胡振华，李海锋，武霁阳

(华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640)



±500kV同塔双回直流线路雷击暂态特性及行波保护响应

胡振华，李海锋，武霁阳

(华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640)

直流线路的雷击暂态过程是影响其行波保护动作性能的重要因素之一，对此研究了同塔双回直流线路雷击暂态特征及其对行波保护的影响特点。首先，对不同雷击情况下的同塔双回直流线路雷击暂态特性进行了仿真分析，发现相较于下层极线雷击，双回上层极线雷击对线路电气量的影响较大。其次，根据SIEMENS行波保护的雷击响应特性，分析认为非故障性绕击时，对于雷击极线上层极线绕击误动风险大于下层极线绕击；由于双回极线间的耦合影响，雷电流时间越长、闪络时间越晚时，非雷击极线的误动风险越高。最后，根据电压和电流变化量的响应特性，提出了一种减少双回直流极线雷击误动的改进方案，并通过算例验证了该方案的有效性。

雷击暂态；同塔双回；直流系统；西门子；行波保护；改进方案

高压直流输电具有传输距离长、容量大和控制灵活等优点，我国已有多条建成运行的直流工程，其在电力需求和发展中发挥重要的作用。而长距离的直流工程难免穿越雷电活动剧烈的区域，雷击事故时有发生。如2008年兴安直流“5·5”事件，由于受逆变侧强雷雨天气的影响，首先极I行波保护动作，重启不成功后闭锁，并引起极II接地极电流不平衡保护动作而闭锁[1]。2011年6月5日，楚穗直流孤岛调试期间发生双极相继闭锁，经过分析这是由于雷电绕击一极线路，引起非故障极感应过电压而引起行波保护误动。在我国高压直流线路跳闸事故中，雷击跳闸比例大于40%[2]。雷击行波属于暂态量，在耦合情况下其特性复杂，严重时可引起直流线路保护的误动作，包括非故障性雷击误动作、故障性雷击引起非故障线路的误动。因此，研究雷击暂态特性及其对行波保护动作性能的影响对于确保直流输电线路的正常运行具有重要意义。

由于同塔双回直流线路存在复杂不对称的多极线耦合，使得雷击行波在双回直流线路中的传播特性更加复杂。近年来国内外学者通过研究单回直流线路的雷击暂态特性和行波保护响应特性，提出了一些短路故障和雷击干扰识别的方法和建议[3-6]。然而，对于同塔双回直流系统，分析主要集中在线路耐雷水平方面[7-11]，关于雷击暂态特性和行波保护响应的分析较少。

本文基于PSCAD/EMTDC仿真软件，全面分析了不同雷击情况下的同塔双回直流线路的暂态特性；在此基础上，分析了行波保护判据对雷击的响应特性；最后，结合同塔双回直流线路雷击暂态特性，提出了一种减少双回直流极线雷击误动的改进方案。

1　仿真建模

1.1雷电流模型

雷电模型采用国内外通用的双指数电流波[12]

(1)

式中：i(t)为雷电流瞬时值，t为时间；Im为雷电流峰值；-1/T1为波头衰减系数；-1/T2为波尾衰减系数。

雷电流波形为1.2/50 μs(即雷电流波头时间为1.2 μs，雷电流半峰值时间为50 μs，下同)；通道波阻抗为300 Ω。

1.2直流系统模型

本文根据实际直流工程参数，建立同塔双回直流系统的PSCAD/EMTDC仿真模型。其中双回直流系统极线分布方式如图1所示。

图1　双回直流系统极线分布方式

1.3杆塔模型

当进行反击分析时，杆塔的影响不能忽略。因雷电流波头时间为1.2～50 μs，高压直流输电线路的杆塔高度一般大于40 m，可将杆塔视为分布参数传输线，为此本文采用了多波阻抗杆塔模型[11,13]。

