直流輸電線路雷擊情況下行波保護誤動分析

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誤動分析

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.國網(wǎng)駐馬店供電公司，河南駐馬店 463000）

在直流工程運行中，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發(fā)生誤動的案例。為此，基于實際運行中某直流工程的EMTDC/PSCAD仿真模型，對雷電流以及雷擊線路的不同方式進行了準(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的暫態(tài)過程，并對行波保護3個判據(jù)dU/dt、ΔU、ΔI的動態(tài)響應(yīng)特性進行了分析。結(jié)合行波保護的動作結(jié)果，提出在雷電干擾下行波保護誤動的原因是由于直流線路間強烈的電磁耦合導(dǎo)致特征量發(fā)生突變，從而錯誤地滿足了其門檻值，為提高直流線路行波保護的可靠性提供參考。

高壓直流輸電；雷擊線路；行波保護誤動

0 引言

直流輸電以其技術(shù)與經(jīng)濟上的優(yōu)勢，成為目前世界上電力大國解決高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離送電和電網(wǎng)互聯(lián)的一個重要手段。世界范圍內(nèi)的多個國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]。行波保護作為直流線路的主保護，具有良好的速動性，同時其保護性能不受電流互感器飽和、長線分布電容等的影響。但是，行波保護在實際運行中會出現(xiàn)因為雷電的擾動而發(fā)生誤動的情況，行波保護的可靠性還有待進一步提升。

在實際的直流輸電工程中，直流線路一般比較長且常常穿越地理環(huán)境惡劣的地區(qū)[4]。因此，直流線路遭受雷擊在運行中頻頻發(fā)生，尤其在我國南方地區(qū)雷電活動非常強烈。運行統(tǒng)計表示，受雷電的干擾，行波保護可能會發(fā)生誤動，進而導(dǎo)致?lián)Q流閥閉鎖，造成直流系統(tǒng)被迫停運，帶來重大經(jīng)濟損失[5]。這類事故表明，直流線路行波保護在雷擊擾動下的可靠性還需要提升，亟需研究行波保護在雷電干擾下動態(tài)特性進行研究。

直流線路在遭受雷擊時，雷電波通過雷電通道注入線路，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對行波保護產(chǎn)生不同的影響。目前國內(nèi)外對直流輸電線路在雷擊情況下的動態(tài)特性研究很少，往往只局限于雷電特性的研究。文獻[6]對雷電模型、桿塔模型等進行研究，仿真模擬了雷擊直流線路桿塔的暫態(tài)過程，但并未涉及行波保護。文獻[7]對幾種典型故障情況下行波保護特征量門檻值的整定方法進行了分析和改進，但并未涉及雷擊擾動。綜合上述分析，對于直流輸電線路在雷擊情況下的暫態(tài)過程和行波保護的動作特性缺少關(guān)鍵部分的研究，需要從誤動機理上進行更加深入的分析。

筆者以實際運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、桿塔模型并進行不同類型的雷擊仿真和行波保護動作特性研究。通過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特征量的暫態(tài)特征，并結(jié)合行波保護動作特性揭示了雷擊擾動下行波保護誤動機理?；谝陨戏治鼋Y(jié)果，詳細(xì)對比行波保護發(fā)生誤動和正常動作情況下特征量在時間上的配合情況，為進一步提升直流輸電線路保護的可靠性提供指導(dǎo)，具有重要的理論與實際價值。

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，通過設(shè)定參數(shù)模擬不同的雷電流，如圖1所示；控制保護部分由直流系統(tǒng)原始的處理模塊組成，處理邏輯和保護定值沿用實際工程正常運行值，保護采樣率為6.4 kHZ。整體參數(shù)見表1。

1.2 雷電流建模

雷電主放電過程具有隨機性，并且雷電流不能通過解析推導(dǎo)的方法得到。因此要實現(xiàn)對雷電流進行數(shù)學(xué)描述需要對大量實際雷電流錄波進行分析比對，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

