0 引言

　　特高压直流输电系统的线路主保护采用基于暂态电气量变化原理构成的行波保护，其算法简单但易受干扰的特点在运行多年的超高压直流输电工程中得到证实[1-6]。南方电网“8.19”、“6.5”事件均为雷击单极输电线路后，对极行波保护误动导致云广特高压直流线路双极相继闭锁。这表明由特高压直流输电线路电压等级高、耦合程度强等特点而引发的雷击时行波保护动作可靠性问题有待进一步研究。

　　目前针对特高压直流输电线路雷击故障的仿真已开展了一些研究工作。文献[7]对雷电放电模型、绝缘子模型、杆塔模型等进行组合，模拟了输电线路雷击杆塔的暂态过程，但未涉及与保护动态响应特性研究工作相关的适用模型。文献[8-9]均以实验装置展开对特高压直流线路绕击的仿真工作，得到了地面倾角和保护角大小对绕击率的影响，提出了降低绕击率的有效措施，其实验结果能为仿真的正确性验证提供参考。文献[10-13]综合架空线以及杆塔上的雷击暂态过程，分析了特高压直流输电线路的耐雷特性，指出对线路最具威胁性的雷击类型，对特高压线路雷击过程仿真具有重要参考价值。但其仿真方法并不适用于雷击暂态波头特征捕捉仿真所需的小步长仿真研究中。综合以上分析，对于特高压线路遭受雷击后行波保护的响应分析研究工作亟需一种更具有普遍适用能力的小步长仿真方法及模型。

　　本文以南方电网某特高压直流工程为背景，基于PSCAD/EMTDC搭建实际直流控制保护模型，采用snapshot技术进行雷电暂态过程分段模拟，进行特高压直流线路雷击暂态过程与行波保护响应的小步长仿真研究。分析了发生非故障性绕击、故障性绕击及反击时行波保护安装处相关电气量的暂态过程特征，对比各情况下雷击极与非雷击极行波保护主要判据dU/dt、DU、DI的响应特性，揭示了行波保护不正确动作的机理，提出了提升行波保护雷击扰动下动作可靠性的优化思路。

　　1 特高压直流线路雷击仿真模型

　　1.1 研究系统概述

　　本文采用PSCAD/EMTDC软件搭建的某特高压直流输电系统研究其雷击暂态过程响应及行波保护响应特性，其基本参数见表1，所采用的保护控制模型判据与实际工程一致。

　　表1 某特高压直流输电系统基本参数

　　

 

　　1.2 特高压直流线路雷击模型

　　图1为特高压直流输电线路雷击模型。虚线内i0为图2受雷电流模型控制的电流源[14-16]，其波形如图2所示;Z0表示雷电通道波阻抗，取300 Ω，i0、Z0组成的并联电路表示雷电流注入时的彼德逊等效电路;开关S1、S2、S3的不同组合用于代表不同雷击情况;T表示杆塔。模拟各雷击情况时的开关组合见表2。

　　

 

　　图1 特高压直流线路雷击模型

　　

 

　　图2 双指数函数表示的雷电流

　　表2 雷击模拟情况与开关状态对应关系

　　

 

　　2 特高压直流线路雷击暂态过程

　　2.1 非故障性绕击暂态分析

　　发生非故障性绕击时，相当于在线路上直接合闸一直流电流源。本文在正极线路上加载幅值为

　　15 kA的负极性雷电流进行非故障性绕击仿真，保护安装处两极电流和电压的暂态过程如图3、4所示。由于行波色散和衰减特性，图3保护安装处雷击极暂态电流幅值峰值远小于雷电流幅值，即为约5.4 kA，波形与接地故障类似;非雷击极电流感应暂态电流与雷击极方向相同，幅值约为3.2 kA，且恢复速度快。二者在雷电流作用过后恢复额定值。

　　图4为非故障绕击的电压暂态过程，起始阶段，由于电磁耦合作用两极电压暂态量呈现出对称关系，后在雷电流作用阶段雷击极变化情况与雷电流极性一致，非雷击极上也感应出相同极性的电压暂态量，雷电流过后两极电压对称波动，最终两极电压电流均回到正常运行水平。