2　同塔双回直流线路雷击暂态特征分析

线路雷击主要有绕击和反击。绕击为雷电波绕过避雷线直接落到输电线路。如果绕击雷未导致杆塔绝缘子闪络，称为非故障性绕击，此时保护不应当动作；而当绕击或反击造成绝缘子击穿，演变为经杆塔接地的短路故障时，保护装置则应快速动作。

在实际系统中，雷击正极线的概率较高。而在同塔双回直流线路中，则存在两根正极极线且位置不同，故其雷击暂态特性也将有所不同，这也是其区别于单回双极直流线路的不同之处。为此，下面分别对1-P极和2-P极各种雷电绕击和反击下直流线路的电气量暂态特征进行研究。分析中，取线路中点为雷击点，非故障性绕击、故障性绕击和反击下的雷电流峰值分别是-15 kA、-30 kA和-45 kA。

2.1非故障性绕击

双回直流线路非故障性绕击时的雷击极线电气量特征如图2所示。雷电波到达测量点后，雷击极线电压迅速下降，而后波动式上升，最后围绕工作电压轴线振荡；雷击极线电流波头为尖顶波，波头过后围绕工作电流轴线振荡。

图2　非故障性绕击暂态特性

从图2可以看出，在相同的雷击条件下，1-P极绕击时，雷击极线电气量峰值大于2-P极绕击。表明，双回上层正极线绕击，对雷击极正常运行的影响大于下层正极线绕击。

2.2故障性绕击

双回1-P极和2-P极故障性绕击时，雷击极线电压特性如图3所示。绝缘闪络后，雷击极线电压迅速上升，而后波动式下降并围绕零轴线振荡，且1-P极绕击时电压振荡幅度大于2-P极绕击。

图3　故障性绕击时雷击极线暂态特性

非雷击极线电气量暂态波头耦合特性复杂，多次上下剧烈振荡。非雷击回的另一正极线路(称之为非雷击正极，如1-P极雷击时的2-P极、2-P极雷击时的1-P极)电压和电流暂态特性如图4(a)和(b)所示，电压波头上升，而电流波头下降；且1-P极绕击时2-P极电气量的波动幅度大于2-P极绕击时1-P极电气量。图4(c)和(d)为1-N极电压和电流暂态特性，电压和电流波头均上升，且可以看出，1-P极绕击时，对1-N极电气量的影响小于2-P极绕击。

图4　故障性绕击时非雷击极线暂态特性

2.3雷击杆塔反击

双回1-P极和2-P极反击暂态特性如图5所示。绝缘闪络瞬间，闪络极线电压呈现雷电冲击特征，持续时间很短；闪络极线经杆塔接地后，其电压呈现接地故障特征并趋于零轴线。由于波头过后，闪络极线电压曾短时上升，所以闪络极线电流先上升，而后波动式下降。

图5　反击暂态特性

3　行波保护响应分析

行波保护是根据所检测到的线路电气量的行波特征，来判断线路的运行状态。由于行波保护主要是利用行波初期的信息，因而所需要的动作时间较短。而能否正确识别线路的故障类型，是评价行波保护优劣的重要因素。在SIEMENS行波保护中，通过电压变化率、电压变化量和电流变化量来识别线路故障。

行波保护特征量及其整定值均采用标幺值，输出判据为

(2)

式中：dU/dt为电压变化率，Δ1为其整定值；ΔU为电压变化量，Δ2为其整定值；ΔI为电流变化量，Δ31、Δ32为其对应整流侧和逆变侧的整定值。

下面具体分析式(2)所示行波保护判据在雷击情况下的响应特性，其中行波保护采样频率为150μs。分析中，考虑到不同雷电参数对行波保护的影响，分别选取了1.2/50μs和10/350μs两种雷电波形进行测试。

3.1非故障性绕击

双回正极极线非故障性绕击时，雷击极线行波保护响应特性如图6所示。从图6可知，雷电波越长，保护特征量越大，雷击极线行波保护越容易误动。相比1.2/50μs雷击，10/350μs雷击时，dU/dt和ΔI均大于整定值，ΔU波头段先升后降，峰值接近于整定值，雷击极线行波保护处于误动的边缘。而且1-P极绕击时保护特征量大于2-P极绕击，相较于2-P极，1-P极承受了更大的误动风险，在10/350μs雷击时更加明显。