大量實際觀測結(jié)果表明[8]，自然界的雷電流隨時間迅速上升至最大值，然后又緩慢下降，變化規(guī)律見圖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雷電流波形進行擬合，用最準(zhǔn)確的解析式進行表達。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，通過雙指數(shù)函數(shù)對雷電流進行建模，并通過指數(shù)系數(shù)精確控制雷電流的波頭時間和波尾時間，得到雷電流表達式為

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間常數(shù)，α=-1/T2；β是決定雷電流電流衰減的時間常數(shù)，β=-1/T1。筆者采用國際電工學(xué)會所推薦的一般電氣工程雷電流計算中最常用的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的彼德遜等效電路[10-11]。實際工程運行中，常見的雷擊情況有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)電壓絕對值也小，不足以使絕緣子之間的電壓差超過耐受電壓，此時稱為非故障性繞擊，如圖3（b）所示；若雷電流幅值比較大，造成暫態(tài)電壓絕對值使絕緣子兩端電壓差超過其耐受電壓，則絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，雷電流注入線路的同時線路通過桿塔接地，此時稱為故障性繞擊，如圖3（c）所示。當(dāng)雷擊塔頂時，由于桿塔具有一定的波阻抗，此時必然導(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絕緣子耐受電壓后會導(dǎo)致絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，線路通過桿塔接地，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，通過設(shè)置不同幅值的雷電流，觀察不同雷擊方式時保護安裝處的電壓暫態(tài)過程，來研究不同雷擊方式和行波保護動作特性之間的聯(lián)系。

圖4為直流輸電線路發(fā)生非故障行繞擊時保護安裝處的暫態(tài)電壓波形?？梢钥闯觯诘? ms雷擊故障發(fā)生后，負(fù)極雷擊極線路受到來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]，同時受兩級線路間強烈的電磁耦合作用，非雷擊極線路受到來自雷擊線路的電磁干擾，線路電壓也發(fā)生劇烈波動，并呈現(xiàn)出和雷擊極相對稱的變化。在雷擊結(jié)束后，雷擊極線路逐漸波動下降至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)生故障性繞擊時電壓暫態(tài)過程Fig.4 Voltage transient process of DC line during shielding failure

圖5為直流輸電線路發(fā)生故障性繞擊時保護安裝處的暫態(tài)電壓波形。可以看出，發(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時進一步加重，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)生故障性繞擊時電壓暫態(tài)過程Fig.5 Voltage transient process of DC line during shielding failure

圖6為直流輸電線路發(fā)生反擊時保護安裝處的暫態(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，保護安裝處電壓暫態(tài)過程幾乎一致，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程度相對更加劇烈。

以上仿真實例說明，無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。同時，線路電壓的劇烈波動勢必會引起線路電流的劇烈波動，因此就有可能造成非雷擊極線路行波保護的誤動。

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

2 行波保護誤動分析

2.1 行波保護原理與特征量功能分析

根據(jù)麥克斯韋經(jīng)典電磁場理論，電能在輸電線路上以電磁波的形式傳播，并存在運動的電流和電壓行波。當(dāng)直流線路發(fā)生故障時，會以故障點為起點，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，在繼電保護裝置中加以分析和處理，可構(gòu)成超高速的行波保護，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速動性要求[13]。

典型的特高壓直流輸電線路電壓行波保護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，行波保護的動作方程如下：

從式（3）可知，行波保護整體功能的實現(xiàn)需要以上3個特征量的滿足，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)對于整流側(cè)是大于某一門檻值，對于逆變側(cè)是小于一個門檻值。下面對行波保護特征量的功能做簡要分析。