　　

 

　　图3 15 kA绕击时保护安装处电流暂态过程

　　

 

　　图4 15 kA绕击时保护安装处电压暂态过程

　　2.2 故障性绕击的暂态分析

　　故障性绕击本质为接地故障，本文在正极线路上加载幅值为40 kA的负极性雷电流进行故障性绕击仿真，保护安装处两极电流和电压的暂态过程如图5、6所示。暂态波形由接地故障响应与雷击响应2部分叠加组成，由于雷电流幅值较大而成为主要影响因素，接地故障响应特征并不显著，这也成为行波保护区分故障性绕击和非故障性绕击的难点。

　　如图5，雷击极电流暂态峰值较大，约为8.5 kA，

　　并在雷电流作用过后降至零;而非雷击极峰值约 4.1 kA，并在微小波动后回到正常值，总体波动幅度与非故障绕击时相比仅有小幅增长。

　　如图6，电压暂态过程在起始阶段，两极电压变化方向相反，但幅值不等，雷击极峰值为-1.32 kV，

　　而非雷击极峰值为1.71 kV。在雷电流作用阶段，二者变化方向与雷电流极性一致。最终非雷击极电压恢复正常，而雷击极电压在零轴附近波动。

　　

 

　　图5 40 kA绕击时保护安装处电流暂态过程

　　

 

　　图6 40 kA绕击时保护安装处电压暂态过程

　　2.3 反击的暂态故障特征

　　反击为雷电流经杆塔注入线路的过程，本文在杆塔上加载幅值为40 kA的负极性雷电流进行反击仿真，正极绝缘子发生闪络后线路发生接地故障，保护安装处两极电流和电压的暂态过程如图7、8所示。

　　图7故障极暂态电流峰值约为6 kA，与图3中非故障性绕击时雷击极的电流峰值5.4 kA接近;非故障极暂态电流峰值3.7 kA，与图3中非雷击极暂态电流峰值3.6 kA接近。从波形上看，两极变化特征与非故障性绕击时一致，均为故障极雷电流占主要影响因素，且非故障极电流回到正常值。

　　

 

　　图7 40 kA反击时保护安装处电流暂态过程

　　

 

　　图8 40 kA反击时保护安装处电压暂态过程

　　电压暂态过程见图8，由于反击时暂态电流受到限制，暂态电压峰值及波动幅度与图4所示15 kA雷电流发生非故障性绕击时相似，最大区别在于故障极电压在对称变化阶段过后恢复额定值。

　　3 行波保护雷击响应特性分析

　　3.1 特高压直流线路行波保护原理

　　本文仿真的行波保护模型采用西门子公司技术路线，判据及参数与实际特高压直流工程完全一致。采样频率为150 µs，并利用线路末端电压UdCH以及线路侧末端电流IdLH计算电压变化率判据dU/dt、电压变化量判据DU以及电流判据DI。

　　1)电压判据计算。

　　电压判据的计算及出口流程如图9所示。图中计算dU/dt判据及DU判据时，采用不同采样时间原因在于2个判据作用不同。dU/dt判据是为了区分区外故障与区内故障，而DU判据是为了区分扰动与故障。

　　

 

　　图9 行波保护电压判据计算

　　2)电流判据计算。

　　电流判据的计算及出口流程如图10所示，其中整流侧电流判据为DII，逆变侧电流判据为DIR。图中采用时间延迟去除电直流分量构成判据，使其能够实现区分本极故障与对极故障的功能。

　　

 

　　图10 行波保护电流判据计算

　　3.2 dU/dt判据雷击响应特征

　　dU/dt 判据雷击响应结果如图11所示。仿真结果表明，无论发生何种类型雷击，雷击极及非雷击极的dU/dt判据均满足定值要求。图11(a)(c)(e)中各雷击情况下雷击极dU/dt判据均在波头上升阶段满足整定值。由于故障性绕击及反击本质为接地故障，dU/dt判据在保护动作后便低于整定值;而非故障性绕击不引起保护动作，其dU/dt判据在雷电暂态后一直在整定值附近振荡。

