CN101242098B - 一种直流输电线路行波保护的雷击故障识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流输电线路行波保护的雷击故障识别方法。根据雷击造成故障与未致故障时的电压行波波形特征不同，用两极电压行波分量分别与原直流分量的相关系数来判别波形变化趋势；用初始行波模极大值与第二个模极大值之比来表征波形被截断的突变，两个特征结合以实现雷击杆塔、雷击避雷线、雷击线路档距中央未致短路故障时的电压行波与雷击杆塔、雷击线路档距中央故障和非雷击短路故障时的电压行波的识别。两个雷电波干扰识别判据结合以提高识别可靠性。大量仿真表明该方法可靠、有效。本发明的物理概念直观清晰，具有快速动作性能，不受故障类型和过渡电阻影响，且易于实现，可广泛应用于直流系统保护装置。

Description

一种直流输电线路行波保护的雷击故障识别方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是一种直流输电线路行波保护的雷击故障识别方法。

背景技术

随着经济建设的快速发展，跨区域的长距离输电成为必然。因此，±800kV特高压直流(UHVDC)输电系统越来越受到关注，到2010年我国将建成世界首个±800kVUHVDC输电工程——云广直流输电工程。由于远距离的输电使线路发生短路、雷击的概率大大增加，严重威胁到直流系统的稳定运行，因此有必要对雷电波干扰进行正确识别。雷电冲击通常为一单极性脉冲波，上升时间和下降时间都很短，属于高频信号。对基于工频量的传统保护，雷电所产生的高频分量会作为干扰而滤掉，而线路雷害的形成主要是在雷电过电压的作用下，线路绝缘发生闪络，当闪络转变为稳定的工频电弧时，才会引起保护的动作，此时实际上已发生了故障。因此雷电冲击对基于工频量的传统保护影响不大^[1]。然而，由于雷击与故障引起的暂态信号都是高频信号，行波保护与暂态保护必须能够正确区分故障行波与非故障行波这两种信号。因此，能否正确识别雷电干扰是行波保护与暂态保护实用化所必须解决的关键问题之一。

随着对行波保护与暂态保护研究的深入，一些研究者已经开始关注雷电干扰的识别问题，并取得了一定的成果[1-9]。文献[1]中的方法只是针对感应雷击，没有系统解决如何识别雷电干扰的问题，不够全面。文献[3]以雷击交流线路不造成故障时，行波(暂态)信号中高频分量与低频分量能量比值大，而故障(包括雷击造成故障)时，行波(暂态)信号中高频分量与低频分量能量比值小，这一特征构成了雷电波的识别方法。但线路发生雷击导线(绕击)并未引起故障时，行波信号中高频分量与低频分量能量比值也可能比较小，与故障时的情况较难区别。文献[4]直接通过比较雷击或故障前后电流变化量的大小来判断是否为雷电干扰，但存在门槛值受多个因素的影响而不易整定，并且也未对感应雷击考虑。

雷击直流输电线路在落雷点会引起强烈的电晕，电晕对行波波头的幅度和陡度有很大影响。直流线路电晕电压的作用与交流不同，它的发展过程和交流电晕有很大差别^[10]。因此，有必要考虑建立冲击电晕及参数频变的线路模型。

参考文献

[1]司大军，束洪春，陈学允，等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，2005，25(7)：64-69.

[2]董杏丽，葛耀中，董新洲.行波保护中雷电干扰问题的对策[J].中国电机工程学报，2002，22(9)：74-78.

[3]王钢，李海锋，赵建仓，等.基于小波多尺度的输电线路直击雷暂态识别[J].中国电机工程学报，2004，24(4)：139-144.

[4]李海锋，王钢，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，2004，24(3)：114-119.

[5]叶会生，何俊佳，李化，林福昌.雷击高压直流线路杆塔时的过电压和闪络仿真研究[J].电网技术，2005，29(29)：31-35.

[6]詹花茂，李成榕，等.采用MOA的输电线路雷电响应分析模型[J].高电压技术，2004，30(8)：1-2.

[7]刘振亚.特高压直流输电技术研究成果专辑[M].北京，中国电力出版社，2005.

