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

胡振華，李海鋒，武霽陽(yáng)

(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(hù)響應(yīng)

胡振華，李海鋒，武霽陽(yáng)

(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(guò)程是影響其行波保護(hù)動(dòng)作性能的重要因素之一，對(duì)此研究了同塔雙回直流線路雷擊暫態(tài)特征及其對(duì)行波保護(hù)的影響特點(diǎn)。首先，對(duì)不同雷擊情況下的同塔雙回直流線路雷擊暫態(tài)特性進(jìn)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(duì)線路電氣量的影響較大。其次，根據(jù)SIEMENS行波保護(hù)的雷擊響應(yīng)特性，分析認(rèn)為非故障性繞擊時(shí)，對(duì)于雷擊極線上層極線繞擊誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)大于下層極線繞擊；由于雙回極線間的耦合影響，雷電流時(shí)間越長(zhǎng)、閃絡(luò)時(shí)間越晚時(shí)，非雷擊極線的誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)的改進(jìn)方案，并通過(guò)算例驗(yàn)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(hù)；改進(jìn)方案

高壓直流輸電具有傳輸距離長(zhǎng)、容量大和控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)已有多條建成運(yùn)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(zhǎng)距離的直流工程難免穿越雷電活動(dòng)劇烈的區(qū)域，雷擊事故時(shí)有發(fā)生。如2008年興安直流“5·5”事件，由于受逆變側(cè)強(qiáng)雷雨天氣的影響，首先極I行波保護(hù)動(dòng)作，重啟不成功后閉鎖，并引起極II接地極電流不平衡保護(hù)動(dòng)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(guò)分析這是由于雷電繞擊一極線路，引起非故障極感應(yīng)過(guò)電壓而引起行波保護(hù)誤動(dòng)。在我國(guó)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(yán)重時(shí)可引起直流線路保護(hù)的誤動(dòng)作，包括非故障性雷擊誤動(dòng)作、故障性雷擊引起非故障線路的誤動(dòng)。因此，研究雷擊暫態(tài)特性及其對(duì)行波保護(hù)動(dòng)作性能的影響對(duì)于確保直流輸電線路的正常運(yùn)行具有重要意義。

由于同塔雙回直流線路存在復(fù)雜不對(duì)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(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)研究單回直流線路的雷擊暫態(tài)特性和行波保護(hù)響應(yīng)特性，提出了一些短路故障和雷擊干擾識(shí)別的方法和建議[3-6]。然而，對(duì)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(hù)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(hù)判據(jù)對(duì)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(dòng)的改進(jìn)方案。

1　仿真建模

1.1雷電流模型

雷電模型采用國(guó)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(shí)值，t為時(shí)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(shí)間為1.2 μs，雷電流半峰值時(shí)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(shí)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(dāng)進(jìn)行反擊分析時(shí)，桿塔的影響不能忽略。因雷電流波頭時(shí)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(guò)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(shí)保護(hù)不應(yīng)當(dāng)動(dòng)作；而當(dāng)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(shí)，保護(hù)裝置則應(yīng)快速動(dòng)作。

在實(shí)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(duì)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(jìn)行研究。分析中，取線路中點(diǎn)為雷擊點(diǎn)，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(shí)的雷擊極線電氣量特征如圖2所示。雷電波到達(dá)測(cè)量點(diǎn)后，雷擊極線電壓迅速下降，而后波動(dòng)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(guò)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(shí)，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(duì)雷擊極正常運(yùn)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(shí)，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(dòng)式下降并圍繞零軸線振蕩，且1-P極繞擊時(shí)電壓振蕩幅度大于2-P極繞擊。

圖3　故障性繞擊時(shí)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(shí)的2-P極、2-P極雷擊時(shí)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(shí)2-P極電氣量的波動(dòng)幅度大于2-P極繞擊時(shí)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(shí)，對(duì)1-N極電氣量的影響小于2-P極繞擊。

圖4　故障性繞擊時(shí)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(shí)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(guò)后，閃絡(luò)極線電壓曾短時(shí)上升，所以閃絡(luò)極線電流先上升，而后波動(dòng)式下降。

圖5　反擊暫態(tài)特性

3　行波保護(hù)響應(yīng)分析

行波保護(hù)是根據(jù)所檢測(cè)到的線路電氣量的行波特征，來(lái)判斷線路的運(yùn)行狀態(tài)。由于行波保護(hù)主要是利用行波初期的信息，因而所需要的動(dòng)作時(shí)間較短。而能否正確識(shí)別線路的故障類型，是評(píng)價(jià)行波保護(hù)優(yōu)劣的重要因素。在SIEMENS行波保護(hù)中，通過(guò)電壓變化率、電壓變化量和電流變化量來(lái)識(shí)別線路故障。

行波保護(hù)特征量及其整定值均采用標(biāo)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(duì)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(hù)判據(jù)在雷擊情況下的響應(yīng)特性，其中行波保護(hù)采樣頻率為150μs。分析中，考慮到不同雷電參數(shù)對(duì)行波保護(hù)的影響，分別選取了1.2/50μs和10/350μs兩種雷電波形進(jìn)行測(cè)試。

3.1非故障性繞擊

雙回正極極線非故障性繞擊時(shí)，雷擊極線行波保護(hù)響應(yīng)特性如圖6所示。從圖6可知，雷電波越長(zhǎng)，保護(hù)特征量越大，雷擊極線行波保護(hù)越容易誤動(dòng)。相比1.2/50μs雷擊，10/350μs雷擊時(shí)，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(hù)處于誤動(dòng)的邊緣。而且1-P極繞擊時(shí)保護(hù)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(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，在10/350μs雷擊時(shí)更加明顯。

