摘要：为了探究雷击引起的高频暂态信号对输电线路行波保护的影响，提出了一种基于积分判据的雷击与故障识别方法。在不引起故障的情况下，利用雷击引起的对称电流波形特征以及在很短的时间间隔内由故障产生的非对称电流波形，并分别对时间轴上方和下方的暂态电流波形进行积分。通过对它们的相对比值与阈值的比较，构建了雷击和故障识别的主判据。为了提高雷击与故障的识别的可靠性，根据它们的差值还定义了附加判据。仿真结果和分析表明，所提出的积分判据可以用于雷击与故障的识别，且将主判据和附加判据结合起来可以提高雷击与故障识别的可靠性。
关键词：输电线路；行波保护；雷击；波形特性；故障识别
1 引言
特高压直流线路遭受雷击在实际运行中屡见不鲜，加之特高压直流线路的两极间电位差很大，电磁耦合强度高，电网运行中已出现多起由雷击导致的行波保护误动事故．运行分析表明，发生频率最高的情况为较小幅值的雷电流绕过避雷线直接击中直流线路的一极，引起对极非雷击线路行波的保护误动，进而导致特高压直流系统双极相继闭锁的事故。因此，有必要开展雷击情况下非雷击线路的误动机理的分析、梳理，以提高特高压直流系统的运行可靠性。
2 雷击线路方式
特高压直流线路在实际运行中可能遭受雷击有两种方式，分别为绕击和反击，其中绕击又分为非故障性绕击和故障性绕击。在对特高压直流线路雷击过程建模之前，首先要对这两种雷击方式进行梳理、分析。雷电流绕过避雷线、杆塔直接击中输电线路统称为绕击，相当于有电流直接注入输电线路。雷电绕击线路时，雷电流中蕴含的能量向线路进行释放，会造成雷击线路电压、电流骤升或骤降。因为两级线路之间的电磁耦合，非雷击线路的电气量也会随之波动，如果雷电流比较轻微，对线路不构成破坏性影响，没有使得行波保护动作，认为这种绕击是非故障性质的，也称为非故障性绕击。当雷电流注入线路后使得线路和杆塔之间暂态电压的绝对值大于绝缘子两端的耐受电压时，绝缘子会发生闪络。此时，线路通过闪络的绝缘子和杆塔与大地相连，相当于在发生雷电绕击的同时又发生接地故障，行波保护检测到故障发生后动作切除雷击线路，认为这种绕击是故障性的，也称为故障性绕击。线路都装设有避雷线的避雷设施，当雷电没有直接击中输电线路，而击中杆塔顶端或避雷线时，由于杆塔和大地直接相连，巨大的雷电流通过杆塔或避雷线接地。避雷线或杆塔有一定的阻抗，雷电流流过时会使得杆塔横担或避雷线与线路之间形成电势差。当此电势差超过绝缘子两端耐受电压时，绝缘子同样会发生闪络，进而线路通过闪络的绝缘子和杆塔接地，具有明显的接地故障特征，行波保护也会动作，这种情况下被称之为反击。
3 行波保护原理
典型特高压直流输电线路行波保护是取线路末端的电压、电流经过计算得到3个保护特征量，分别是dU/dt、ΔU以及ΔI。dU/dt的基本计算方法是对线路电压进行微分，结果表征线路电压波动速率，ΔU和ΔI的基本计算方法都是用当前时刻的电压、电流减去一段时间之前的电压、电流，结果表征线路电压、电流波动的剧烈程度。每一个特征量都有与之对应的门槛值，当故障行波沿线路传播至保护安装处时，如果特征量达到既定门槛值则认为满足了幅值条件。但是，为了避免行波保护3个特征量偶然满足导致的保护误动，特高压直流线路行波保护引入特征量在时序上的配合，只有当3个特征量在满足了幅值条件的基础上又满足保护特定的时序关系时，行波保护才得以最终出口。
4 雷击情况下行波保护优化策略
4.1 雷击故障情况
