架空輸電線(xiàn)路雷電過(guò)電壓識別

　　隨著(zhù)電力系統的發(fā)展，架空輸電線(xiàn)路的高度和傳輸容量都在不斷提高，架空輸電線(xiàn)路綿延數千km ，經(jīng)常遭受各種雷電過(guò)電壓侵襲，引發(fā)停電事故。

　　因此，架空輸電線(xiàn)路雷電過(guò)電壓防護研究是建設超高壓電網(wǎng)和智能電網(wǎng)必須研究的重要課題。輸電線(xiàn)路雷電過(guò)電壓從發(fā)生機理來(lái)看，可以分為感應雷電過(guò)電壓、繞擊雷電過(guò)電壓(裝有避雷線(xiàn)的架空線(xiàn)路) 、反擊雷電過(guò)電壓。由于3 種雷電過(guò)電壓的發(fā)生機理、過(guò)程不同，所采取的防護手段也不相同。感應雷過(guò)電壓主要對35 kV 及以下的架空輸電線(xiàn)路產(chǎn)生危害， 110 kV 及以上的架空輸電線(xiàn)路由于線(xiàn)路絕緣水平較高以及避雷線(xiàn)的屏蔽效應，感應雷過(guò)電壓一般不會(huì )引起絕緣子串閃絡(luò );反擊、繞擊雷電過(guò)電壓由于是雷電流直接作用產(chǎn)生的，又稱(chēng)為直擊雷電過(guò)電壓。反擊雷電過(guò)電壓主要靠提高線(xiàn)路絕緣水平，降低桿塔接地電阻來(lái)提高耐雷水平，而繞擊過(guò)電壓主要靠改進(jìn)線(xiàn)路保護角等方式來(lái)降低繞擊發(fā)生概率?，F有的輸電線(xiàn)路雷電過(guò)電壓的防護研究大多采用經(jīng)驗數據、電氣幾何模型法等研究方法，試圖在設計階段消除雷電過(guò)電壓對架空輸電線(xiàn)路的威脅。

　　然而大量的運行經(jīng)驗表明，即使在防雷設計階段考慮了眾多完善的防雷手段，由于防雷設計所采用的數據、方法、模型與投運線(xiàn)路的實(shí)際情況還有不少出入，導致實(shí)際線(xiàn)路雷擊事故跳閘率與設計值存在誤差，各種雷電過(guò)電壓事故時(shí)有發(fā)生[2-4 ] 。因此，對已經(jīng)投運的輸電線(xiàn)路上所發(fā)生的雷電過(guò)電壓類(lèi)型進(jìn)行準確辨識，為架空輸電線(xiàn)路的防雷設計提供可靠的數據，對提高防雷設計效率十分必要。

　　文獻[5 ]從繼電保護的角度提出了對直流輸電線(xiàn)路雷電繞擊與反擊的識別方法，該方法主要針對的是直流輸電線(xiàn)路。文獻[ 6 ]提出了磁帶、磁鋼棒等方式測量雷電流波形參數來(lái)實(shí)現對繞擊和反擊的識別，但是由于這些測量裝置不能重復測量，獲取數據的工作量大，需依據工作經(jīng)驗來(lái)做判斷，易造成過(guò)電壓識別的誤判，漏判。文獻[ 7-14 ]對雷電信號進(jìn)行了深入的研究，提出了利用電流高低頻能量比值、零模與線(xiàn)模分量比值、波前波尾最大斜率比值、波形一致性系數、模極大值等構成判據，實(shí)現對雷電干擾和短路信號的辨識。上述文獻出發(fā)點(diǎn)是暫態(tài)行波保護，主要目的在于辨識雷電干擾對暫態(tài)行波保護的影響，而非對雷電過(guò)電壓類(lèi)型進(jìn)行識別。目前，交流系統的雷電過(guò)電壓類(lèi)型的非現場(chǎng)識別方法研究仍是一個(gè)難點(diǎn)。

