摘要：特高压直流输电系统的线路主保护采用基于暂态电气量变化原理构成的行波保护，其算法简单但易受干扰的特点在运行多年的超高压直流输电工程中得到证实。南方电网“8.19”、“6.5”事件均为雷击单极输电线路后，对极行波保护误动导致云广特高压直流线路双极相继闭锁。这表明由特高压直流输电线路电压等级高、耦合程度强等特点而引发的雷击时行波保护动作可靠性问题有待进一步研究。基于此，本文对特高压直流输电线路雷击故障仿真与故障选报方案进行分析。
关键词：特高压；输电线路；雷击；暂态仿真；选报
近年来我国直流输电工程发展迅速，一大批直流输电工程相继投运。直流线路距离长，发生故障的几率大，实际运行经验表明我国直流输电系统故障中有50%为线路故障，因此直流线路保护对确保直流系统的安全稳定运行起着重要作用。
目前针对特高压直流输电线路雷击故障的仿真已开展了一些研究工作。对雷电放电模型、绝缘子模型、杆塔模型等进行组合，模拟输电线路雷击杆塔的暂态过程，但未涉及与保护动态响应特性研究工作相关的适用模型。均以实验装置展开对特高压直流线路绕击的仿真工作，得到了地面倾角和保护角大小对绕击率的影响，提出了降低绕击率的有效措施，其实验结果能为仿真。
1雷击暂态仿真方法
运行经验表明，直击雷是导致高压输电线路跳闸的主要原因。由直击雷导致的线路闪络分为绕击和反击两类。雷击杆塔或避雷线时发生的线路闪络称为反击，此时雷电流沿杆塔和避雷线流入大地，杆塔和避雷线的波阻抗及接地电阻使得杆顶电位骤升，当绝缘子串两端电压差超出其耐受电压时，线路发生闪络；雷电流绕过避雷线直接击中导线并产生雷电过电压时称为绕击。
1.1雷电流源
研究表明，可通过受控电流源与等值波阻抗的并联电路实现雷电流源。我国在防雷保护设计中建议采用2．6μs的波头长度，为简化防雷计算，采用2．6/50μs的等值斜角波表示雷电流。由于75%～90%的雷电流都是负极性的，本文采用负极性雷电流。雷电通道波阻抗Z0取值为300Ω。
1.2杆塔模型
在反击过程中，杆塔顶部的电位升高使得绝缘子串发生闪络，因此，杆塔模型的选择对于雷击暂态仿真非常重要。应用比较广泛的杆塔模型有集中电感模型和波阻抗模型，其中，波阻抗模型包括单一波阻抗模型和多波阻抗模型。由于雷电波从塔的顶部传播到塔基是需要时间的，则波阻抗模型优越于集中电感模型，而多波阻抗模型精度高于单一波阻抗模型。
本文在PSCAD暂态仿真软件中采用多波阻抗模型对杆塔进行仿真，使用Bergeron模型搭建杆塔波阻抗模型。双极直流输电线路的杆塔模型见图，图中:杆塔波阻抗ZT取为150Ω；考虑到横担的影响，横担波阻抗ZA取为200Ω；杆塔接地电阻Ｒg取为10Ω；波速度取为300m/μs。
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1)通过绝缘子串等值电容与压控开关的并联实现绝缘子串闪络模型，满足绝缘子闪络判据时，压控开关导通，雷电流源与输电线产生通路，发生闪络；不满足绝缘子闪络判据时，压控开关不导通。
2)绝缘子串闪络判据:若绝缘子串两端电压Us与绝缘子串伏秒特性曲线Us－t相交，判定为闪络发生。
1.4输电线路模型
在现有仿真方法中，常用输电线路模型一般有Bergeron模型和Marti模型，其中，Marti模型考虑了Bergeron模型没有计及的输电线路参数的频率相关特性，其计算结果与常参数Bergeron模型相比，精确度可以提高25%左右。考虑到线路参数随频率变化，雷电流波形中不同频率的谐波分量在传播过程中的衰减和畸变不同，本文雷击暂态仿真中采用Marti模型仿真输电线路。
2雷击故障极的判定
2.1故障选极判据
高压直流输电线路发生故障后，故障极线路与非故障极电压突变量幅值的比值近似等于导线的自阻抗和互阻抗之比。利用高压直流输电线路导线自阻抗大于互阻抗，从而故障极电压突变量幅值大于非故障极这一特征，可以构建单端选极判据。
算法启动判据:
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式中:i=1，2，……，N；N代表选取计算窗口内的采样点个数；j代表p或n，表示正极或负极；r表示整流侧线路电气量测量点，i表示逆变侧线路电气量测量点；Δurj表示正极或负极直流线路整流侧电压突变量。k1为线路整流侧故障极选取判据启动值。
2.2仿真验证
高压直流输电线路上发生雷击，可能产生两种结果:雷击导致直流输电线路对地闪络，称为故障性雷击(lightning－inducedfault，LIF)；雷击未致直流输电线路闪络，称为雷击干扰(lightningdisturbance，LD)。
本文在双极全压对称正送运行方式下，设置6种仿真案例如下:对正极线路上不同位置的故障性雷击进行仿真，雷击位置取为距离整流侧测量点为线路总长的0．1%、10%和50%，仿真故障情况分别表示为“LIF，0．1%”、“LIF，10%”、“LIF，50%”，雷电流幅值取为60kA；负极线路中点发生雷击故障，表示为“N，LIF”，雷电流幅值取为60kA；双极线路中点发生雷击故障，表示为“LL，LIF”，雷电流幅值取为100kA；发生雷击干扰，表示为“LD”。本文积分计算的数据窗长度选为5ms，采样频率为100kHz，则计算范围内的采样点个数N为500。图8给出了以上6种仿真情况下正极线路整流侧电压突变量积分值∑Ni=1Δurp和负极线路整流侧电压突变量积分值∑Ni=1Δurn。k1取为0．1时，5种雷击故障情况下故障选极判据均启动；发生雷击干扰时，电压突变量积分值小于门槛值，故障选极判据不启动，单极故障时，故障极线路电压突变量积分值远大于非故障极，双极故障时，两极线路电压突变量积分值基本相等。
本文故障选极判据能够准确判别故障极，且留有较大裕度。k3取为0．8，k4取为1．2时，可以准确判别双极故障。作者其他大量仿真结果表明，该故障选极判据在各种短路接地故障情况下也能正确判定故障极。
结语:
本文给出了在PSCAD暂态仿真计算软件中实现的高压直流输电线路雷击的暂态仿真方法；在不同的双极直流输电系统运行方式下，对雷击暂态过程中的绝缘子串两端电压进行了仿真计算；提出了基于电压突变量积分值的单端故障选极判据，该判据仅计算电压突变量积分值及其比值，计算量小，算法简单可靠，节省通信时间，避免了双端判据可能出现的通信误差，具有工程实用意义。本文研究内容对于高直流输电线路故障暂态分析、线路保护技术、故障定位技术和防雷技术等相关研究具有参考作用。
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论文作者:李平伟
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签：线路论文; 故障论文; 判据论文; 模型论文; 阻抗论文; 杆塔论文; 雷电论文; 《电力设备》2019年第19期论文;