0 引言

　　特高壓直流輸電系統(tǒng)的線路主保護采用基于暫態(tài)電氣量變化原理構(gòu)成的行波保護，其算法簡單但易受干擾的特點在運行多年的超高壓直流輸電工程中得到證實[1-6]。南方電網(wǎng)“8.19”、“6.5”事件均為雷擊單極輸電線路后，對極行波保護誤動導(dǎo)致云廣特高壓直流線路雙極相繼閉鎖。這表明由特高壓直流輸電線路電壓等級高、耦合程度強等特點而引發(fā)的雷擊時行波保護動作可靠性問題有待進一步研究。

　　目前針對特高壓直流輸電線路雷擊故障的仿真已開展了一些研究工作。文獻[7]對雷電放電模型、絕緣子模型、桿塔模型等進行組合，模擬了輸電線路雷擊桿塔的暫態(tài)過程，但未涉及與保護動態(tài)響應(yīng)特性研究工作相關(guān)的適用模型。文獻[8-9]均以實驗裝置展開對特高壓直流線路繞擊的仿真工作，得到了地面傾角和保護角大小對繞擊率的影響，提出了降低繞擊率的有效措施，其實驗結(jié)果能為仿真的正確性驗證提供參考。文獻[10-13]綜合架空線以及桿塔上的雷擊暫態(tài)過程，分析了特高壓直流輸電線路的耐雷特性，指出對線路最具威脅性的雷擊類型，對特高壓線路雷擊過程仿真具有重要參考價值。但其仿真方法并不適用于雷擊暫態(tài)波頭特征捕捉仿真所需的小步長仿真研究中。綜合以上分析，對于特高壓線路遭受雷擊后行波保護的響應(yīng)分析研究工作亟需一種更具有普遍適用能力的小步長仿真方法及模型。

　　本文以南方電網(wǎng)某特高壓直流工程為背景，基于PSCAD/EMTDC搭建實際直流控制保護模型，采用snapshot技術(shù)進行雷電暫態(tài)過程分段模擬，進行特高壓直流線路雷擊暫態(tài)過程與行波保護響應(yīng)的小步長仿真研究。分析了發(fā)生非故障性繞擊、故障性繞擊及反擊時行波保護安裝處相關(guān)電氣量的暫態(tài)過程特征，對比各情況下雷擊極與非雷擊極行波保護主要判據(jù)dU/dt、DU、DI的響應(yīng)特性，揭示了行波保護不正確動作的機理，提出了提升行波保護雷擊擾動下動作可靠性的優(yōu)化思路。

　　1 特高壓直流線路雷擊仿真模型

　　1.1 研究系統(tǒng)概述

　　本文采用PSCAD/EMTDC軟件搭建的某特高壓直流輸電系統(tǒng)研究其雷擊暫態(tài)過程響應(yīng)及行波保護響應(yīng)特性，其基本參數(shù)見表1，所采用的保護控制模型判據(jù)與實際工程一致。

　　表1 某特高壓直流輸電系統(tǒng)基本參數(shù)

　　

 

　　1.2 特高壓直流線路雷擊模型

　　圖1為特高壓直流輸電線路雷擊模型。虛線內(nèi)i0為圖2受雷電流模型控制的電流源[14-16]，其波形如圖2所示;Z0表示雷電通道波阻抗，取300 Ω，i0、Z0組成的并聯(lián)電路表示雷電流注入時的彼德遜等效電路;開關(guān)S1、S2、S3的不同組合用于代表不同雷擊情況;T表示桿塔。模擬各雷擊情況時的開關(guān)組合見表2。

　　

 

　　圖1 特高壓直流線路雷擊模型

　　

 

　　圖2 雙指數(shù)函數(shù)表示的雷電流

　　表2 雷擊模擬情況與開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系

　　

 

　　2 特高壓直流線路雷擊暫態(tài)過程

　　2.1 非故障性繞擊暫態(tài)分析

　　發(fā)生非故障性繞擊時，相當于在線路上直接合閘一直流電流源。本文在正極線路上加載幅值為

　　15 kA的負極性雷電流進行非故障性繞擊仿真，保護安裝處兩極電流和電壓的暫態(tài)過程如圖3、4所示。由于行波色散和衰減特性，圖3保護安裝處雷擊極暫態(tài)電流幅值峰值遠小于雷電流幅值，即為約5.4 kA，波形與接地故障類似;非雷擊極電流感應(yīng)暫態(tài)電流與雷擊極方向相同，幅值約為3.2 kA，且恢復(fù)速度快。二者在雷電流作用過后恢復(fù)額定值。

　　圖4為非故障繞擊的電壓暫態(tài)過程，起始階段，由于電磁耦合作用兩極電壓暫態(tài)量呈現(xiàn)出對稱關(guān)系，后在雷電流作用階段雷擊極變化情況與雷電流極性一致，非雷擊極上也感應(yīng)出相同極性的電壓暫態(tài)量，雷電流過后兩極電壓對稱波動，最終兩極電壓電流均回到正常運行水平。

　　

 

