0 引言
特高壓直流輸電系統的線路主保護采用基于暫態電氣量變化原理構成的行波保護，其算法簡單但易受干擾的特點在運行多年的超高壓直流輸電工程中得到證實[1-6]。南方電網“8.19”、“6.5”事件均為雷擊單極輸電線路后，對極行波保護誤動導致云廣特高壓直流線路雙極相繼閉鎖。這表明由特高壓直流輸電線路電壓等級高、耦合程度強等特點而引發的雷擊時行波保護動作可靠性問題有待進一步研究。
目前針對特高壓直流輸電線路雷擊故障的仿真已開展了一些研究工作。文獻[7]對雷電放電模型、絕緣子模型、桿塔模型等進行組合，模擬了輸電線路雷擊桿塔的暫態過程，但未涉及與保護動態響應特性研究工作相關的適用模型。文獻[8-9]均以實驗裝置展開對特高壓直流線路繞擊的仿真工作，得到了地面傾角和保護角大小對繞擊率的影響，提出了降低繞擊率的有效措施，其實驗結果能為仿真的正確性驗證提供參考。文獻[10-13]綜合架空線以及桿塔上的雷擊暫態過程，分析了特高壓直流輸電線路的耐雷特性，指出對線路最具威脅性的雷擊類型，對特高壓線路雷擊過程仿真具有重要參考價值。但其仿真方法并不適用于雷擊暫態波頭特征捕捉仿真所需的小步長仿真研究中。綜合以上分析，對于特高壓線路遭受雷擊后行波保護的響應分析研究工作亟需一種更具有普遍適用能力的小步長仿真方法及模型。
本文以南方電網某特高壓直流工程為背景，基于PSCAD/EMTDC搭建實際直流控制保護模型，采用snapshot技術進行雷電暫態過程分段模擬，進行特高壓直流線路雷擊暫態過程與行波保護響應的小步長仿真研究。分析了發生非故障性繞擊、故障性繞擊及反擊時行波保護安裝處相關電氣量的暫態過程特征，對比各情況下雷擊極與非雷擊極行波保護主要判據dU/dt、DU、DI的響應特性，揭示了行波保護不正確動作的機理，提出了提升行波保護雷擊擾動下動作可靠性的優化思路。
1 特高壓直流線路雷擊仿真模型
1.1 研究系統概述
本文采用PSCAD/EMTDC軟件搭建的某特高壓直流輸電系統研究其雷擊暫態過程響應及行波保護響應特性，其基本參數見表1，所采用的保護控制模型判據與實際工程一致。
表1 某特高壓直流輸電系統基本參數
1.2 特高壓直流線路雷擊模型
圖1為特高壓直流輸電線路雷擊模型。虛線內i0為圖2受雷電流模型控制的電流源[14-16]，其波形如圖2所示;Z0表示雷電通道波阻抗，取300 Ω，i0、Z0組成的并聯電路表示雷電流注入時的彼德遜等效電路;開關S1、S2、S3的不同組合用于代表不同雷擊情況;T表示桿塔。模擬各雷擊情況時的開關組合見表2。
圖1 特高壓直流線路雷擊模型
圖2 雙指數函數表示的雷電流
表2 雷擊模擬情況與開關狀態對應關系
2 特高壓直流線路雷擊暫態過程
2.1 非故障性繞擊暫態分析
發生非故障性繞擊時，相當于在線路上直接合閘一直流電流源。本文在正極線路上加載幅值為
15 kA的負極性雷電流進行非故障性繞擊仿真，保護安裝處兩極電流和電壓的暫態過程如圖3、4所示。由于行波色散和衰減特性，圖3保護安裝處雷擊極暫態電流幅值峰值遠小于雷電流幅值，即為約5.4 kA，波形與接地故障類似;非雷擊極電流感應暫態電流與雷擊極方向相同，幅值約為3.2 kA，且恢復速度快。二者在雷電流作用過后恢復額定值。
