直流線路雷擊原因分析及防范對(duì)策

劉鴻亮

（超高壓輸電公司昆明局，云南昆明，650217）

直流線路雷擊原因分析及防范對(duì)策

劉鴻亮

（超高壓輸電公司昆明局，云南昆明，650217）

針對(duì)一起 800 k V 直流輸電線路雷擊故障跳閘，分析確定故障性質(zhì)和雷擊點(diǎn)范圍， 得出負(fù)極性雷電是造成直流線路故障的主要原因。 由于行波保護(hù)動(dòng)作，啟動(dòng)了控制系統(tǒng)的直流線路故障重啟功能，使得故障控制成功后，直流系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。根據(jù)直流線路易遭受雷擊的特點(diǎn)，提出直流線路防止雷電繞擊的應(yīng)對(duì)措施。

直流線路； 負(fù)極性雷電； 故障重啟；保護(hù)

0 引言

一直以來， 直流輸電線路的防雷[1-3]一直是電力系統(tǒng)一項(xiàng)重要的研究課題， 盡管對(duì)于直流輸電線路防雷己經(jīng)有了一些防范措施，但近年來直流輸電線路雷擊事故仍時(shí)有發(fā)生。國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)表明，雷擊仍然是造成交直流輸電線路故障的主要原因[4-5]。隨著線路工作電壓的升高，雷擊跳閘總數(shù)占故障總數(shù)的比例也增加。對(duì)于于輸電線路防雷的研究， 直流輸電線路的許多實(shí)際情況與交流輸電線路不同， 直流輸電線路因雷擊發(fā)生故障時(shí)不同于交流線路的跳閘， 而是采取一系列控制措施使之恢復(fù)運(yùn)行。 本文根據(jù)800 kV楚雄換流站，分析了直流線路雷擊故障的原因并提出了相關(guān)對(duì)策.

1 線路故障情況

1.1 故障概述

2015年05月20日08時(shí)01分17秒，楚雄換流站兩套直流故障測距裝置啟動(dòng)，山東科匯測距裝置報(bào)直流線路故障點(diǎn)距楚雄站1241.07km，桿塔號(hào)為2361#至2362#桿塔（廣州局管轄范圍），電科院測距裝置報(bào)極I直流線路故障點(diǎn)距楚雄站1243.89km，桿塔號(hào)為2366#桿塔（廣州局管轄范圍）；查看故障錄波顯示：極II直流電壓波動(dòng)范圍-594kV至-1056kV，電流波動(dòng)范圍2174A至3527A，極I直流電壓波動(dòng)范圍732kV至851kV，電流波動(dòng)范圍3031A至3291A，查看雷電定位系統(tǒng)顯示該時(shí)段2365#至2366#桿塔范圍內(nèi)有落雷。異常發(fā)生前后楚穗直流雙極運(yùn)行正常，輸送功率為5000MW。

1.2 雷電定位系統(tǒng)查詢情況

在雷電定位系統(tǒng)中查到在2015年05月20日08月01分 11秒時(shí)刻在楚穗直流2365#至2366#桿塔附近有落雷，如圖1所示，與直流故障測距結(jié)果對(duì)應(yīng)。所以考慮此次電壓波動(dòng)為雷擊引起。

圖1 雷電定位系統(tǒng)

1.3 故障巡視及處理

2015年05月20日08時(shí)01分楚雄換流站雙極四閥組5000MW運(yùn)行，08時(shí)01分11秒SER報(bào)極II兩套直流保護(hù)“TDM BUS CHANGE NOT RELEASE”，即TDM總線切換未釋放，并且雙極直流故障錄波啟動(dòng)。08時(shí)01分16秒直流故障測距裝置啟動(dòng)。

2 故障原因分析

2.1 故障原因排查

08時(shí)01分11秒SER報(bào)極II兩套直流保護(hù)“TDM BUS CHANGE NOT RELEASE”，該信號(hào)產(chǎn)生則不允許切換TDM總線。產(chǎn)生該信號(hào)一般有以下幾種情況：（1）當(dāng)一個(gè)極至少有一個(gè)閥組在解鎖狀態(tài)時(shí)，IdCH、IdCN、IdLH、IdLN中的最大值與最小值之差超過156.25A；（2）UdH超過940kV；（3）UdN超過62.5kV；（4）UdM超過520kV。（具體邏輯見極保護(hù)程序邏輯（CPU1“MONITORING”模塊內(nèi)））。