　　由于現有的變電站錄播裝置采樣率過(guò)低(通常只有數十kHz) ，難以完整準確的記錄雷電過(guò)電壓波形(通常波頭、波長(cháng)時(shí)間都在μs 級) ，且未考慮TV 在過(guò)電壓下的磁飽和特性，變電站錄波裝置是無(wú)法準確獲取雷電過(guò)電壓信號的。文獻[ 15 ]提出了針對配電網(wǎng)的過(guò)電壓模式識別方法，采用的是變電站內部過(guò)電壓監測裝置所獲取的過(guò)電壓信號。由于變電站內部結構復雜多樣，雷電行波沿輸電導線(xiàn)傳輸到變電站內部時(shí)，會(huì )發(fā)生多次復雜的折反射，使波形畸變失真。因此，對于雷電過(guò)電壓類(lèi)型的辨識，即使利用變電站過(guò)電壓監測裝置獲取了真實(shí)可靠的變電站內部的過(guò)電壓信號，也難以用于分析、辨識線(xiàn)路上所發(fā)生的雷電過(guò)電壓類(lèi)型。

　　基于上述考慮，本文從輸電線(xiàn)路電流行波的角度，研究交流輸電線(xiàn)路中感應、繞擊、反擊雷電過(guò)電壓的發(fā)生機理、過(guò)程以及波頭特征，提出了利用輸電線(xiàn)路電流行波波頭的時(shí)域特征量實(shí)現雷電過(guò)電壓類(lèi)型的辨識，為輸電線(xiàn)路防雷設計、優(yōu)化運行水平、線(xiàn)路維護等提供統計數據支持。由于采用了輸電線(xiàn)路的雷電流行波作為分析對象，能有效避免雷電流行波在變電站內部的折反射所帶來(lái)的影響。EMTP仿真計算表明，利用本文所提取的特征量能有效辨識雷電過(guò)電壓類(lèi)型。

　　1 　輸電線(xiàn)路的雷電過(guò)電壓發(fā)生機理

　　1. 1 　感應雷電過(guò)電壓

　　雷云接近輸電線(xiàn)路上空時(shí)，在架空輸電線(xiàn)路上將感應出與雷云電荷量相等但極性相反的電荷，稱(chēng)為束縛電荷。當雷云對地放電時(shí)，由于云中電荷很快中和，束縛電荷被釋放，在輸電線(xiàn)路上感應出極性與雷電流相反的過(guò)電壓。架空線(xiàn)上的感應雷過(guò)電壓波形及其幅值與導線(xiàn)、雷電流參數等多個(gè)因素有關(guān)。

　　由于三相導線(xiàn)與雷擊點(diǎn)距離基本相等，因此三相架空線(xiàn)上的感應雷過(guò)電壓極性相同，波形相似，幅值相近。J ankov 在雷電流回擊模型和耦合的Agraw2al 模型基礎上 ，給出了架空線(xiàn)路感應雷過(guò)電壓的幅值估計公式:

　　式中， ku = k3 h; h 為導線(xiàn)離地高度; d 為雷擊點(diǎn)到導線(xiàn)的距離;系數k0 、k1 、k2 和k3 由雷電流特性決定。

　　1. 2 　反擊雷電過(guò)電壓

　　雷電流擊中輸電桿塔塔頂時(shí)，大部分雷電流沿桿塔流入大地，由于桿塔、避雷線(xiàn)波阻抗及接地電阻的存在，雷電流流過(guò)桿塔進(jìn)入大地時(shí)，會(huì )在桿塔上產(chǎn)生很大的壓降，使塔頂、橫擔的電位陡升。當絕緣子串兩端所承受的電位差超過(guò)其沖擊閃絡(luò )電壓時(shí)，絕緣子串發(fā)生閃絡(luò )，導致輸電線(xiàn)路發(fā)生接地故障。