　　圖3 15 kA繞擊時保護安裝處電流暫態(tài)過程

　　

 

　　圖4 15 kA繞擊時保護安裝處電壓暫態(tài)過程

　　2.2 故障性繞擊的暫態(tài)分析

　　故障性繞擊本質(zhì)為接地故障，本文在正極線路上加載幅值為40 kA的負極性雷電流進行故障性繞擊仿真，保護安裝處兩極電流和電壓的暫態(tài)過程如圖5、6所示。暫態(tài)波形由接地故障響應(yīng)與雷擊響應(yīng)2部分疊加組成，由于雷電流幅值較大而成為主要影響因素，接地故障響應(yīng)特征并不顯著，這也成為行波保護區(qū)分故障性繞擊和非故障性繞擊的難點。

　　如圖5，雷擊極電流暫態(tài)峰值較大，約為8.5 kA，

　　并在雷電流作用過后降至零;而非雷擊極峰值約 4.1 kA，并在微小波動后回到正常值，總體波動幅度與非故障繞擊時相比僅有小幅增長。

　　如圖6，電壓暫態(tài)過程在起始階段，兩極電壓變化方向相反，但幅值不等，雷擊極峰值為-1.32 kV，

　　而非雷擊極峰值為1.71 kV。在雷電流作用階段，二者變化方向與雷電流極性一致。最終非雷擊極電壓恢復(fù)正常，而雷擊極電壓在零軸附近波動。

　　

 

　　圖5 40 kA繞擊時保護安裝處電流暫態(tài)過程

　　

 

　　圖6 40 kA繞擊時保護安裝處電壓暫態(tài)過程

　　2.3 反擊的暫態(tài)故障特征

　　反擊為雷電流經(jīng)桿塔注入線路的過程，本文在桿塔上加載幅值為40 kA的負極性雷電流進行反擊仿真，正極絕緣子發(fā)生閃絡(luò)后線路發(fā)生接地故障，保護安裝處兩極電流和電壓的暫態(tài)過程如圖7、8所示。

　　圖7故障極暫態(tài)電流峰值約為6 kA，與圖3中非故障性繞擊時雷擊極的電流峰值5.4 kA接近;非故障極暫態(tài)電流峰值3.7 kA，與圖3中非雷擊極暫態(tài)電流峰值3.6 kA接近。從波形上看，兩極變化特征與非故障性繞擊時一致，均為故障極雷電流占主要影響因素，且非故障極電流回到正常值。

　　

 

　　圖7 40 kA反擊時保護安裝處電流暫態(tài)過程

　　

 

　　圖8 40 kA反擊時保護安裝處電壓暫態(tài)過程

　　電壓暫態(tài)過程見圖8，由于反擊時暫態(tài)電流受到限制，暫態(tài)電壓峰值及波動幅度與圖4所示15 kA雷電流發(fā)生非故障性繞擊時相似，最大區(qū)別在于故障極電壓在對稱變化階段過后恢復(fù)額定值。

　　3 行波保護雷擊響應(yīng)特性分析

　　3.1 特高壓直流線路行波保護原理

　　本文仿真的行波保護模型采用西門子公司技術(shù)路線，判據(jù)及參數(shù)與實際特高壓直流工程完全一致。采樣頻率為150 µs，并利用線路末端電壓UdCH以及線路側(cè)末端電流IdLH計算電壓變化率判據(jù)dU/dt、電壓變化量判據(jù)DU以及電流判據(jù)DI。

　　1)電壓判據(jù)計算。

　　電壓判據(jù)的計算及出口流程如圖9所示。圖中計算dU/dt判據(jù)及DU判據(jù)時，采用不同采樣時間原因在于2個判據(jù)作用不同。dU/dt判據(jù)是為了區(qū)分區(qū)外故障與區(qū)內(nèi)故障，而DU判據(jù)是為了區(qū)分擾動與故障。

　　

 

　　圖9 行波保護電壓判據(jù)計算

　　2)電流判據(jù)計算。

　　電流判據(jù)的計算及出口流程如圖10所示，其中整流側(cè)電流判據(jù)為DII，逆變側(cè)電流判據(jù)為DIR。圖中采用時間延遲去除電直流分量構(gòu)成判據(jù)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)分本極故障與對極故障的功能。

　　

 

　　圖10 行波保護電流判據(jù)計算

　　3.2 dU/dt判據(jù)雷擊響應(yīng)特征

　　dU/dt 判據(jù)雷擊響應(yīng)結(jié)果如圖11所示。仿真結(jié)果表明，無論發(fā)生何種類型雷擊，雷擊極及非雷擊極的dU/dt判據(jù)均滿足定值要求。圖11(a)(c)(e)中各雷擊情況下雷擊極dU/dt判據(jù)均在波頭上升階段滿足整定值。由于故障性繞擊及反擊本質(zhì)為接地故障，dU/dt判據(jù)在保護動作后便低于整定值;而非故障性繞擊不引起保護動作，其dU/dt判據(jù)在雷電暫態(tài)后一直在整定值附近振蕩。

