云廣±800kV特高壓直流輸電線路暫態(tài)保護(hù)特征頻帶選取

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，輸電線路電壓等級也越來越高，這就對直流輸電線路保護(hù)的靈敏性和快速性提出了更高的要求。暫態(tài)保護(hù)具有快速動作性能。此外，暫態(tài)保護(hù)還具有不受過渡電阻、電流互感器(TA)飽和、系統(tǒng)振蕩和長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)成全線速動保護(hù)不依賴通信設(shè)備和通道，保護(hù)裝置的構(gòu)成簡單，易于維護(hù)和調(diào)試，可靠性更高［4-6］?；趩味藭簯B(tài)量的直流輸電線路暫態(tài)保護(hù)開始引起國內(nèi)外繼電保護(hù)工作者的注意并開展了相關(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故障暫態(tài)信號高頻量的衰減作用的情況下，提出了一種能實(shí)現(xiàn)線路全長保護(hù)的利用保護(hù)元件區(qū)分對側(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)裝置檢測到的暫態(tài)量的幅值大小與信號頻率密切相關(guān)［13］。在基于利用保護(hù)元件區(qū)分對側(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。通過分析各種類型故障信號頻率特性，得出故障信號主能量頻帶。用于區(qū)分線路區(qū)內(nèi)外故障的故障信號主能量頻帶是邊界透射系數(shù)阻帶內(nèi)故障信號能量集中部分對應(yīng)的頻帶。在故障信號主能量頻帶內(nèi)，選取滿足衰減規(guī)律—線路及邊界對故障信號的雙重衰減效果要強(qiáng)于單個(gè)線路對信號的衰減的故障信號所對應(yīng)的頻帶作為故障信號特征頻帶。

2 利用保護(hù)元件區(qū)分對側(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，特高壓直流線路對高頻量也有衰減作用，線路越長，衰減作用越強(qiáng)烈，當(dāng)特高壓直流輸電線路達(dá)到一定長度時(shí)，其對故障暫態(tài)信號高頻量的衰減作用將有可能超過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)生同類型的故障時(shí)，d3點(diǎn)故障時(shí)保護(hù)測得的故障暫態(tài)量幅值就有可能要大于d1點(diǎn)故障。所以，僅考慮線路邊界對故障高頻量有強(qiáng)烈衰減作用的邊界保護(hù)無法保護(hù)線路全長?？紤]特高壓直流輸電線路對故障暫態(tài)信號高頻量的衰減作用，本文提出利用保護(hù)元件區(qū)分對側(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)元件來區(qū)分對側(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)元件來區(qū)分對側(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)電壓等級為±800kV，直流額定電流3.125kA。直流輸電線路全長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)測試系統(tǒng)建立，為滿足系統(tǒng)控制的需要，本文對CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)做了部分改動。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)安裝處檢測到的區(qū)內(nèi)外故障信號出現(xiàn)差異的主要原因。差異的顯著與否與線路邊界對故障信號的衰減程度強(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。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)故障信號源，故障信號能量的大小與信號頻率特性相關(guān)。如果所選頻帶內(nèi)的故障信號能量較小，加上線路的衰減作用，保護(hù)安裝處所檢測到的故障信號能量就很小，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)，就會引起保護(hù)的誤動，嚴(yán)重影響了保護(hù)的可靠性。

通過上文分析可知，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來判別故障位置，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它是故障信號的主能量頻帶。下面通過對邊界透射系數(shù)的頻率特性和故障信號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)，還能通過限制由快速電壓變化所引起的電流變化率來降低換相失敗率;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)過線路邊界時(shí)會發(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)安裝處檢測到的來自故障點(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，隨著信號頻率的增大，邊界對信號的透射系數(shù)在減小，當(dāng)信號頻率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)安裝處檢測到的故障信號差異明顯，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。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 故障信號頻譜分析

高壓直流輸電線路上較常見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。下面分別對這四種工況進(jìn)行仿真分析，得出不同類型故障信號的頻率特性圖，然后總結(jié)得出故障信號的主能量頻帶。在分析各種類型故障信號頻率特性時(shí)，只對邊界透射系數(shù)阻帶內(nèi)的故障信號加以分析，本文采樣率fs=200kHz，因此本文只對［2kHz，100kHz］頻帶內(nèi)故障信號進(jìn)行頻率特性分析，即以下故障信號頻譜圖中橫軸范圍為［2kHz，100kHz］，文中仿真分析是以電壓信號為例。

