摘要：随着经济的发展和科技的进步，我国高压直流输电发展迅速，在高压直流输电系统的保护与控制理论研究方面也取得了不少成果。根据中国近年来高压直流输电线路的运行统计，雷击故障一直处于各类故障的首位，雷害已成为影响高压直流输电设备安全运行的重要因素。本文就高压直流输电线路防雷击干扰保护展开探讨。
关键词：高压；直流线路；雷击故障
随着中国“西电东送、南北互供、全国联网”电力发展战略的实施以及直流高压输电系统的大量建设，如何保障高压直流输电线路的安全运行已成为中国电力系统安全运行亟待解决的关键难题。
1高压直流输电线路雷击风险评估
1.1杆塔雷击风险评估
高压直流输电线路杆塔雷击风险评估，首先是计算输电线路的每个杆塔雷击闪络率，然后分析每个杆塔所处的地形地貌、周围植被情况以及气候条件等因素，最后根据风险评估标准对杆塔雷击闪络风险进行评估并划分雷害风险等级。本文以某高压直流输电线路为例，对区域内各个杆塔雷击闪络风险进行评估并划分等级。分别按照上述方法计算杆塔雷击闪络综合风险值，按照风险等级评估标准划分等级，得到该直流输电线路各个杆塔雷击闪络风险等级情况。
1.2杆塔雷击风险影响因素
雷电对高压直流输电线路造成的危害显然与线路所在区域雷电活动情况、线路本身耐雷水平有关，这在防雷计算过程中被考虑到。然而，除了这两点，还有其他因素影响到线路的雷击闪络率。高压直流输电线路的雷击故障分析表明，线路中存在“易击段”，即在输电线路某些区段存在更高概率或者重复性的雷击闪络情况，并且这种情况往往与该区域地形地质、气流等因素有关。但是这些因素通常被忽略且难以描述，这势必导致计算的雷击闪络率与实际情况的差异增大。所以，为更准确和有针对性地计算高压直流输电线路的雷击闪络率，需要充分考虑以上各种因素对雷击闪络情况的影响。
1.2.1外界风险评估参数
（1）地形、周围植被覆盖率。高压直流输电线路所在区域的地形，以及周边植被生长、覆盖情况，是影响杆塔雷击闪络率的重要因素。地面倾斜角较大，故其绕击闪络率也相对较大，线路所在地山区较多，杆塔击杆率较大，故其反击跳闸率也相对较大。线路附近有高大树木等，会影响线路正常运行，也可能造成严重的事故。根据经验知识，表3-1设定了地形、周围植被覆盖率及其对杆塔雷击故障的风险评估。地形、周围植被覆盖率的综合风险评估参数f1的计算如下：
（2）天气因素。空气温度升高时，导线受膨胀弧垂变大高度减小石温度降低时导线遇冷收缩拉力增大导致导线断裂。综合考虑地形、周围植被覆盖率和天气因素，得出杆塔雷击风险值表达式是：
1.2.2设定评估标准
将雷害风险等级划分为5级，划分方式如表1所示，其中S代表杆塔雷害风险的一般水平。
表1 杆塔雷害风险等级划分
2直流保护系统整体技术方案
2.1启动元件
启动元件通过检测电压信号变化来判断直流系统是否有故障发生，以启动保护后续计算。启动元件通过检测电压变化，来判断直流输电系统是否有故障发生，判据表达式为：
（1）
其中，
（2）
式中，ｕ（ｔ＋ｉ）为从当前时刻起第ｉ个采样周期后采样所得电压值；ｕ（ｔ－ｉ）为从当前时刻起第ｉ个采样周期前采样所得电压值；启动元件的采样周期可依据系统采样周期不同而灵活进行设置。△Ｕ为当前采样点附近的电压波动；△Ｕ１为正向启动门槛值；△Ｕ２为负向启动门槛值。正向门槛值主要是为了检测由雷击造成的电压异常（雷击线路或塔顶容易引起绝缘子击穿而造成很大的电压峰值）以及避免正常操作（如电容器投切）对保护装置的干扰；而反向门槛值则主要是为了检测引起直流电压下降的故障。正向门槛值和反向门槛值的设立可以防止由于系统电压非故障波动而造成保护装置频繁启动，并且在直流输电线路发生故障时能够可靠启动。由于该启动元件是通过对电压波动范围设置门槛，所以对于不同的直流输电工程，只要其电压等级相同，在整定值设定时便可以参考以前已经整定好的门槛值，故其门槛值整定较为方便。
2.2区内外故障判别元件
在整定值设定时便可以参考以前已经整定好的门槛值，故其门槛值整定较为方便。在区内、区外故障的判别方面，当前国内外广泛采用的是行波保护方案。行波是一种高频暂态信号，其具有突变性、非平稳变化等特点。小波变换能同时提取行波信号的时域和频域信息，是行波分析强有力的工具，满足行波保护对于故障特征准确提取的要求。（1）小波变换的基本理论。小波变换模极大值的定义：设函数ｆ（ｘ）在尺度ｓ下的小波变换为Ｗｓｆ（ｘ）。在ｘ０的某一邻域δ，对于一切ｘ有：
（3）
则称ｘ０为小波变换的模极大值点，｜Ｗｓｆ（ｘ）｜为小波变换的模极大值。理论与实践证明：小波变换的模极大值点与信号的突变点是一一对应的。信号的奇异度可由函数的正则性Ｌｉｐｉｓｃｈｉｔｓ指数α来表达：ＬＺ指数α的定义为：设０≤α≤１，在点ｘ０若存在唯一常数Ｋ，对ｘ０的邻域ｘ使得下式成立：
（4）
那么，称函数在点ｔ０处的ＬＺ为α。通过对小波变换分析可知：利用小波变换的模极大值可以获得信号奇异点的相关信息；噪声和信号在不同尺度的小波变换下呈现的特性是截然相反的。小波变换有很好的消噪功能，能够有效地防止信号中的噪声对故障行波中的有效信息造成影响，从而保证故障行波奇异性监测的可靠性。因此可以利用小波变换通过对行波极性的比较来对直流系统实施保护。（2）极性比较式方向保护。当输电线路内部故障时，到达线路两侧变电站的暂态电压、暂态电流行波的极性均相反，而当输电线路外部故障时，两侧变电站检测到的电压和电流行波极性均是一侧相同，一侧相反。据此可提出不同的极性比较式方向保护方案。本文利用电压暂态行波小波变换的模极大值极性比较作为区内外故障的判据，建立基于小波
描述的保护判据：
式中，ＷＳ，Ｍ（ｔ）和ＷＳ，Ｎ（ｔ）分别为同一段线路两侧检测到的电压行波在尺度ｓ下的小波变换模极大值。判据式（5）仅用到故障后电压行波的初始波头，极性检测容易实现，可靠性较高，且电压行波传播速度极快，动作几乎零延迟。其不足之处在于：（1）在较强雷击干扰的情况下可能产生误动作；（2）双极性系统中故障时由于健全极在故障极的感应下可能出现类似故障极的电压行波，导致健全极的保护装置误动作。因此在整套保护系统中加装雷击干扰及故障时故障极与健全极区分元件是有必要的。
结语
高压直流输电线路承担着远距离大容量的输电任务，在电网中占有非常重要的地位。直流输电线路的运行经验表明，雷击是造成直流输电线路闪络的最主要的因素。因此线路的防雷保护对高压直流输电线路的安全运行至关重要。
参考文献
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论文作者:保斌斌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：线路论文; 杆塔论文; 故障论文; 电压论文; 高压论文; 小波论文; 极大值论文; 《电力设备》2018年第24期论文;