　　图11(b)(d)(f)所示不同雷击情况下非雷击极dU/dt判据响应最大特征在于雷电流作用阶段中，dU/dt判据出现2次幅值较大的尖峰，其形成由雷电流极性、非雷击极极性以及保护算法等因素综合决定。

　　

 

　　图11 dU/dt判据雷击响应

　　3.3 DU判据雷击响应特征

　　DU判据雷击响应结果如图12所示。仿真结果表明，只有在故障性绕击和反击时，雷击极的DU判据才满足整定值。

　　图12(a)(c)(e)所示各雷击情况下雷击极DU判据暂态过程中，3者波形总体形状一致，雷电流暂态过程中均呈现“驼峰”形变化，且故障性绕击与反击的DU判据均在“驼峰”区域内满足定值。

　　图12(b)(d)(f)所示不同雷击情况下非雷击极DU判据暂态过程中，DU不达到整定值。波形特征上故障性绕击与反击在雷电流暂态过程出现后的振荡峰值内相似，最后逐渐趋于零。而非故障性绕击时，DU判据则不断围绕零轴振荡。

　　

 

　　图12 DU判据雷击响应

　　3.4 DI判据雷击响应特征

　　DI判据雷击响应结果如图13所示。仿真结果表明，只有在故障性绕击和反击时，雷击极的DI判据才满足整定值。

　　由图13(a)(c)(e)各雷击情况下雷击极DI判据响应可得，故障性绕击与反击时DI判据均在波头上升阶段满足整定值，雷电流过后下降为零。非故障性绕击不造成保护动作，DI判据在零轴附近振荡后恢复正常水平。

　　图13(b)(d)(f)所示不同雷击情况下非雷击极DI判据暂态过程中，DI不满足定值。其中非故障性绕击时DI波动后恢复正常值，而故障性绕击与反击中，DI在雷电流阶段变化情况与非故障性绕击时相似，而雷击极保护动作后则发生上升后再下降的变化特征。

　　

 

　　图13 DI判据雷击响应

　　3.5 行波保护优化思路

　　由以上分析可知，发生故障性绕击及反击时，非故障极线路的DU判据、DI判据由于两极线路耦合[17]出现感应电压，在雷电流波头上升阶段可能出现满足整定值的情况最终导致非故障极线路行波保护误动的情况，为此提出以下优化思路：

　　1)在电压判据出口增加闭环闭锁逻辑，使之在一段时间内只出口1次，防止雷电流过后判据抖动导致满足整定值而误动的情况。

　　2)适当提高DI判据整定值的计算系数，牺牲灵敏度，提高可靠性。

　　3)在计算电流判据时，可改用平波电抗器后的电流，此时电流中高频分量已滤除，可减缓雷电流过后DI判据的波动幅度。

　　4 结论

　　1)非故障性绕击本质为雷电流瞬间注入线路造成直流系统扰动，若其后发生绝缘子闪络便成为故障性绕击，反击本质为接地故障与雷电流的叠加。因此发生非故障性绕击时行波保护不应该动作，而发生故障性绕击或反击时行波保护应该正确动作。

　　2)保护安装处电流暂态过程表现为故障性绕击时出现较大峰值，非故障性绕击与反击时峰值相当，但能通过电流最终变化区分2者。电压暂态过程3者一致，为暂态瞬间对称变化，雷电流作用阶段变化与雷电流极性相同，雷电流过后对称波动。

　　3)雷击极与非雷击极的dU/dt判据在各种雷击下均满足整定值;DU判据仅在故障性与反击时雷击极上所呈现曲线的“驼峰”区域内满足整定值;DI判据仅在故障性绕击与反击时雷击极雷电流作用阶段内满足定值要求。

　　4)减少行波保护在雷击情况下不正确动作的可能性，主要从优化DU判据与DI判据着手。