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始的時(shí)間及故障持續(xù)時(shí)間，本文接地故障開始時(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)，過渡電阻設(shè)置為0.01Ω。通過仿真分析，得到金屬性接地時(shí)故障暫態(tài)電壓信號頻譜圖，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，本文分別對過渡電阻為10Ω、50Ω和200Ω的情況進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同過渡電阻下，非金屬性接地故障時(shí)暫態(tài)電壓信號頻譜圖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)電壓信號頻譜圖可知，隨著過渡電阻的增大，暫態(tài)電壓幅值在減小，但是故障信號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)生過電壓，當(dāng)絕緣子串兩端電壓超過絕緣子串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關(guān)模型來模擬故障性雷擊，將絕緣子串兩端電壓的絕對值作為壓控開關(guān)的輸入電壓，絕緣子串50%的放電電壓作為壓控開關(guān)的控制電壓，并且開關(guān)處于常開狀態(tài)。如果輸入電壓大于開關(guān)的控制電壓，則開關(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)電壓信號頻譜圖Fig．8 Magnitude frequency characteristic of transient voltage signal under lightning condition

式中，Lx為絕緣子串長度(單位:m)，云廣±800kV直流輸電線路絕緣串長度為8.8～11.8m，其中絕緣子串長度8.8m與10.8m分別占40%與50%［21］，本文絕緣子串長度定為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取絕對值后，分別作為壓控開關(guān)的輸入電壓，壓控開關(guān)的控制電壓為5888.4kV，當(dāng)壓控開關(guān)的輸入電壓大于控制電壓時(shí)，對應(yīng)的壓控開關(guān)閉合。圖10中用斷路器的開閉來表示壓控開關(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 不同過渡電阻下，雷擊致故障時(shí)暫態(tài)電壓信號頻譜圖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，過渡電阻的增大使得暫態(tài)電壓幅值減小，但是故障信號主能量頻帶保持在［2kHz，20kHz］范圍內(nèi)不變。

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

5 故障信號特征頻帶

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)處測得的故障量幅值大小與故障信號頻率有關(guān)。為了使利用保護(hù)元件區(qū)分對側(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，應(yīng)該選取主能量頻帶內(nèi)的特征頻段的暫態(tài)信號作為故障信號，該故障信號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)故障信號幅值要大于區(qū)外故障。為了確定故障信號主能量頻帶內(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)邊界之外對各類型故障分別作仿真分析。

5.1 金屬性接地

分別對距離整流側(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)安裝處測得的不同故障距離的暫態(tài)電壓信號頻譜圖如圖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)電壓信號無法區(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，本文分別對過渡電阻為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)電壓信號能準(zhǔn)確反映故障位置。

圖13 過渡電阻為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)安裝處測得的不同故障距離的暫態(tài)電壓信號頻譜圖如圖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是無法區(qū)分線路末端故障與區(qū)外故障，即無法實(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，分別對故障過渡電阻為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)電壓信號無法區(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)電壓信號能準(zhǔn)確反映故障位置。

通過對各類型的線路故障進(jìn)行仿真分析可知，在故障信號主能量頻帶內(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無法區(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無法反映故障位置，而頻率位于［2kHz，14kHz］的暫態(tài)電壓分量作為故障信號可以準(zhǔn)確反映故障位置。為了在各種故障類型下可以從原理上實(shí)現(xiàn)線路全長保護(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，即用以區(qū)分線路區(qū)內(nèi)、外故障的故障信號特征頻帶可以定為［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。通過分析直流線路上常見類型的故障信號的頻率特性，得出了邊界透射系數(shù)阻帶內(nèi)的故障信號的主能量頻帶。通過對直流線路上各種類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)過渡電阻的增大對主能量頻帶的分布幾乎沒有影響，雷擊致故障情況下的故障信號主能量頻帶分布與接地故障類似。

(2)由平波電抗器和直流濾波器組成的線路邊界對高頻量的衰減是引起保護(hù)安裝處檢測到的區(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，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)、外故障的故障信號特征頻帶為［2kHz，10kHz］。

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