　　圖11(b)(d)(f)所示不同雷擊情況下非雷擊極dU/dt判據(jù)響應(yīng)最大特征在于雷電流作用階段中，dU/dt判據(jù)出現(xiàn)2次幅值較大的尖峰，其形成由雷電流極性、非雷擊極極性以及保護算法等因素綜合決定。

　　

 

　　圖11 dU/dt判據(jù)雷擊響應(yīng)

　　3.3 DU判據(jù)雷擊響應(yīng)特征

　　DU判據(jù)雷擊響應(yīng)結(jié)果如圖12所示。仿真結(jié)果表明，只有在故障性繞擊和反擊時，雷擊極的DU判據(jù)才滿足整定值。

　　圖12(a)(c)(e)所示各雷擊情況下雷擊極DU判據(jù)暫態(tài)過程中，3者波形總體形狀一致，雷電流暫態(tài)過程中均呈現(xiàn)“駝峰”形變化，且故障性繞擊與反擊的DU判據(jù)均在“駝峰”區(qū)域內(nèi)滿足定值。

　　圖12(b)(d)(f)所示不同雷擊情況下非雷擊極DU判據(jù)暫態(tài)過程中，DU不達到整定值。波形特征上故障性繞擊與反擊在雷電流暫態(tài)過程出現(xiàn)后的振蕩峰值內(nèi)相似，最后逐漸趨于零。而非故障性繞擊時，DU判據(jù)則不斷圍繞零軸振蕩。

　　

 

　　圖12 DU判據(jù)雷擊響應(yīng)

　　3.4 DI判據(jù)雷擊響應(yīng)特征

　　DI判據(jù)雷擊響應(yīng)結(jié)果如圖13所示。仿真結(jié)果表明，只有在故障性繞擊和反擊時，雷擊極的DI判據(jù)才滿足整定值。

　　由圖13(a)(c)(e)各雷擊情況下雷擊極DI判據(jù)響應(yīng)可得，故障性繞擊與反擊時DI判據(jù)均在波頭上升階段滿足整定值，雷電流過后下降為零。非故障性繞擊不造成保護動作，DI判據(jù)在零軸附近振蕩后恢復(fù)正常水平。

　　圖13(b)(d)(f)所示不同雷擊情況下非雷擊極DI判據(jù)暫態(tài)過程中，DI不滿足定值。其中非故障性繞擊時DI波動后恢復(fù)正常值，而故障性繞擊與反擊中，DI在雷電流階段變化情況與非故障性繞擊時相似，而雷擊極保護動作后則發(fā)生上升后再下降的變化特征。

　　

 

　　圖13 DI判據(jù)雷擊響應(yīng)

　　3.5 行波保護優(yōu)化思路

　　由以上分析可知，發(fā)生故障性繞擊及反擊時，非故障極線路的DU判據(jù)、DI判據(jù)由于兩極線路耦合[17]出現(xiàn)感應(yīng)電壓，在雷電流波頭上升階段可能出現(xiàn)滿足整定值的情況最終導(dǎo)致非故障極線路行波保護誤動的情況，為此提出以下優(yōu)化思路：

　　1)在電壓判據(jù)出口增加閉環(huán)閉鎖邏輯，使之在一段時間內(nèi)只出口1次，防止雷電流過后判據(jù)抖動導(dǎo)致滿足整定值而誤動的情況。

　　2)適當提高DI判據(jù)整定值的計算系數(shù)，犧牲靈敏度，提高可靠性。

　　3)在計算電流判據(jù)時，可改用平波電抗器后的電流，此時電流中高頻分量已濾除，可減緩雷電流過后DI判據(jù)的波動幅度。

　　4 結(jié)論

　　1)非故障性繞擊本質(zhì)為雷電流瞬間注入線路造成直流系統(tǒng)擾動，若其后發(fā)生絕緣子閃絡(luò)便成為故障性繞擊，反擊本質(zhì)為接地故障與雷電流的疊加。因此發(fā)生非故障性繞擊時行波保護不應(yīng)該動作，而發(fā)生故障性繞擊或反擊時行波保護應(yīng)該正確動作。

　　2)保護安裝處電流暫態(tài)過程表現(xiàn)為故障性繞擊時出現(xiàn)較大峰值，非故障性繞擊與反擊時峰值相當，但能通過電流最終變化區(qū)分2者。電壓暫態(tài)過程3者一致，為暫態(tài)瞬間對稱變化，雷電流作用階段變化與雷電流極性相同，雷電流過后對稱波動。

　　3)雷擊極與非雷擊極的dU/dt判據(jù)在各種雷擊下均滿足整定值;DU判據(jù)僅在故障性與反擊時雷擊極上所呈現(xiàn)曲線的“駝峰”區(qū)域內(nèi)滿足整定值;DI判據(jù)僅在故障性繞擊與反擊時雷擊極雷電流作用階段內(nèi)滿足定值要求。

　　4)減少行波保護在雷擊情況下不正確動作的可能性，主要從優(yōu)化DU判據(jù)與DI判據(jù)著手。