如果出現(xiàn)上述情況則認(rèn)為該套測量系統(tǒng)出現(xiàn)問題，如果切換至該套系統(tǒng)則會(huì)誤判誤動(dòng)作。因此在這種情況下發(fā)TDM總線切換未釋放信號(hào)，禁止切換到該TDM總線。

若極保護(hù)（極控或組控）同時(shí)報(bào)該信號(hào)，則很有可能當(dāng)前系統(tǒng)已過壓但還未達(dá)到保護(hù)動(dòng)作的門檻值。例如，出現(xiàn)雷擊。遇到該種情況，應(yīng)該立即查看直流故障定位裝置，并查詢相關(guān)雷電信息。

圖2 直流保護(hù)信號(hào)

2.2 線路雷擊故障分析

當(dāng)高壓直流線路電壓波動(dòng)時(shí)楚雄側(cè)和穗東側(cè)交流系統(tǒng)電壓均無波動(dòng)，三相平衡。從此現(xiàn)象可以判斷出，不是由交流系統(tǒng)故障引起的直流電壓波動(dòng)。

圖3 電壓波動(dòng)情況

從楚雄站所采集的直流系統(tǒng)模擬量可以看出，電壓、電流波形呈現(xiàn)瞬時(shí)突變并振蕩衰減的走勢，整個(gè)振蕩過程持續(xù)了約100ms。故障初期，直流電壓由-800kV瞬時(shí)升高至-935kV(為了便于分析，此處采用直流保護(hù)中經(jīng)低通濾波并平滑后的模擬量，區(qū)別于此前測量系統(tǒng)所用最高電壓-1056kV)，直流電流由3125A瞬時(shí)降低至2715A。由于整流站為定電流控制模式，當(dāng)檢測到電流降低后，為了抬升電流觸發(fā)角會(huì)減少，所以整流側(cè)觸發(fā)角出現(xiàn)了與直流線路電流相對(duì)應(yīng)的走勢。

結(jié)合以上波形，并考慮到電壓波動(dòng)時(shí)廣東地區(qū)的雷雨天氣，以及在雷電定位系統(tǒng)中查到在2015年05月20日08月01分11秒時(shí)刻在楚穗直流2365#至2366#桿塔附近有落雷，如圖3.5所示，與直流故障測距結(jié)果對(duì)應(yīng)。所以考慮此次電壓波動(dòng)為雷擊引起。

2.3 雷擊原因分析

通常雷擊分為直擊雷和感應(yīng)雷，直擊雷就是帶電雷云對(duì)架空地線、塔頂導(dǎo)線、絕緣子等直接放電，形成正向雷電波過電壓的現(xiàn)；感應(yīng)雷指當(dāng)雷擊線路附近時(shí)，其先導(dǎo)路徑上的電荷對(duì)導(dǎo)線產(chǎn)生靜電感應(yīng)電荷，當(dāng)主放電開始時(shí)，該電荷被迅速中和而產(chǎn)生的雷電流及雷過電壓現(xiàn)象，由感應(yīng)雷形成的感應(yīng)過電壓數(shù)值常為100～200kV，最大也不超過600kV。因此其對(duì)110kV（其絕緣水平在700kV以上）以上線路的危害不大。但是直擊雷由于雷云所蘊(yùn)藏的能量要在極短時(shí)間內(nèi)是否出來，瞬時(shí)功率巨大，破壞性強(qiáng)，通常會(huì)導(dǎo)致線路跳閘。此外，由于雷電形成的原因，導(dǎo)致了90%的雷電為負(fù)極性。

圖4 直流系統(tǒng)模擬量

2.4 分析討論

近期屬于廣東雷電高發(fā)期，多次引起了楚穗直流和普僑直流系統(tǒng)電壓波動(dòng)，鑒于此情況，結(jié)合最近的兩起由雷擊引起的保護(hù)跳閘事件進(jìn)行分析。

