±800 kV直流线路故障过程中电磁耦合特性与保护研究

李传波

四川蜀能电力有限公司电网运维分公司 四川省自贡市 643000

摘要：特高压输电系统的发展，促进了行波保护与暂态保护的研究。这些利用故障暂态信号构成的保护原理不可避免地会受到各种高频信号的干扰。为提高直流输电系统运行的可靠性，实现直流线路保护的有效动作，避免误动，必须对直流输电系统的电磁耦合特性进行研究。以某特高压直流输电工程为研究对象，并参照其线路参数，建立了包含杆塔、输电线路、避雷器、绝缘子串闪络以及换流站内各种设备的仿真模型。

关键词：电磁耦合；特高压直流输电；故障过电压

特高压直流输电线路，由于输电距离长、线路分布广，线路地理条件复杂，气象变化剧烈，高原山地环境下雷电活动极不规律，线路受雷击几率较高。雷击输电线路时，雷电流通常为负极性脉冲波，并以行波的形式从雷击点向线路两端传播，由于雷击与故障引起的暂态信号中都含有大量高频分量，对于行波保护和暂态保护而言，必须能够正确对非故障性雷击、故障性雷击和普通短路故障不同性质的高频信号进行分类。正确、快速的雷电干扰识别技术对于行波保护和暂态保护的实用化具有重要意义。

一、模型

采用CIGRE 和Rizk 建立绝缘子串的连续先导法闪络判据模型。当先导发展长度超过间隙长度时则判定闪络发生，而当先导发展过程中施加电压出现下降，先导未发展到的绝缘子部分平均电场小于E0 时，则判断先导发展终止。CIGRE 模型是建立在Pigini 模型基础上，作为先导初始条件，采用和Pigini 模型相同的实验式：

二、电磁耦合特性的影响因素

影响电磁耦合特性的因素，以某特高压直流输电工程为例，分别研究了线路遭受雷电对电磁耦合特性的影响。

1、极线间距。极线间距通过直接影响直流线路空间电磁场分布，进而影响极线间电磁耦合特性，计算了不同极线间距下直流线路健全极线路上的感应电压，双极线间距离分别取32.4、44.4、56.4 m，雷击故障和接地故障下计算结果分别如图所示。

由图可知，极线间距增大，健全极上的雷击感应电压随之减小，当极线间距扩大75%，感应电压减少了约25%，两者之间成负相关。随着极线间距增大，健全极上的接地感应电压的幅值减小。当极线间距为56.4 m 时，感应电压曲线与其他2 种情况下的曲线有较大差异，幅值相差较大，波形也较为平缓，可见在极线间距达到56.4 m 时，极线间的电磁耦合影响相对较小。

2、运行电压。选取实际工程运行电压，分别为单阀组运行、0.8 pu 降压运行以及额定电压运行状态。分别计算直流线路运行电压为400/640/800 kV 时，雷击故障和接地故障下直流线路健全极线的感应电压，计算结果分别如图所示。

由叠加原理，健全极过电压是健全极正常运行电压与故障过电压的叠加，随着运行电压由400 kV 增加到800 kV，过电压幅值并未出现明显变化，雷击感应电压最大值与运行电压上升略微降低，波形也极其相似，可见线路运行电压对雷击和接地感应电压的影响并不大。

三、不同运行方式对故障过电压的影响

1、装设避雷器

±800 kV 直流输电线路发生单极接地故障时，健全极中点处过电压水平最高，且由中点接地故障的过电压分布可知中部过电压幅值下降较快，通过限制中点的过电压幅值，将有效地降低线路过电压水平。因此在线路中点设置避雷器，可以有效地控制线路整体的过电压水平。

（1）雷击故障。未装设避雷器时，直流输电线路发生雷击故障时的感应过电压为1.14 MV，装设之后感应过电压为0.42 MV。结果表明装设避雷器后，雷击感应过电压减小，有利于减小直流输电线路发生雷击故障时的损失。因此，在线路中点装设线路避雷器适合应对直流输电线路发生雷击故障。

（2）接地故障。未装设避雷器时，直流输电线路发生接地故障时的感应过电压为762 kV，装设之后，感应过电压为706 kV。表明装设避雷器后，接地感应过电压减小，有利于减小直流输电线路发生接地故障时的损失。因此，在线路中点装设避雷器适合应对直流输电线路发生接地故障。