圖4為非故障繞擊的電壓暫態過程，起始階段，由于電磁耦合作用兩極電壓暫態量呈現出對稱關系，后在雷電流作用階段雷擊極變化情況與雷電流極性一致，非雷擊極上也感應出相同極性的電壓暫態量，雷電流過后兩極電壓對稱波動，最終兩極電壓電流均回到正常運行水平。
圖3 15 kA繞擊時保護安裝處電流暫態過程
圖4 15 kA繞擊時保護安裝處電壓暫態過程
2.2 故障性繞擊的暫態分析
故障性繞擊本質為接地故障，本文在正極線路上加載幅值為40 kA的負極性雷電流進行故障性繞擊仿真，保護安裝處兩極電流和電壓的暫態過程如圖5、6所示。暫態波形由接地故障響應與雷擊響應2部分疊加組成，由于雷電流幅值較大而成為主要影響因素，接地故障響應特征并不顯著，這也成為行波保護區分故障性繞擊和非故障性繞擊的難點。
如圖5，雷擊極電流暫態峰值較大，約為8.5 kA，
并在雷電流作用過后降至零;而非雷擊極峰值約 4.1 kA，并在微小波動后回到正常值，總體波動幅度與非故障繞擊時相比僅有小幅增長。
如圖6，電壓暫態過程在起始階段，兩極電壓變化方向相反，但幅值不等，雷擊極峰值為-1.32 kV，
而非雷擊極峰值為1.71 kV。在雷電流作用階段，二者變化方向與雷電流極性一致。最終非雷擊極電壓恢復正常，而雷擊極電壓在零軸附近波動。
圖5 40 kA繞擊時保護安裝處電流暫態過程
圖6 40 kA繞擊時保護安裝處電壓暫態過程
2.3 反擊的暫態故障特征
反擊為雷電流經桿塔注入線路的過程，本文在桿塔上加載幅值為40 kA的負極性雷電流進行反擊仿真，正極絕緣子發生閃絡后線路發生接地故障，保護安裝處兩極電流和電壓的暫態過程如圖7、8所示。
圖7故障極暫態電流峰值約為6 kA，與圖3中非故障性繞擊時雷擊極的電流峰值5.4 kA接近;非故障極暫態電流峰值3.7 kA，與圖3中非雷擊極暫態電流峰值3.6 kA接近。從波形上看，兩極變化特征與非故障性繞擊時一致，均為故障極雷電流占主要影響因素，且非故障極電流回到正常值。
圖7 40 kA反擊時保護安裝處電流暫態過程
圖8 40 kA反擊時保護安裝處電壓暫態過程
電壓暫態過程見圖8，由于反擊時暫態電流受到限制，暫態電壓峰值及波動幅度與圖4所示15 kA雷電流發生非故障性繞擊時相似，最大區別在于故障極電壓在對稱變化階段過后恢復額定值。
3 行波保護雷擊響應特性分析
3.1 特高壓直流線路行波保護原理
本文仿真的行波保護模型采用西門子公司技術路線，判據及參數與實際特高壓直流工程完全一致。采樣頻率為150 µs，并利用線路末端電壓UdCH以及線路側末端電流IdLH計算電壓變化率判據dU/dt、電壓變化量判據DU以及電流判據DI。
1)電壓判據計算。
電壓判據的計算及出口流程如圖9所示。圖中計算dU/dt判據及DU判據時，采用不同采樣時間原因在于2個判據作用不同。dU/dt判據是為了區分區外故障與區內故障，而DU判據是為了區分擾動與故障。
圖9 行波保護電壓判據計算
2)電流判據計算。
電流判據的計算及出口流程如圖10所示，其中整流側電流判據為DII，逆變側電流判據為DIR。圖中采用時間延遲去除電直流分量構成判據，使其能夠實現區分本極故障與對極故障的功能。
圖10 行波保護電流判據計算
3.2 dU/dt判據雷擊響應特征
dU/dt 判據雷擊響應結果如圖11所示。仿真結果表明，無論發生何種類型雷擊，雷擊極及非雷擊極的dU/dt判據均滿足定值要求。圖11(a)(c)(e)中各雷擊情況下雷擊極dU/dt判據均在波頭上升階段滿足整定值。由于故障性繞擊及反擊本質為接地故障，dU/dt判據在保護動作后便低于整定值;而非故障性繞擊不引起保護動作，其dU/dt判據在雷電暫態后一直在整定值附近振蕩。