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[9]段建东，任晋峰，张保会，罗四倍.超高速保护中雷电干扰识别的暂态研究[J].中国电机工程学报，2006，26(23)：7-13.

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[11]M A Al-Tai，H S B Elayyan.The simulation of surge corona on transmission lines.IEEETrans.PD，Vol.4，No.2，Apr.1989，pp.1360～1368.

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，在对雷击特高压直流输电线路及非雷击短路故障的电磁暂态特征分析的基础上，提出一种可以正确区分故障行波与雷电干扰的直流输电线路行波保护的雷击故障识别方法。

(1)雷击特高压直流输电线路与非雷击短路故障的电磁暂态特征

雷电冲击作用于输电线路，根据过电压的形成过程可以分为两大类：感应雷和直击雷。本发明主要对直击雷引起的暂态过程进行分析，系统模型如图1所示，线路杆塔结构如图2所示。为便于描述，本说明书中后述部分将短路或由雷击引起短路的行波称为故障性行波，将雷击未造成短路引起的行波称为非故障性行波。

本发明对雷击杆塔、雷击避雷线、雷击线路档距中央与短路故障等情况的行波过程进行了大量的暂态仿真。其中，雷击杆塔、雷击避雷线、雷击线路档距中央不造成故障的典型行波(故障分量)波形如图3-图15所示。

雷击杆塔、雷击避雷线未致故障时，在雷击点会出现极高的过电压，引起强烈的电晕。输电线路电磁暂态过程形成流动波，当冲击电压幅值很高的时候，使得导线表面电位梯度增大，超过周围空气的击穿场强时，线路上就发生电晕放电，电晕放电是一种局部放电，它使波的能量逐渐消耗，波的幅值发生衰减。因此两极电压行波表现为快速瞬变变化。雷击线路档距中央未致故障时，由于周围空气击穿场强较高，没有发生电晕放电，因此雷电波能量只在导线上经多次折反射逐渐消耗，两极电压行波表现为快速上升后缓慢衰减变化。总的来说，雷击未致故障时，监测点检测到的行波是雷电波干扰，其电压行波围绕原直流量上下交替变化，电压行波在多次折反射后，由于色散最终将衰减为零。因双极直流线路间存在电磁耦合，雷击线路时的电压行波在雷击后起始的一段时间内变化一致，并且波形会没有被截断的突变。

非雷击短路故障、雷击线路档距中央和雷击杆塔故障时的波形如图16-图26所示。

雷击杆塔、雷击线路档距中央故障和短路故障时，相当于故障点突然叠加故障激励源，其电压行波被突然截断，此后的变化过程类似于直流激励合闸电路的动态过程。初始行波在上升阶段，表现为雷电波过程，绝缘子击穿后，极线对地形成通路，雷电波被截断，过电压迅速下降，表现为短路性质特征。

(2)故障行波与非故障行波的特征分析

1)由图3-图15中非故障性行波波形可见非故障行波的特征为：

①模极大值变化。

对于绕击，初始行波迅速上升后缓慢衰减，其模极大值为一正一负，并且正大负小。初始行波模极大值与第二个模极大值分别记为M1和M2，定义模值比k：

k＝|M₂/M₁|                        (1)

理论上，k＝0。

雷击杆塔和避雷线档距中央时，初始行上升缓慢后迅速衰减，其模极大值为一正一负，并且正小负大，理论上，k≥1。

②健全极通过线路间电磁耦合随故障极电压上下振荡。两极行波围绕+800kV或-800kV，上下交替变化，如图3、图8和图13所示，并随时间逝去不断衰减，当时间足够长时将衰减为零。定义直线：

$V\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}a& (a=800)\\ b& (b=-800)\end{array}\right.---\left(2\right)$

两者分别与直线a、b相关系数的正负一致。即ρ_a＞0，ρ_b＞0或者ρ_a＜0，ρ_b＜0。

2)由图16-图26故障性行波波形可见，故障性行波的特征为：

①故障性行波的初始行波在上升阶段，表现为雷电波过程，绝缘子击穿后，雷电波被截断后过电压迅速下降，表现为短路性质特征。对于截断前后的小波变换模极大值表现为一正一负，且极性相反，数值相近。理论上k＝1。