圖6　非故障性繞擊時(shí)雷擊極線響應(yīng)特性

3.2故障性繞擊

當(dāng)雷電流幅值增大時(shí)，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(shí)絕緣閃絡(luò)。雷擊極線dU/dt和ΔI首先動(dòng)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(dòng)作，如圖7所示，行波保護(hù)應(yīng)正確動(dòng)作。

圖7　故障性繞擊時(shí)雷擊極線ΔU響應(yīng)特性

1.2/50μs和10/350μs兩種雷電流繞擊時(shí)，均以半峰值時(shí)間作為閃絡(luò)時(shí)刻，非雷擊極線行波保護(hù)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(dòng)作條件，ΔU和ΔI是引起行波保護(hù)誤動(dòng)的關(guān)鍵因素。由圖8可知，雷電波越長(zhǎng)，如10/350μs繞擊故障時(shí)，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(dòng)峰值越接近于整定值，行波保護(hù)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)越大；對(duì)于高雷電流峰值的波尾閃，下層2-P極雷擊故障時(shí)，1-N極ΔU波頭峰值增幅較大，此時(shí)1-N極行波保護(hù)也具有較高的誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)(如圖9所示)；2-N極響應(yīng)特性與1-N相似，且保護(hù)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(shí)非雷擊極線行波保護(hù)誤動(dòng)，應(yīng)從ΔU和ΔI上尋找應(yīng)對(duì)方法。

圖8　故障性繞擊時(shí)非雷擊回的另一正極線路響應(yīng)特性

圖9　故障性繞擊時(shí)1-N極ΔU響應(yīng)特性

3.3雷擊桿塔反擊

反擊時(shí)，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(hù)應(yīng)正確動(dòng)作。根據(jù)仿真結(jié)果可知，由于雷電沖擊持續(xù)時(shí)間短，且受行波保護(hù)采樣頻率的影響，非閃絡(luò)極線保護(hù)特征量受雷電流峰值、波長(zhǎng)影響較小，因而其誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)較小，如圖11所示。

圖10　反擊時(shí)閃絡(luò)極線ΔU響應(yīng)特性

圖11　反擊時(shí)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(hù)改進(jìn)方案

4.1雷擊對(duì)行波保護(hù)影響的響應(yīng)特點(diǎn)

根據(jù)上述分析可知，雷電流波長(zhǎng)和閃絡(luò)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，非雷擊極線耦合更加嚴(yán)重，可導(dǎo)致ΔU和ΔI特征量動(dòng)作，從而引起行波保護(hù)誤動(dòng)。且進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，雷擊類型和極線位置不同時(shí)，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(shí)，雷擊極線ΔU在波頭段呈不斷上升趨勢(shì)，如圖7、圖10所示。

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

c) 雷電繞擊和反擊時(shí)，非雷擊回的另一正極極線ΔI波頭段下降明顯，為負(fù)值，如圖8所示；非雷擊負(fù)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(hù)閉鎖方案

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

a)ΔU啟動(dòng)閉鎖。當(dāng)ΔU動(dòng)作后，短時(shí)閉鎖行波保護(hù)，時(shí)長(zhǎng)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(dòng)，則閉鎖保護(hù)。

c) 非故障性繞擊雷擊極或非雷擊負(fù)極判定。在ΔU波頭段，若ΔU>Δ2(延展時(shí)長(zhǎng)為Tc)和ΔU<Δ6(Δ6為ΔU閉鎖整定值，且Δ6<Δ2)與運(yùn)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(fù)極(1-N極或2-N極)極線誤動(dòng)，則閉鎖保護(hù)。

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

圖12　雙回行波保護(hù)雷擊改進(jìn)方案

4.3算例驗(yàn)證

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

圖13給出2-P極發(fā)生嚴(yán)重的非故障性繞擊時(shí)所提改進(jìn)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(diǎn)為線路中點(diǎn)，且取Tc=6ms，Δ2=0.4，Δ31=0.15，Δ4=-0.4，Δ6=0.2。由圖13可知，當(dāng)無(wú)閉鎖方案時(shí)，雷擊極線2-P極、非雷擊極線1-P極和1-N極保護(hù)都將誤動(dòng)；而增加閉鎖方案后，行波保護(hù)將不再誤動(dòng)。

圖13　2-P極非故障性繞擊時(shí)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(shí)，直流線路的雷擊暫態(tài)特性和行波保護(hù)響應(yīng)特性，結(jié)論如下：

a) 雙回直流線路非故障性繞擊時(shí)，相比2-P極，繞擊1-P極雷擊極線行波保護(hù)更容易誤動(dòng)，且雷電流越長(zhǎng)，誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)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(shì)。雷電繞擊時(shí)，非雷擊正極和1-N極保護(hù)具有較高的誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)；反擊時(shí)，非閃絡(luò)極線受雷電流峰值、閃絡(luò)時(shí)間影響較小，保護(hù)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)較小。

c) 提出了一種減少雷擊行波保護(hù)誤動(dòng)的改進(jìn)方案，該方案通過(guò)雙回直流極線ΔU和ΔI的雷擊響應(yīng)特性，在行波保護(hù)短時(shí)閉鎖時(shí)間內(nèi)，來(lái)區(qū)分雷擊故障與雷擊非故障、雷擊極線與非雷擊極線，對(duì)行波保護(hù)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(guó)家自然科學(xué)基金(51577072)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)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?yàn)楦邏褐绷鬏旊娂夹g(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?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障分析與繼電保護(hù)。

武霽陽(yáng)(1987)，男，黑龍江哈爾濱人。在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)。