電壓變化率dU/dt是將直流線路電壓按特定的時間常數(shù)進行微分，結(jié)果表征線路電壓波動速率，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)前時刻的電壓值減去一段時間之前的是電壓值，結(jié)果表征線路電壓波動劇烈程度，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)前時刻的線路電流經(jīng)過兩個時間常數(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)行波保護除了要滿足3個判據(jù)dU/dt、ΔU、ΔI的門檻值以外，還要滿足3個判據(jù)在時間上的邏輯配合，行波保護最終才能出口，典型的行波保護時間邏輯配合見圖7。

圖7 直流線路行波保護的時間配合邏輯Fig.7 The time logical relationship of WFPDL

2.2 行波保護誤動分析和改進策略

選取某直流工程典型意義下的運行工況，取直流系統(tǒng)在達到穩(wěn)定工況后作為雷擊時刻，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發(fā)生臨界誤動的情況，說明保護誤動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3個特征量在臨界誤動和不誤動情況下的響應(yīng)特性。

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

可見，對于判據(jù)ΔU和ΔI在行波保護臨界誤動時，都有較為明顯的突變，造成非雷擊線路行波保護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使得雷擊極線路電壓發(fā)生劇烈波動，使其周圍產(chǎn)生一個交變的電場，由于電磁感應(yīng)作用，非雷擊線路上會耦合出一個對地劇烈波動的電位，此為容性藕合；同時，雷電流的注入使得雷擊極線路電流劇烈波動，在其周圍產(chǎn)生一個交變的磁場，非雷擊線路上會耦合出一個沿導(dǎo)線方向的縱向電動勢，進而使得電流發(fā)生波動，此為感性藕合[15]。

因此，強大的電磁耦合作用會導(dǎo)致非雷擊線路電氣量的劇烈變化，使得行波保護判據(jù)滿足其既定的門檻值。同時，如果再次滿足行波保護各個判據(jù)間設(shè)定的時間邏輯后，行波保護就會發(fā)生誤動。

3 結(jié)論

以實際直流工程為背景，正確建立了雷電流以及直流線路雷擊模型，分析了行波保護誤動情況下的直流線路的電氣量暫態(tài)過程。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)行波保護3個判據(jù)的動態(tài)響應(yīng)并結(jié)合行波保護的實際原理提出了行波保護的誤動機理，為后續(xù)的行波保護優(yōu)化和直流工程的可靠運行提供指導(dǎo)。

[1]馬為民，樊紀(jì)超.特高壓直流輸電系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計[J].高電壓技術(shù)，2015，41（8）：2545-2549.MA Weimin，F(xiàn)AN Jichao.Planning and design of UH?VDC transmission system[J].Southern Power System Tech?nology，2015，41（8）：2545-2549.

[2]饒宏，張東輝，趙曉斌，等.特高壓直流輸電的實踐和分析[J].高電壓技術(shù)，2015，41（8）：2481-2488.RAO Hong，ZHANG Donghui，ZHAO Xiaobin，et al.Practice and analyses of UHVDC power transmission[J].Southern Power System Technology，2015，41（8）：2481-2488.

[3]張文亮，湯涌，曾南超.多端高壓直流輸電技術(shù)及應(yīng)用前景[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（9）：1-6.ZHANG Wenliang，TANG Yong，ZENG Nanchao.Multiterminal HVDC transmission technologies and its applica?tion prospects in China[J]. Power System Technology，2010，34（9）：1-6.

[4]蘆鋒，張征凱.超高壓線路保護研究現(xiàn)狀[J].電工電氣，2009（8）：1-4.LU Feng，ZHANG Zhengkai.Present study situation on ultra high-voltage line protection[J].Electrician and Elec?tric，2009（8）：1-4

[5]李書勇，郭琦，崔柳，等.特高壓直流輸電線路雷擊暫態(tài)過程與行波保護響應(yīng)特性分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（10）:2830-2835.LI Shuyong，GUO Qi，CUI Liu，et al.Thunderstruck tran?sient process of UHVDC transmission line and response characteristic of traveling wave protection[J].Power Sys?tem Technology，2015，39（10）:2830-2835.

