特高压直流输电线路雷击暂态响应监测技术研究

特高压直流输电线路雷击暂态响应监测技术研究
发布时间：2021-12-24T13:54:57.170Z 来源：《中国科技人才》2021年第24期作者：周泊仲
[导读] 我国大力发展输电线路规模，其中特高压输电线路比例显著增加，线路的雷击事故也随之增加。

笔者开展雷击暂态响应监测技术研究，提出了较为精确的故障定位技术和故障识别技术，通过理论分析对测量结果进行修正;研发了雷击暂态响应监测系统，通过理论分析得出监测终端的安装距离;通过现场示范应用，结合人工巡检等手段进行校验，对该监测系统的故障精确定位误差和故障识别能力进行了论证，为进一步深入研究输电线路雷击机理和针对性反措奠定基础。

周泊仲
国网陕西省电力公司检修公司陕西西安 710000
摘要：我国大力发展输电线路规模，其中特高压输电线路比例显著增加，线路的雷击事故也随之增加。

笔者开展雷击暂态响应监测技术研究，提出了较为精确的故障定位技术和故障识别技术，通过理论分析对测量结果进行修正;研发了雷击暂态响应监测系统，通过理论分析得出监测终端的安装距离;通过现场示范应用，结合人工巡检等手段进行校验，对该监测系统的故障精确定位误差和故障识别能力进行了论证，为进一步深入研究输电线路雷击机理和针对性反措奠定基础。

关键词：雷击暂态相应;监测系统;故障定位;故障识别;行波
引言
鉴于直流线路故障可能对大电网安全造成严重威胁的问题，非常有必要研发直流线路雷击暂态全响应参数在线监测系统，实时监测线路本体的雷击信息，自动记录并分析雷击时间、雷击点位置和雷电波形，从而实现雷击点快速定位和雷击故障的自动辨识能力。

笔者对特高压直流输电线路的雷击暂态响应监测技术进行研究，提出了较为精确的雷击故障定位技术和故障识别技术，并通过理论分析对测量手段进行了修正;对系统各个主要模块进行详细分析和设计，研发雷击暂态监测系统样机;最后提出监测系统的基本配置原则和配置方案，并在具体线路上进行示范应用，通过其他手段对监测结果进行对比分析，论证了系统监测的可靠性和可行性，为进一步深入研究输电线路雷击机理和针对性反措奠定基础。