2015年05月15日14時(shí)15分45秒，普洱換流站四閥組均處于備用狀態(tài)下，普洱換流站極2高端閥組兩套換流器開路59/37DC保護(hù)一段、三段動(dòng)作，保護(hù)動(dòng)作前后極2高端閥組均保持在備用狀態(tài)。

在此期間，普洱站兩套行波測距裝置均啟動(dòng)，其中山東科匯測距360.13kM，桿塔定位#665-#666；電科院測距362.83kM，桿塔定位#671。查詢雷電定位系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)桿塔#666附近線路沿線有落雷。

圖5 直流線路電壓波形

從圖5中可以看出，由于故障前普洱換流站雙極四閥組均處于備用狀態(tài)，所以此時(shí)極2直流線路電壓波形為0kV，直流電流為0A，整流側(cè)觸發(fā)角為90°。故障時(shí)，極2直流線路電壓波形由0kV陡增至-1183kV，此后逐步衰減，直至錄波結(jié)束的12s還未衰減至零；直流電流基本為零，未出現(xiàn)明顯變化；整流側(cè)觸發(fā)角保持90°未變化。

從此次事件來看，直流電壓在短時(shí)內(nèi)猛增，符合負(fù)極性直擊雷的特性，蘊(yùn)藏能量巨大。由于此時(shí)直流線路未運(yùn)行，被雷擊后，一方面沒有控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，另一方面直流線路沒有對(duì)地形成通路來快速釋放能量，故而出現(xiàn)直流電壓長時(shí)間未衰減至零的現(xiàn)象。

2015年05月20日10時(shí)44分05秒，楚雄換流站雙極四閥組運(yùn)行，雙極輸送功率為5000MW的情況下，楚雄換流站極I直流線路行波保護(hù)動(dòng)作，直流線路故障重啟成功。在此期間，楚雄站兩套行波測距裝置均啟動(dòng)，其中山東科匯測距1330.01km，桿塔號(hào)2532#至2533#間；電科院測距1326.22km，桿塔號(hào)2524#。查詢雷電定位系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)楚穗直流線路#2526至#2530桿塔段線路沿線有落雷。

圖6 直流線路電壓

故障初期，極2直流線路電壓由800kV在4ms內(nèi)下降至152kV，直流電流也在4ms內(nèi)由3125A陡增至5972A。此時(shí)，由于控制系統(tǒng)的參與，直流線路故障重啟功能動(dòng)作，整流側(cè)觸發(fā)角由15°強(qiáng)迫移相至120°，使整流側(cè)變?yōu)槟孀冞\(yùn)行，快速向交流系統(tǒng)釋放能量，待電流降低至0.05p.u.后，強(qiáng)迫移相至逆變極限角160°。待去游離時(shí)間后，再逐步減少觸發(fā)角，恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)，直流線路故障重啟成功。

從此次事件來看，極I直流電壓在短時(shí)內(nèi)驟降，符合負(fù)極性直擊雷的特性。并且直流電流激增近一倍，說明雷擊導(dǎo)致了閃絡(luò)或接地。同時(shí)由于行波保護(hù)動(dòng)作，啟動(dòng)了控制系統(tǒng)的直流線路故障重啟功能，使得故障控制成功后，直流系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行

2015年05月20日08時(shí)01分11秒，楚雄換流站電壓波動(dòng)是當(dāng)雷擊線路附近時(shí)所形成的負(fù)極性感應(yīng)雷引起的，對(duì)直流系統(tǒng)影響不大，沒有出現(xiàn)閃絡(luò)或接地，從而沒有引起保護(hù)動(dòng)作，并且由于控制系統(tǒng)的參與，使得直流系統(tǒng)快速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2015年05月15日14時(shí)15分45秒普洱換流站極II高端閥組在備用狀態(tài)下閥組過壓保護(hù)動(dòng)作是由于極II直流線路被負(fù)極性直擊雷擊中。由于此時(shí)直流線路未運(yùn)行，被雷擊后，一方面沒有控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，另一方面直流線路沒有對(duì)地形成通路來快速釋放能量，故而出現(xiàn)直流電壓長時(shí)間未衰減至零的現(xiàn)象。