②故障时，故障极电压行波呈下降趋势，而健全极电压行波则上下波动变化。两者分别与直线a、b的相关系数的符号相反。即ρ_a＞0，ρ_b＜0或者ρ_a＞0，ρ_b＜0。

(3)雷电干扰的识别

比较故障行波与非故障行波的特征可得，雷击未致故障时，非故障性行波在双极直流输电线路上多次折、反射后最终将衰减为零，因此两极的电压行波表现为围绕时间轴正负交替变化，波形和大小相近，且非故障性行波波形没有被截断的突变；而雷击造成故障和非雷击短路故障时，故障性行波在故障后较短时间内，故障极电压行波呈衰减趋势，健全极电压行波因线路间的电磁耦合呈上升趋势，且故障性行波波形有被截断的突变。本发明根据非故障性行波与故障性行波波形特征差异，用两极电压行波与各自原直流分量的相关系数与小波变换模极大值作为判定依据，识别非故障行波(雷击未致故障的情况)和故障性行波(雷击故障与短路的情况)。

本发明的识别方法步骤如下：

1)当直流输电线路发生故障或者遭受雷击在保护安装处检测到的行波大于门槛值时，行波保护装置启动并记录下一定时间的行波波形(5ms)；

2)对电压行波计算与原直流分量(±800)的相关系数；

3)应用Karenbauer变换矩阵

$S=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right];S^{-1}=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]---\left(3\right)$

计算电压行波0模分量和1模分量；

4)寻找初始行波起始位置。采用3次B样条小波对两个模分量进行小波变换得到各尺度下的模极大值，选择一个尺度(本发明选取d2尺度)寻找模极大值的最大值，按照模极大值在时间上出现的先后顺序寻找模极大值的最大值0.5倍的模极大值，它对应的时间认为是初始行波出现的时刻Tin；

5)从初始行波模极大值开始，寻找下一个模极大值，分别记为M1和M2。计算模值比k

k＝|M₂/M₁|                    (4)

6)基于上述原理，形成故障识别判据如下：

$\left\{\begin{array}{c}k\≥C_{\mathrm{eof}1}\\ k\≤C_{\mathrm{eof}2}\end{array}\right.---(5-a)$

ρ_a＞0，ρ_b＜0或者ρ_a＞0，ρ_b＜0            (5-b)

当模值比满足式(5)时，判定为故障性雷击，其中，C_oef1是雷击直流输电线路时的判据，C_oef2是雷击杆塔或者避雷线时的判据，C_oef1整定为0.8、C_oef2整定为1.1；否则判定为非故障性雷击。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的理论基础较为直观，并通过大量的暂态仿真验证了本方法可靠、有效。而且本发明适用于一切暂态量保护的雷击干扰快速识别。

