回直流極線ΔU和ΔI的特征具有較大差異：

a) 故障性繞擊或反擊時，雷擊極線ΔU在波頭段呈不斷上升趨勢，如圖7、圖10所示。

b) 非故障性繞擊時，雷擊極線ΔU波頭段先大幅上升，后下降至零軸線，波動較大，如圖6所示。

c) 雷電繞擊和反擊時，非雷擊回的另一正極極線ΔI波頭段下降明顯，為負值，如圖8所示；非雷擊負極極線ΔU特性與非故障性繞擊雷擊極線相似，如圖9所示，在波頭段先升后降。

4.2行波保護閉鎖方案

為了減少同塔雙回直流線路雷擊誤動的風(fēng)險，提出一種短時閉鎖行波保護的改進方案，閉鎖邏輯如圖12所示，閉鎖方案啟動方式為：

a)ΔU啟動閉鎖。當ΔU動作后，短時閉鎖行波保護，時長為Tc。

b) 非雷擊正極閉鎖判定。在ΔI波頭段，若ΔI<Δ4(Δ4為整流側(cè)ΔI閉鎖整定值，且Δ4<0)或ΔI>Δ5(Δ5為逆變側(cè)ΔI閉鎖整定值，且Δ5>0)滿足，且在Tc內(nèi)，表明本極線為非雷擊正極極線誤動，則閉鎖保護。

c) 非故障性繞擊雷擊極或非雷擊負極判定。在ΔU波頭段，若ΔU>Δ2(延展時長為Tc)和ΔU<Δ6(Δ6為ΔU閉鎖整定值，且Δ6<Δ2)與運算輸出“1”，且在Tc內(nèi)，則本極線為非故障性繞擊雷擊極線或非雷擊極線負極(1-N極或2-N極)極線誤動，則閉鎖保護。

d) 若ΔU和ΔI判定均不滿足，且超過Tc后，則本極線為雷擊故障時的故障極線，閉鎖保護功能關(guān)閉，保護正常動作。

圖12　雙回行波保護雷擊改進方案

4.3算例驗證

對于不同的雷擊類型，經(jīng)過PSCAD/EMTDC大量仿真測試，此閉鎖方案對于減少雙回直流線路雷擊行波保護誤動，具有可靠性。

圖13給出2-P極發(fā)生嚴重的非故障性繞擊時所提改進方案的響應(yīng)情況。雷電流波形為50/1 000μs，雷電流峰值為-55kA，雷擊點為線路中點，且取Tc=6ms，Δ2=0.4，Δ31=0.15，Δ4=-0.4，Δ6=0.2。由圖13可知，當無閉鎖方案時，雷擊極線2-P極、非雷擊極線1-P極和1-N極保護都將誤動；而增加閉鎖方案后，行波保護將不再誤動。

圖13　2-P極非故障性繞擊時ΔU和ΔI響應(yīng)特性

5　結(jié)論

本文分析了同塔雙回直流線路遭受繞擊和反擊時，直流線路的雷擊暫態(tài)特性和行波保護響應(yīng)特性，結(jié)論如下：

a) 雙回直流線路非故障性繞擊時，相比2-P極，繞擊1-P極雷擊極線行波保護更容易誤動，且雷電流越長，誤動風(fēng)險越大。

b) 雷擊故障后，故障極線電氣量行波呈現(xiàn)接地故障特征，ΔU呈不斷上升趨勢。雷電繞擊時，非雷擊正極和1-N極保護具有較高的誤動風(fēng)險；反擊時，非閃絡(luò)極線受雷電流峰值、閃絡(luò)時間影響較小，保護誤動風(fēng)險較小。

c) 提出了一種減少雷擊行波保護誤動的改進方案，該方案通過雙回直流極線ΔU和ΔI的雷擊響應(yīng)特性，在行波保護短時閉鎖時間內(nèi)，來區(qū)分雷擊故障與雷擊非故障、雷擊極線與非雷擊極線，對行波保護的優(yōu)化提供參考意見。

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(編輯王朋)

Lightning Transient Characteristic and Travelling Wave Protection Response of ±500kVDoubleCircuitDCLinesontheSameTower

HU Zhenhua, LI Haifeng, WU Jiyang

(SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510640,China)

LightningtransientprocessofDClinesisoneofimportantfactorsinfluencingactionperformanceoftravellingwaveprotection.Therefore,thispaperstudieslightningtransientcharacteristicofdoublecircuitDClinesonthesametowerandcharacteristicofitsinfluenceontravellingwaveprotection.Firstly,itmakessimulationanalysisonlightningtransientcharacteristicunderdifferentlightningsituationsanddiscoversthatinfluenceoflightningofupperpolarlinesonelectricalquantityisgreaterthanthatoflowerpolarlines.AccordingtolightningresponsecharacteristicofSiemenstravellingwaveprotection,itanalyzesandconsidersatthetimeofnon-faultshieldingfailure,riskofshieldingmalfunctionoftheupperpolarisgreaterthanthatofthelowerpolar.Duetocouplinginfluencebetweendoublecircuitlines,itisconsideredthatwhentimeoflightningcurrentislongerandflashovertimeislater,malfunctionriskofnon-lightningpolarishigher.Accordingtoresponsecharacteristicsofvariationofvoltageandcurrent,itproposesakindofimprovementschemeforreducinglightningmalfunctionofdoublecircuitDClinesandverifiesvaladityofthisschemebyexamples.

lightningtransient;doublecircuitlinesonthesametower;DCsystem;Siemens;travellingwaveprotection;improvementscheme

2016-05-23

國家自然科學(xué)基金(51577072)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金 (2013ZZ028)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.016

TM773

A

1007-290X(2016)08-0085-06

胡振華(1991)，男，河南鹿邑人。在讀碩士研究生，主要研究方向為高壓直流輸電技術(shù)。

李海鋒(1976)，男，廣東廣州人。副教授，工學(xué)博士，主要研究方向為電力系統(tǒng)故障分析與繼電保護。

武霽陽(1987)，男，黑龍江哈爾濱人。在讀博士研究生，主要研究方向為高壓直流輸電技術(shù)。