随着特高压直流线路电压等级提高，相应的绝缘水平增强，绝大多数的雷击故障是由雷电直接绕击造成的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于避雷线对较大幅值雷电流良好的屏蔽作用，只有极少一部分雷电流能够绕击直流线路，且雷电流幅值都较小，一般为40kA以下，一次放电即可完成全部能量向线路的释放。实际运行表明，在数十毫秒的短时间内发生两次及以上小幅值雷电流绕击线路的概率很小。因此，可以认为没有因为Td时间内电压判据的闭锁引入带来雷击情况下新的行波保护选择性问题。绕击的雷电流在10kA时雷击线路和非雷击线路的行波保护均没有动作，观察到三个保护特征量没有全部满足幅值条件，同时雷击线路在雷击结束后迅速恢复至正常状态，因此可判断行波保护动作正确。当雷电流达到20kA以上时，雷击线路行波保护迅速动作，非雷击线路行波保护没有发生误动。
4.2 电压判据闭锁时间Td的整定
在电压判据闭锁时间Td的整定对此策略有巨大的影响，应该能够充分反映故障特征，同时，应躲过由直流系统控制响应引起的特征量剧烈波动的时间，并留有相应的裕度。因此，需要根据行波保护的响应时间和直流控制环节的作用时间进行闭锁时间Td的整定。首先，行波保护本身不带延时，行波保护的动作所需要的时间仅仅由故障行波传递至保护安装处时间TL和行波保护判据之间时序配合所需要的时间TP之和。因此，得到电压判据闭锁时间Td的一个边界为：
Td1=TL+TP
其中，当直流线路中点发生故障时，故障行波沿线路传递至整流侧或者逆变侧所需要的最短时间最大。在特高压直流工程中，如果线路长度的一半取707km，故障行波传递速度取光速c=3×108m/s，得到TL取值为2.4ms。同时，行波保护各判据在时序配合上所需的最长时间TP为18ms。因此，在最不利的情况下确定Td1边界为20.4ms。
4.3 电流判据优化策略的提出和分析
在雷击发生后，故障线路逆变侧、整流侧的行波保护相继快速动作，但是在故障发生很长一段时间后非故障线路的行波保护才相继动作，动作时间远超出行波保护的快速动作要求时限，且逆变侧动作时间远长于整流侧动作时间。考虑到逆变侧行波保护误动的原因是目前电流判据特征量?I“平滑处理，直接相减”的处理方式导致行波保护选择性不足。因此，在不更改电流判据门槛值的基础上可以有以下三种优化思路：1）在现有电流判据特征量?I“平滑处理，直接相减”的处理方式上增加“先微分，后积分”中的启动判据；2）在直流系统整流侧和逆变侧全部采用上文阐述的“先微分，后积分”的电流判据特征量?I处理方式；3）采用在直流系统整流侧和逆变侧相区分，并且两种电流判据特征量?I处理方式相结合的新模式。
5 结束语
正确识别雷击干扰是行波保护或暂态分量保护可靠性的基础。本文详细分析了雷击和故障的电流波形特征后，提出了基于积分判据的雷击和故障识别方法。在较短的时间窗口内，分别对时间轴上方和下方的暂态电流波形进行积分，并进一步将它们的相对比值定义为主要判据，且将它们的差值定义为附加判据。仿真结果和分析表明：对于普通故障和雷击而不导致输电线路故障时，主要判据具有较高的识别可靠性；对于判断雷击是否会引起故障时，有时主判据的灵敏度较低，但附加判据具有较高的灵敏度。因此，所提出的积分判据可以正确识别一般故障和雷击干扰，而且具有很高的可靠性。
参考文献
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论文作者:程鑫
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年12期
论文发表时间:2019/9/30
标签：判据论文; 线路论文; 故障论文; 雷电论文; 电流论文; 避雷线论文; 杆塔论文; 《建筑学研究前沿》2019年12期论文;