图6　非故障性绕击时雷击极线响应特性

3.2故障性绕击

当雷电流幅值增大时，雷击闪络率增加。设雷电流峰值为-30kA，双回正极线路绕击时绝缘闪络。雷击极线dU/dt和ΔI首先动作，虽然ΔU起始阶段小于整定值，但随着接地特征逐渐显著，ΔU增大并动作，如图7所示，行波保护应正确动作。

图7　故障性绕击时雷击极线ΔU响应特性

1.2/50μs和10/350μs两种雷电流绕击时，均以半峰值时间作为闪络时刻，非雷击极线行波保护响应特性如图8、图9所示。在非雷击极线中，dU/dt均满足动作条件，ΔU和ΔI是引起行波保护误动的关键因素。由图8可知，雷电波越长，如10/350μs绕击故障时，非雷击回的另一正极线路(2-P极或1-P极)ΔU后续峰值越大，ΔI波头段下降，后续波动峰值越接近于整定值，行波保护误动风险越大；对于高雷电流峰值的波尾闪，下层2-P极雷击故障时，1-N极ΔU波头峰值增幅较大，此时1-N极行波保护也具有较高的误动风险(如图9所示)；2-N极响应特性与1-N相似，且保护特征量小于1-N极，则文中不再给出。从而，为了减少故障性绕击时非雷击极线行波保护误动，应从ΔU和ΔI上寻找应对方法。

图8　故障性绕击时非雷击回的另一正极线路响应特性

图9　故障性绕击时1-N极ΔU响应特性

3.3雷击杆塔反击

反击时，闪络极线接地故障特征显著，ΔU呈不断上升特性，如图10所示，行波保护应正确动作。根据仿真结果可知，由于雷电冲击持续时间短，且受行波保护采样频率的影响，非闪络极线保护特征量受雷电流峰值、波长影响较小，因而其误动风险较小，如图11所示。

图10　反击时闪络极线ΔU响应特性

图11　反击时非闪络正极极线ΔU响应特性

4　同塔双回直流线路行波保护改进方案

4.1雷击对行波保护影响的响应特点

根据上述分析可知，雷电流波长和闪络时间较长时，非雷击极线耦合更加严重，可导致ΔU和ΔI特征量动作，从而引起行波保护误动。且进一步分析发现，雷击类型和极线位置不同时，双回直流极线ΔU和ΔI的特征具有较大差异：

a) 故障性绕击或反击时，雷击极线ΔU在波头段呈不断上升趋势，如图7、图10所示。

b) 非故障性绕击时，雷击极线ΔU波头段先大幅上升，后下降至零轴线，波动较大，如图6所示。

c) 雷电绕击和反击时，非雷击回的另一正极极线ΔI波头段下降明显，为负值，如图8所示；非雷击负极极线ΔU特性与非故障性绕击雷击极线相似，如图9所示，在波头段先升后降。

4.2行波保护闭锁方案

为了减少同塔双回直流线路雷击误动的风险，提出一种短时闭锁行波保护的改进方案，闭锁逻辑如图12所示，闭锁方案启动方式为：

a)ΔU启动闭锁。当ΔU动作后，短时闭锁行波保护，时长为Tc。

b) 非雷击正极闭锁判定。在ΔI波头段，若ΔI<Δ4(Δ4为整流侧ΔI闭锁整定值，且Δ4<0)或ΔI>Δ5(Δ5为逆变侧ΔI闭锁整定值，且Δ5>0)满足，且在Tc内，表明本极线为非雷击正极极线误动，则闭锁保护。

c) 非故障性绕击雷击极或非雷击负极判定。在ΔU波头段，若ΔU>Δ2(延展时长为Tc)和ΔU<Δ6(Δ6为ΔU闭锁整定值，且Δ6<Δ2)与运算输出“1”，且在Tc内，则本极线为非故障性绕击雷击极线或非雷击极线负极(1-N极或2-N极)极线误动，则闭锁保护。