　　雷電流作用于桿塔并發(fā)生反擊包括桿塔電位升高和絕緣子串擊穿兩個(gè)過(guò)程，如圖1 所示。當絕緣子串未被擊穿時(shí)，除大部分雷電流沿桿塔入地外，少部分雷電流被避雷線(xiàn)分流。根據空間電磁耦合原理，輸電線(xiàn)路中將耦合出一個(gè)電流行波。此時(shí)，輸電線(xiàn)路通道中沒(méi)有直擊雷電流，只含有空間電磁耦合電流。當桿塔電位繼續上升，導致絕緣子串擊穿后，雷電流將注入輸電線(xiàn)路。此時(shí)，輸電線(xiàn)路中將會(huì )有大量的雷電流，較之前一階段的空間電磁耦合分量，輸電線(xiàn)路的電流將發(fā)生大幅躍升。反擊發(fā)生時(shí)，桿塔電位升高和絕緣子擊穿兩個(gè)過(guò)程彼得遜等值電路如圖2 所示。設桿塔波阻抗為Z1 、避雷線(xiàn)波阻抗為Z2 、接地電阻為Rg ， ，輸電線(xiàn)路波阻抗為Z ， 雷電通道波阻抗為Z0 ， 雷電流為i。絕緣子串作用相當于等值電路開(kāi)關(guān)S ，絕緣子串未擊穿，S 未閉合時(shí)，輸電線(xiàn)路波阻抗Z 中沒(méi)有雷電流，絕緣子串擊穿，S 閉合后，雷電流注入輸電線(xiàn)路通道。

圖1 　反擊示意圖

圖2 　反擊等值電路

　　1. 3 　繞擊雷電過(guò)電壓

　　雷電流直接擊中輸電導線(xiàn)時(shí)，由于大量雷電流注入，導致輸電線(xiàn)路對地電壓陡升。當絕緣子串兩端承受的電位差大于絕緣子串沖擊閃絡(luò )電壓時(shí)，絕緣子串發(fā)生閃絡(luò )，導線(xiàn)通過(guò)桿塔對地放電。繞擊發(fā)生時(shí)，雷電流首先直接作用于導線(xiàn)。因此繞擊時(shí)導線(xiàn)的電流行波全部為雷電流分量，不存在類(lèi)似反擊的電磁耦合分量，其發(fā)生過(guò)程的示意圖如圖3 所示。

圖3 　繞擊示意圖

　　繞擊發(fā)生時(shí)，導線(xiàn)電位升高和絕緣子串閃絡(luò )兩個(gè)過(guò)程的彼得遜等值電路如圖4 。絕緣子串作用相當于等值電路開(kāi)關(guān)S ，絕緣子串未擊穿，S 未閉合時(shí)，雷電流導致輸電線(xiàn)路電位升高，桿塔、避雷線(xiàn)中沒(méi)有雷電流;絕緣子串擊穿，S 閉合后，雷電流通過(guò)桿塔入地。由于輸電線(xiàn)路直接被雷電流作用，在繞擊過(guò)程中輸電線(xiàn)路雷電流中不存在電磁耦合電流分量。

圖4 　繞擊等值電路

　　由上述分析可知，當輸電線(xiàn)路發(fā)生感應雷過(guò)電壓時(shí)，電流行波為感應電流，三相基本相似;發(fā)生反擊時(shí)，在絕緣子未擊穿之前，電流為電磁耦合電流，擊穿之后，線(xiàn)路電流由電磁耦合電流突變?yōu)橹睋衾纂娏?。發(fā)生繞擊時(shí)，線(xiàn)路電流為直擊雷電流分量。

　　2 　輸電線(xiàn)路的雷電過(guò)電壓電磁暫態(tài)仿真

　　2. 1 　感應雷電過(guò)電壓

　　本文采用EMTP 電磁暫態(tài)仿真程序對架空輸電線(xiàn)路的感應、繞擊、反擊3 種雷電過(guò)電壓進(jìn)行仿真計算。圖5 為220 kV 系統仿真模型。輸電線(xiàn)路長(cháng)為30 km。根據桿塔尺寸結構，采用文獻[ 17 ]所提出的計算公式，得到桿塔分段波阻抗模型，如