附图说明

图1为系统单侧换流站单极主接线及避雷器配置图；

图2为直流输电系统杆塔结构；

图3为雷击杆塔未致故障时，检测到有关的电压波形；

图4为雷击杆塔未致故障时，检测到电压波的1模分量；

图5为雷击杆塔未致故障时，1模分量的小波变换模极大值；

图6为图4部分放大示意图；

图7为图5部分放大示意图；

图8为雷击避雷线档距中央时，检测到有关的电压波形；

图9为雷击避雷线档距中央时，检测到电压波的1模分量；

图10为雷击避雷线档距中央时，1模分量的小波变换模极大值；

图11为图9部分放大示意图；

图12为图10部分放大示意图；

图13为雷击输电线路未致故障时，检测到有关的电压波形；

图14为雷击输电线路未致故障时，检测到电压波的1模分量；

图15为雷击输电线路未致故障时，1模分量的小波变换模极大值；

图16为短路故障时，检测到有关的电压波形；

图17为短路故障时，检测到电压波的1模分量；

图18为短路故障时，1模分量的小波变换模极大值；

图19为雷击输电线路故障时，检测到有关的电压波形；

图20为雷击输电线路故障时，检测到电压波的1模分量；

图21为雷击输电线路故障时，1模分量的小波变换模极大值；

图22为图21部分放大示意图；

图23为雷击杆塔故障时，检测到有关的电压波形；

图24为雷击杆塔故障时，检测到电压波的1模分量；

图25为雷击杆塔故障时，1模分量的小波变换模极大值；

图26为图25部分放大示意图；

图27为本发明的雷击干扰识别流程图；

具体实施方式

高压直流输电线路受雷击干扰时，利用上述原理可以实现对雷电波干扰与雷击故障的正确识别。具体实现流程如图27所示。

具体步骤如下：

1)当直流输电线路发生故障或者遭受雷击在保护安装处检测到的行波大于门槛值时，行波保护装置启动并记录下一定时间的行波波形(5ms)；

2)对电压行波计算与原直流分量(±800)的相关系数；

3)应用Karenbauer变换矩阵

$S=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right];S^{-1}=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]---\left(1\right)$

计算电压行波0模分量和1模分量；

4)寻找初始行波起始位置。采用3次B样条小波对两个模分量进行小波变换得到各尺度下的模极大值，选择d2尺度寻找模极大值的最大值，按照模极大值在时间上出现的先后顺序寻找模极大值的最大值0.5倍的模极大值，它对应的时间认为是初始行波出现的时刻Tin；

5)从初始行波模极大值开始，寻找下一个模极大值，分别记为M1和M2。计算模值比k

k＝|M₂/M₁|                (2)

6)基于上述原理，形成故障识别判据如下：

$\left\{\begin{array}{c}k\≥C_{\mathrm{eof}1}\\ k\≤C_{\mathrm{eof}2}\end{array}\right.---(3-a)$

ρ_a＞0，ρ_b＜0或者ρ_a＞0，ρ_b＜0                (3-b)

当模值比满足式(3)时，判定为故障性雷击，其中，C_oef1是雷击直流输电线路时的判据，C_oef2是雷击杆塔或者避雷线时的判据。C_oef1整定为0.8、C_oef2整定为1.1；否则判定为非故障性雷击。

举例说明如下：分别考虑雷击避雷线档距中央、杆塔和输电线路，以及短路故障。

Claims (1)

1.一种直流输电线路行波保护的雷击故障识别方法，其特征在于根据非故障性行波与故障性行波波形特征差异，用两极分别与原直流分量的相关系数来判别波形变化趋势；用初始行波小波变换模极大值与第二个小波变换模极大值之比来表征波形截断的突变，将两个特征结合识别非故障性行波与故障性行波：按以下步骤进行：

1)当直流输电线路发生故障或者遭受雷击在保护安装处检测到的行波大于门槛值时，行波保护装置启动并记录下一定时间的行波波形；

2)对电压行波计算与原直流分量±800kV的相关系数；

3)应用Karenbauer变换矩阵

$S=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right];$ $S^{-1}=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]---\left(3\right)$

计算电压行波0模分量和1模分量；

4)寻找初始行波起始位置，采用3次B样条小波对两个模分量进行小波变换得到各尺度下的模极大值，选择一个尺度寻找模极大值的最大值，按照模极大值在时间上出现的先后顺序寻找模极大值的最大值0.5倍的模极大值，它对应的时间认为是初始行波出现的时刻Tin；

5)从初始行波模极大值开始，寻找下一个模极大值，分别记为M1和M2，计算模值比k

k＝|M₂/M₁|    (4)

6)基于上述原理，形成故障识别判据如下：

$\left\{\begin{array}{c}k\≥C_{\mathrm{oef}1}\\ k\≤C_{\mathrm{oef}2}\end{array}\right.---(5-a)$

ρ_a＞0，ρ_b＞0或者ρ_a＜0，ρ_b＜0    (5-b)

$V\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}a& (a=-800)\\ b& (b=-800)\end{array}\right.$

ρ_a，ρ_b两者分别与直线a、b相关系数的正负一致，当模值比满足式5-a和5-b时，判定为故障性雷击，其中，C_oef1是雷击直流输电线路时的判据，C_oef2是雷击杆塔或者避雷线时的判据，C_oef1整定为0.8、C_oef2整定为1.1；否则判定为非故障性雷击。

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