2、单极停运。工程是单回双极直流输电线路，在一般情况下会采用双极运行，但事实上云广直流输电系统由于自然或人为因素导致单极停运，因此也必须考虑单极停运下直流输电线路故障时电磁耦合特性。

（1）雷击故障。

如图所示，单极停运时，运行极遭到雷击，停运极感应过电压为1120 kV。而双极均工作时，故障极遭受雷击故障，健全极感应过电压同样为1120 kV。因此，在线路遭受雷击的情况下，系统为单极运行或是双极运行对于感应过电压没有影响。

（2）接地故障。单极停运时，运行极发生接地故障，停运极感应过电压为167 kV。而双极均工作时，故障极发生接地故障，健全极感应过电压为480 kV。因此，在接地故障下，系统为单极运行时的感应过电压小于双极运行时的感应过电压。单极运行更适合应对接地故障。

四、电磁耦合的线路改进保护策略

1、故障过电压区分特性

（1）雷击过电压。±800 kV 直流输电线路发生雷击故障与雷击干扰情况进行仿真分析，故障极和健全极雷击过电压波形，不同雷击电流引起的雷击故障和雷击干扰电压突变量比较如表所示。

由表可以看出，在线路中发生故障性雷击时，在线路整流侧保护安装处测得的故障极电压突变量超过了2.5 pu，同时故障极与健全极的电压突变量比值大于2.5 pu 小于3.2 pu；而当线路中发生雷击干扰时，其故障极的电压突变量也超过了1 pu，但故障极与健全极的电压突变量比值却超过了3.5 pu。因此，可以通过两极之间电压突变量的比值来排除雷击干扰。

（2）接地故障过电压。对±800 kV 直流输电线路上的短路故障进行仿真计算，所得结果如图所示。

当楚穗接地极线1 中点处发生金属性短路时，整流侧极1 的电压变化量| ΔuR1 |为0.85 pu，而极2 处的电压变化量| ΔuR2 |为 0.82 pu，从两极的电压突变量可以看出，当直流输电线路发生接地故障时，健全极上的电压突变量比故障极上的电压突变量要小。同理在交流侧故障引起直流侧换相失败时，两极线路的电压变化应该也相同，即 。利用Matlab 对仿真结果进行了小波变换分析。在对比小波分解工具后，选择了小波母函数为dB5 小波，以小波变换第5 尺度下的变换结果作为研究保护的依据。

2、保护判据研究。根据提出单回直流输电线路的保护判据，将电压突变量作为保护启动判据：

通过整流侧两极线路的电压突变量的比值可以找出故障极，同时通过两级电压突变量比值还可以排除交流故障、换相失败和雷击干扰等情况；通过对整流侧和逆变侧的电流突变量进行小波变换，根据小波变换后模极大值的极性，可以排除线路区外故障，建立直流输电线路保护判据：

保护的响应流程如下：

保护启动。通过采集保护安装处的电压变化量信号，计算电压突变量，若超过定值，则启动保护逻辑进入下一环节。

选极逻辑。在保护逻辑启动后，保护开始计算两极电压突变量的比值，若比值超过kR1，则说明故障极为本极，启动选极逻辑。如果电压突变量比值超过kR2，这说明直流线路上发生了雷击干扰，保护复归；但如果电压突变量比值未超过kR2，则说明线路上发生故障，进入边界判定。

结论

本文就影响直流输电线路雷击故障与接地故障过程中的电磁耦合特性进行研究，并对影响雷击与接地感应过电压的因素进行分析研究，并依据故障区分特性，提出了考虑电磁耦合的高压直流输电线路保护判据，得到的主要结论如下：

1、对双极运行的直流输电系统而言，极线间距离以及土壤电阻率是影响电磁耦合特性的主要因素。

2、根据不同故障过电压区分特性所得的雷击故障与雷电干扰、金属性接地与阻抗接地故障极及健全极小波分析区分方法及相应保护判据。

参考文献：

[1] 束洪春，陈学允．输电线路雷击的电磁暂态特征分析及其识别方法研究[J]．中国电机工程学报，2016，25(7)69．

[2] 李海锋，赵建仓．输电线路感应雷击暂态特性分析及其识别方法[J]．中国电机工程学报，2017，24(3)19．