圖11(b)(d)(f)所示不同雷擊情況下非雷擊極dU/dt判據響應最大特征在于雷電流作用階段中，dU/dt判據出現2次幅值較大的尖峰，其形成由雷電流極性、非雷擊極極性以及保護算法等因素綜合決定。
圖11 dU/dt判據雷擊響應
3.3 DU判據雷擊響應特征
DU判據雷擊響應結果如圖12所示。仿真結果表明，只有在故障性繞擊和反擊時，雷擊極的DU判據才滿足整定值。
圖12(a)(c)(e)所示各雷擊情況下雷擊極DU判據暫態過程中，3者波形總體形狀一致，雷電流暫態過程中均呈現“駝峰”形變化，且故障性繞擊與反擊的DU判據均在“駝峰”區域內滿足定值。
圖12(b)(d)(f)所示不同雷擊情況下非雷擊極DU判據暫態過程中，DU不達到整定值。波形特征上故障性繞擊與反擊在雷電流暫態過程出現后的振蕩峰值內相似，最后逐漸趨于零。而非故障性繞擊時，DU判據則不斷圍繞零軸振蕩。
圖12 DU判據雷擊響應
3.4 DI判據雷擊響應特征
DI判據雷擊響應結果如圖13所示。仿真結果表明，只有在故障性繞擊和反擊時，雷擊極的DI判據才滿足整定值。
由圖13(a)(c)(e)各雷擊情況下雷擊極DI判據響應可得，故障性繞擊與反擊時DI判據均在波頭上升階段滿足整定值，雷電流過后下降為零。非故障性繞擊不造成保護動作，DI判據在零軸附近振蕩后恢復正常水平。
圖13(b)(d)(f)所示不同雷擊情況下非雷擊極DI判據暫態過程中，DI不滿足定值。其中非故障性繞擊時DI波動后恢復正常值，而故障性繞擊與反擊中，DI在雷電流階段變化情況與非故障性繞擊時相似，而雷擊極保護動作后則發生上升后再下降的變化特征。
圖13 DI判據雷擊響應
3.5 行波保護優化思路
由以上分析可知，發生故障性繞擊及反擊時，非故障極線路的DU判據、DI判據由于兩極線路耦合[17]出現感應電壓，在雷電流波頭上升階段可能出現滿足整定值的情況最終導致非故障極線路行波保護誤動的情況，為此提出以下優化思路：
1)在電壓判據出口增加閉環閉鎖邏輯，使之在一段時間內只出口1次，防止雷電流過后判據抖動導致滿足整定值而誤動的情況。
2)適當提高DI判據整定值的計算系數，犧牲靈敏度，提高可靠性。
3)在計算電流判據時，可改用平波電抗器后的電流，此時電流中高頻分量已濾除，可減緩雷電流過后DI判據的波動幅度。
4 結論
1)非故障性繞擊本質為雷電流瞬間注入線路造成直流系統擾動，若其后發生絕緣子閃絡便成為故障性繞擊，反擊本質為接地故障與雷電流的疊加。因此發生非故障性繞擊時行波保護不應該動作，而發生故障性繞擊或反擊時行波保護應該正確動作。
2)保護安裝處電流暫態過程表現為故障性繞擊時出現較大峰值，非故障性繞擊與反擊時峰值相當，但能通過電流最終變化區分2者。電壓暫態過程3者一致，為暫態瞬間對稱變化，雷電流作用階段變化與雷電流極性相同，雷電流過后對稱波動。
3)雷擊極與非雷擊極的dU/dt判據在各種雷擊下均滿足整定值;DU判據僅在故障性與反擊時雷擊極上所呈現曲線的“駝峰”區域內滿足整定值;DI判據僅在故障性繞擊與反擊時雷擊極雷電流作用階段內滿足定值要求。
4)減少行波保護在雷擊情況下不正確動作的可能性，主要從優化DU判據與DI判據著手。