1直流输电线路故障特征
1.1基本特征
两级VSC直流输电线路故障的基本特征与金属磁控直流输电线路故障的基本特征略有不同。

在直流输电线路故障初期，直流电容器会迅速放电至故障点，使直流输电线路的电压迅速下降。

在直流电压低于交流电压之前，换流站桥臂中的电流仍然是交流侧电感续流的电流，因此换流站不会受到电容器放电电流的影响。

当直流电压低于交流电压时，交流系统将向故障点提供电流。

由于该电路持续向故障点输送故障电流，若在故障发生后没有及时切断，这种大的故障电流可能会对换流站造成严重损害。

直流输电线路故障后直流输电系统中的一相故障电流传播路径。

当直流输电线路发生故障时，系统子模块的电容器将迅速放电到故障点，将对输电线路带来较大的电压降。

即使VSC被阻断，交流系统和IGBT的反并联二极管仍然会构成三相不可控的整流电路，从而不断向故障点输送故障电流。

LCC系统可以通过增加热敏电阻的阻值和降低直流线路的电压控制故障电流，而VSC系统中直流输电线路故障后的大故障电流是无法被控制的。

1.2处理要求
由于VSC高压直流输电系统中的直流输电线路故障后故障电流没有过零点，且会在很短的时间内增加到峰值，因此直流断路器必须具有切断极大故障电流的能力。

因为大多数在役VSC直流双端系统没有配备直流断路器，无法切断大的故障电流，所以在直流输电线路发生故障后，通常是换流器交流侧的交流断路器负责切断故障电流。

但是，这种故障处理模式并不适合VSC高压直流输电系统。

VSC高压直流输电系统故障处理的设计理念应类似于传统交流电网，尽可能利用直流断路器隔离或切断故障部分，以最大限度地保持系统的完整性和连续运行。

与交流电网相比，直流电网阻尼小且惯性小。

发生在直流侧的故障会对换流阀和直流输电线路造成严重的瞬时过电流，使直流电压迅速下降。

因此，故障在直流电网中的传播速度更快，更容易出现部分故障导致整个电网停电。

在使用架空输电线路时，输电线路发生故障的可能性更高，因此直流输电线路保护对VSC高压直流输电系统的安全可靠运行至关重要。

但是，直流断路器的容量相对有限，如果保护和直流断路器能足够快地动作，故障电流就能在其峰值之前被切断，从而降低直流断路器的设计难度，也能够使直流断路器切断的电流更低。

2雷击线路暂态响应监测系统研发
2.1监测系统组成
线路雷击暂态全响应参数在线监测系统见图4。

系统由监测终端、数据中心和工作站3部分组成。

检测终端安装于线路上，用于故障信息的提取和传输;数据中心用于数据收集、处理和诊断，并进行数据保存;工作站用于信息的查询以及终端控制设置。

系统具体工作流程见图
5。

图2 系统工作流程
一旦有故障电流流过，系统就会开始工作，并通过GPＲS移动网络传送到监测数据中心站，监测数据中心站对数据进行分析，分析后将相应结果以WEB客户端方式显示，客户可以随时随地查询相应的分析结果。

2.2监测终端设计
监测终端是监测系统的核心部件，内部构成见图6。

监测终端由传感器单元、电源单元、数据采集单元及无线通信单元组成。

雷击监测终端负载功耗为系统性能评估的重要指标之一，较大的负载功耗对铁芯的功率输出及备用电池的容量都有较高的要求。

终端负载降耗不仅可以使同规格的取能线圈在较低的负荷电流下正常工作，而且还可以工作更长时间，因此在负荷电流因故障跳闸为零时，监
测终端可以继续工作。

监测终端负载功耗主要来自于数据通信，数据通信单元采用GPＲSDTU无线通信模块，其功率大小与通信模块的拨号状态及发送的数据量有关，发射功率峰值高达2W左右，提高设备长期可靠工作的性能，本装置采用通信模块智能休眠的技术方案以提高数据通信的工作效率，增强系统的可靠性。

3雷击线路暂态响应监测系统应用
3.1基本配置原则
根据某单回输电线路参数建立杆塔反击模型，在线路不同位置观测到的暂态行波电流见图7。

由图7可知，当故障点距监测终端的距离为1km和15km时，在波形的起始阶段有幅值较小的脉冲电流，这是因为在绝缘子击穿前，线路中存在感应电流，当绝缘子击穿后，将形成一个反向较大的雷电流。

当故障点距监测终端的距离为30km时，基本观察不到感应电流特征量。

为了能够准确的监测到比较全面的雷击暂态响应，故建议监测终端的距离应小于30km。

3.2现场应用
为了开展线路雷击监测，根据线路走廊落雷密度数据，分析落雷密度比较高的区域，同时结合分布式故障监测每30km安装布置一个监测点的特性，在某±500kV直流线1号杆塔、74号杆塔、135号杆塔、201号杆塔、431号杆塔、498号杆塔大号侧各安装一个监测点(正负极各
一台)共计12台监测终端，在覆盖雷击强烈区段的同时，也覆盖雷击故障高发区段，并兼顾整个线路的故障监测，见图8和图9。

图9 运行中的监测装置
事故发生后，工作人员进行现场巡检，雷击暂态监测系统定位故障点与巡线结果相差1级杆塔，同时系统判断故障原因为绕击，巡线人员在导线上发现大片烧灼，经分析确认本次故障为绕击闪络。

雷击暂态全响应参数监测对雷击故障定位结果与巡线结果基本一致。

结束语
对雷击暂态响应监测系统进行技术研发，并通过理论分析计算，提出监测终端的距离应小于30km的安装要求。

在特高压直流线路上安装雷击暂态响应监测系统，通过现场人工巡检等技术手段，该监测系统故障精确定位误差满足1级杆塔技术规范基本在1个档距以内;雷击跳闸鉴别率达100%，绕、反击故障性质识别率达100%。

参考文献
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