[6]束洪春，田鑫萃，董俊，等.±800 kV云廣直流輸電線路保護的仿真及分析[J].中國電機工程學(xué)報，2011，31（31）:179-188.SHU Hongchun，TIAN Xincui，DONG Jun，et al.Simula?tion and analyses for Yun-Guang士 800 kV HVDC trans?mission line protection system[J].Proceedings of the CSEE，2011，31（31）:179-188.

[7]李愛民，蔡澤祥，任達勇，等.高壓直流輸電控制與保護對線路故障的動態(tài)響應(yīng)特性分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（11）:72-75.LI Aimin，CAI Zexia，REN Dayong，et al.Analysis on the dynamic the characteristics of HVDC control and rotec?tions for HVDC line faults[J].Automation of Electric Pow?er Systems，2009，33（11）:72-75.

[8]王祎菲，仇一凡，馮世濤，等.雷電流特性及其波形分析[J].黑龍江電力[J]，2010，32（6）：404-407.WANG Yifei1，QIU Yifan，F(xiàn)ENG Shitao，et al.Characte ristics and wave form analysis of lightning current[J]Hei?longjiang Electric Power，2010，32（6）：404-407..

[9]石光其，方厚輝.雷電電流數(shù)學(xué)模型的仿真分析[D].湖南工程學(xué)院學(xué)報，2004，14（2）:14-16.

[10]束洪春，張廣斌，楊毅，等.雷電流波形參數(shù)檢測視角下±800 kV直流輸電線路導(dǎo)線繞擊分析[J].高電壓技術(shù)，2011（5）：1203-1215.SHU Hongchun，ZHANG Guangbin，YANG Yi，et al.Electromagnetic analysis of shielding failure in 800 kV DC transmission line in the aspect of acquiring lightning parameters[J]. High Voltage Engineering，2011（5）：1203-1215.

[11]隋國平.云廣特高壓直流輸電線路雙極閉鎖時安穩(wěn)裝置的動作分析[J].高電壓技術(shù)，2012（2）:421-426.SUI Guoping.Power safe system analysis of±800 kV Yun-Guang UHVDC when bipole blocking[J].High Voltage En?gineering，2012（2）:421-426.

[12]鄭曉冬，邰能靈，楊光亮，等.特高壓直流輸電系統(tǒng)的建模與仿真[J].電力自動化設(shè)備，2012，32（7）:10-14.ZHENG Xiaodong，TAI Nengling，YANG Guangliang，et al.Modeling and simulation of UHVDC system[J].Elec?tric Powcr Automation Equipment，2012，32（7）:10-14.

[13]李書勇，郭琦，韓偉強，等，云廣直流“6·5”行波保護動作RTDS仿真分析[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2011（z2）:47-50.LI Shuyong，GUO Qi，HAN Weiqiang，et al.RTDS analy?sis of“6·5”RTDS wave protection trip in Yunnan-Guang?dong DC transmission system[J].Southern Power SystemTechnology，2011（z2）:47-50.

[14]李愛民，蔡澤祥，李曉華，等.高壓直流輸電線路行波保護影響因素分析及改進[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34（10）:76-80.LI Aimin，CAI Zexia，LI Xiaohua ，et al.Analysis of influ?ence factors and improvement of traveling wave rotections for HVDC line[J].Automation of Electric Power Systems，2010，34（10）:76-80.

[15]鄧軍，肖遙，楚金偉，等.±800 kV云廣特高壓直流線路合成電場仿真計算與測試分析[J].電力自動化設(shè)備，2015，35（2）:138-144.DENG Jun，XIAO Yao，CHU Jinwei，et al.Simulative cal?culation and measurement analysis of total electric field for 800 kV Yunnan-Guang UHVDC transmission lines[J].Electric Powcr Automation Equipment，2015，35（2）:138-144.

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。