d) 若ΔU和ΔI判定均不满足，且超过Tc后，则本极线为雷击故障时的故障极线，闭锁保护功能关闭，保护正常动作。

图12　双回行波保护雷击改进方案

4.3算例验证

对于不同的雷击类型，经过PSCAD/EMTDC大量仿真测试，此闭锁方案对于减少双回直流线路雷击行波保护误动，具有可靠性。

图13给出2-P极发生严重的非故障性绕击时所提改进方案的响应情况。雷电流波形为50/1 000μs，雷电流峰值为-55kA，雷击点为线路中点，且取Tc=6ms，Δ2=0.4，Δ31=0.15，Δ4=-0.4，Δ6=0.2。由图13可知，当无闭锁方案时，雷击极线2-P极、非雷击极线1-P极和1-N极保护都将误动；而增加闭锁方案后，行波保护将不再误动。

图13　2-P极非故障性绕击时ΔU和ΔI响应特性

5　结论

本文分析了同塔双回直流线路遭受绕击和反击时，直流线路的雷击暂态特性和行波保护响应特性，结论如下：

a) 双回直流线路非故障性绕击时，相比2-P极，绕击1-P极雷击极线行波保护更容易误动，且雷电流越长，误动风险越大。

b) 雷击故障后，故障极线电气量行波呈现接地故障特征，ΔU呈不断上升趋势。雷电绕击时，非雷击正极和1-N极保护具有较高的误动风险；反击时，非闪络极线受雷电流峰值、闪络时间影响较小，保护误动风险较小。

c) 提出了一种减少雷击行波保护误动的改进方案，该方案通过双回直流极线ΔU和ΔI的雷击响应特性，在行波保护短时闭锁时间内，来区分雷击故障与雷击非故障、雷击极线与非雷击极线，对行波保护的优化提供参考意见。

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(编辑王朋)

Lightning Transient Characteristic and Travelling Wave Protection Response of ±500kVDoubleCircuitDCLinesontheSameTower

HU Zhenhua, LI Haifeng, WU Jiyang

(SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510640,China)

LightningtransientprocessofDClinesisoneofimportantfactorsinfluencingactionperformanceoftravellingwaveprotection.Therefore,thispaperstudieslightningtransientcharacteristicofdoublecircuitDClinesonthesametowerandcharacteristicofitsinfluenceontravellingwaveprotection.Firstly,itmakessimulationanalysisonlightningtransientcharacteristicunderdifferentlightningsituationsanddiscoversthatinfluenceoflightningofupperpolarlinesonelectricalquantityisgreaterthanthatoflowerpolarlines.AccordingtolightningresponsecharacteristicofSiemenstravellingwaveprotection,itanalyzesandconsidersatthetimeofnon-faultshieldingfailure,riskofshieldingmalfunctionoftheupperpolarisgreaterthanthatofthelowerpolar.Duetocouplinginfluencebetweendoublecircuitlines,itisconsideredthatwhentimeoflightningcurrentislongerandflashovertimeislater,malfunctionriskofnon-lightningpolarishigher.Accordingtoresponsecharacteristicsofvariationofvoltageandcurrent,itproposesakindofimprovementschemeforreducinglightningmalfunctionofdoublecircuitDClinesandverifiesvaladityofthisschemebyexamples.

lightningtransient;doublecircuitlinesonthesametower;DCsystem;Siemens;travellingwaveprotection;improvementscheme

2016-05-23

国家自然科学基金(51577072)；中央高校基本科研业务费专项资金 (2013ZZ028)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.016

TM773

A

1007-290X(2016)08-0085-06

胡振华(1991)，男，河南鹿邑人。在读硕士研究生，主要研究方向为高压直流输电技术。

李海锋(1976)，男，广东广州人。副教授，工学博士，主要研究方向为电力系统故障分析与继电保护。

武霁阳(1987)，男，黑龙江哈尔滨人。在读博士研究生，主要研究方向为高压直流输电技术。