2015年05月20日10時(shí)44分05秒楚雄換流站極I直流線路行波保護(hù)動(dòng)作是由于極I直流線路被負(fù)極性直擊雷擊中，導(dǎo)致了閃絡(luò)或接地。同時(shí)由于行波保護(hù)動(dòng)作，啟動(dòng)了控制系統(tǒng)的直流線路故障重啟功能，使得故障重啟成功后，直流系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行

3 防范措施

由于雷電流大多數(shù)為負(fù)電荷，根運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，直流線路正極遭受雷擊的幾率占 90%以，目前雷電的科技水平還不足以完全解決線路運(yùn)行過程中遇到的這一客觀問題. 在今后的運(yùn)行維護(hù)工作中，需要做到以下 3 點(diǎn)。

（1）根據(jù)歷年來落雷密度較大，800 k V 楚穗直流線路遭受雷擊的幾率較大，在線路防雷方面還需深入研究，不斷積累工作經(jīng)驗(yàn)。 因此，直流線路防雷工作仍將是今后關(guān)注的重點(diǎn)。

（2）繼續(xù)做好楚穗直流線路防雷檢查和整治工作 ，加強(qiáng)多雷區(qū)輸電線路桿塔防雷設(shè)施檢查工作。

（3） 結(jié)合跨區(qū)輸電線路歷年雷擊跳閘以及沿線其他線路雷擊跳閘情況，依靠雷電定位系統(tǒng)，開展跨區(qū)輸電線路沿線雷電活動(dòng)分析，研究跨區(qū)輸電線路綜合防雷整治工作.。

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緊湊、輕便的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNLE 使精準(zhǔn)S參數(shù)測量更加簡單

2017年7月20日，慕尼黑-羅德與施瓦茨公司發(fā)布矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNLE，該儀表可以滿足客戶對(duì)天線、衰減器、濾波器和PCB等器件的測試需求。儀表自身僅重6Kg，長寬尺寸為408mmx235mm,與同級(jí)別矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相比可以為客戶節(jié)省2/3左右的工作臺(tái)空間。

兩端口的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀除了能夠?yàn)榭蛻艄?jié)省空間之外，還可以提供快速、精準(zhǔn)的測量，尤其是ZNLE還具有S參數(shù)簡易測試向?qū)Чδ堋NLE可以提供S11、S21、S12、S22四個(gè)S參數(shù)的雙向測量，同時(shí)支持GPIB/LAN接口進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，其中GPIB為選件配置接口。儀表有兩個(gè)頻段可選，分別為ZNLE3（1MHz~3GHz）和ZNLE6（1MHz~6GHz）。

R&S ZNLE具有出色的射頻性能包括典型值120dB的超大動(dòng)態(tài)范圍以及1Hz到500KHz的測量帶寬。在200MHz頻率跨度，雙端口TOSM/SOLT校準(zhǔn)，100KHz測量帶寬、201個(gè)測試點(diǎn)的情況下，測試時(shí)間僅為9.6ms。同時(shí)，儀表的跡線噪聲僅為0.001dB，可以為客戶提供穩(wěn)定、可重復(fù)的測量。

R&S ZNLE配有10.1寸 WXGA觸摸屏，所有測試軌跡清晰可見，同時(shí)支持多點(diǎn)觸碰手勢放大和縮小測試軌跡。通過很少的操作步驟，可以輕松進(jìn)入到每個(gè)測試功能。重新操作和取消操作按鍵，可以取消和恢復(fù)用戶操作。

Analysis and Preventive Measures of Lightning Strike on DC Line

Liu Hongliang
(Kunming Branch of EHV, Kunming Yunan, 650217)

For the 800 k V DC transmission line lightning strike trip, the nature of the fault and lightning point range is analysised and determined, and the negative lightning is the main cause of DC line failure. As a result of traveling wave protection action, the control system of the DC line fault restart function is started , which the DC system to resume operation after the suceess of the fault control . According to the DC line is easy to suffer the characteristics of lightning, put forward DC circuit to prevent lightning damage response measures

DC line; negative lightning; fault restart; protection

劉鴻亮（1981），男，工程師，本科，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析運(yùn)行。