摘要：高压直流输电线路极线间的电磁耦合，在雷击情况下特别明显。一极发生故障将同时在健全极线上感应出暂态电气量，有可能造成健全极线路保护误动，从而导致单极故障时双极停运，影响送端电网和受端电网的安全稳定运行。本文在对雷击暂态仿真方法进行研究分析的基础上，以±660kV高压直流输电线路为例，利用PSCAD暂态仿真软件建立了雷击暂态仿真模型，分析了雷电流幅值对直流输电线路绝缘的影响。为避免雷击故障后非故障极的线路保护误动，提出了基于电压突变量积分值及其比值的单端故障选极判据。
关键词：高压直流输电线路；雷击故障仿真；故障选极方案
引言
特高压直流输电线路极线间存在着电磁耦合，一极发生故障将同时在健全极线上感应出暂态电气量，有可能造成健全极线路保护误动，从而导致单极故障时双极停运，影响送端电网和受端电网的安全稳定运行。雷电流频率范围较大，且含有较多高次谐波，高压直流输电线路极线间的电磁耦合作用在雷击情况下特别明显。现有大部分直流工程的控制保护系统没有考虑高频分量的电磁耦合，提出具有实用价值的可靠故障选极判据很有必要。利用电流的低频分量构造了故障选极判据，但没有校验该判据在雷击故障、高过渡电阻故障和双极故障时的动作特性。
1高压直流输电线路故障和保护概述
直流输电线路故障一般以线路绝缘水平降低而产生的对地闪络为主，包括雷击、污秽、山火或树枝触碰等;其次，还存在交直流线路碰线和直流线路断线等故障。交流同塔双回线路跨线故障达占总故障类型81.6%，同样，直流线路复合线路故障类型多，对系统冲击大。直流线路故障引起电气量突变，波形不断折反射产生高频暂态过程，包含丰富故障信息，可用于故障识别和保护设置等。输电线路故障时，静电和电磁耦合、极间功率支援等在健全极线路感应电压和电流，幅值与导线布置等密切相关，影响故障特性和保护配置。直流线路主保护采用行波保护和微分欠电压保护，后备保护采用线路纵差保护和长时限直流欠压保护。主保护速度快，但微分运算对噪声敏感，电流和电压值瞬时值受噪声和色散等干扰，高频暂态波头识别窗口时间短，保护易受雷电、开关分合、交流侧故障、换相失败等过程中暂态干扰，存在耐受过渡电阻能力有限，无法区分线路末端故障和对站极母线故障，不能保护线路全长的情况，通过定值区分保护范围。直流线路布置方式需权衡送受端交流系统、输电线路电压等级、线路数量、输电走廊的地理环境和气象条件等多方面因素，直流线路保护配置兼顾导线布置、故障形式、线路间相互影响方面的特点。直流线路故障识别和保护配置需要深入分析直流线路布置方式和故障形式的影响。
2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。雷击暂态仿真模型包括雷电流源、杆塔、绝缘子和输电线路等环节。本文以PSCAD暂态仿真程序为例，说明雷电流、杆塔、绝缘子闪络和输电线路等仿真模型的建立过程，为雷击暂态的仿真提供参考。
2.1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。
2.2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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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。
2.3绝缘子闪络模型
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。
2.4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。
3雷击故障极的判定
3.1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。
3.2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”。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。
结语
高压直流线路技术可大幅提高输电线路走廊利用率，应用前景广阔。文中采用的仿真平台性价比高，研究成果可支撑直流工程设计、建设、运行和维护，具有推广和应用价值。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。
参考文献
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论文作者:常伟
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/18
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