架空輸電線(xiàn)路雷電過(guò)電壓識別

圖5 　220 kV輸電系統模型圖

圖6 　桿塔結構及波阻抗模型

　　2. 2 　時(shí)域波形分析

　　利用上述模型，分別對輸電線(xiàn)路遭受感應、繞擊、反擊雷電過(guò)電壓3 種情形進(jìn)行了仿真。在雷擊點(diǎn)后1 km 處采樣，獲取輸電線(xiàn)路電流信號。3 種雷電過(guò)電壓的電流行波如圖7～9 所示。

圖7 　感應雷過(guò)電壓三相電流波形

圖8 　反擊三相電流波形

圖9 　繞擊三相電流波形

　　由圖7～9 可以看出，感應雷過(guò)電壓的三相電流行波為感應電流行波，經(jīng)過(guò)衰減后，三相仍基本相似。反擊過(guò)電壓的三相電流行波電流大幅度躍升之前，存在電磁耦合電流分量，該電磁耦合分量陡度小，上升時(shí)間長(cháng);絕緣子串擊穿之后，由于大量雷電流注入導線(xiàn)，電流行波幅值躍升，陡度增大。繞擊過(guò)電壓沒(méi)有電磁耦合電流的存在，電流行波在發(fā)生雷擊后迅速躍升。因此，三相電流行波相似程度大小以及電磁耦合電流存在與否是判斷雷電過(guò)電壓類(lèi)型的重要特征。

　　3 　輸電線(xiàn)路雷電過(guò)電壓識別判據

　　由上述分析，3 種雷電過(guò)電壓的電流行波區別主要體現在三相電流行波相似程度以及電磁耦合電流行波的存在。感應雷電過(guò)電壓三相電流行波相似度較高，而直擊雷電過(guò)電壓由于雷電流的直接注入，三相電流相似度較低?；谶@一特點(diǎn)，提出感應雷點(diǎn)過(guò)電壓與直擊雷電過(guò)電壓的識別判據:

　　式中， S Thres為感應雷過(guò)電壓幅值判據門(mén)限值; Smin 為三相電流行波的最小相似度。對于信號X ( n) 和Y ( n) ，其相似度S 計算公式為:

　　在實(shí)際計算中，為排除閃絡(luò )后引起的干擾并降低計算量，取電流行波峰值前4μs 作為相似度計算區間。當Smin大于門(mén)限值時(shí)，判定為感應雷過(guò)電壓。反之，則認定為直擊雷電過(guò)電壓。

　　發(fā)生反擊雷電過(guò)電壓，絕緣子串未擊穿時(shí)，電流行波只含有幅值較低的電磁耦合分量，絕緣子串擊穿后，雷電流注入導線(xiàn)，閃絡(luò )相電流行波為雷電流，幅值大幅躍升。設Imax為被擊相電流行波幅值最大值，根據仿真結果，電磁耦合分量的電流行波幅值約為5 %Imax 。因此，反擊時(shí)電流行波幅值在大幅躍升之前，先有一個(gè)幅值約為5 %Imax的上升過(guò)程。在該上升過(guò)程中，電流行波陡度較低，上升時(shí)間較長(cháng)，絕緣子被擊穿后，雷電流注入，電流行波陡度增大，上升時(shí)間較短。繞擊時(shí)，由于雷電流在絕緣子擊穿之前已經(jīng)直接注入導線(xiàn)，導致被擊相電流行波無(wú)電磁耦合電流分量的存在，陡度較大，上升時(shí)間較短。

　　設t2 %為監測到雷電流行波幅值達到2 %Imax的時(shí)間點(diǎn)， t5 % 、t50 %以此類(lèi)推。由于雷電流準確的起始點(diǎn)難于確定，以t2 %作為計算起始點(diǎn)。為避免雷電流反射行波的影響，以電流行波達到50 %Imax 所用時(shí)間t1 來(lái)表征雷電流的上升時(shí)間，以電流行波達到5 %Imax 所用時(shí)間t2 來(lái)表征空間電磁耦合行波的上升時(shí)間，并定義其比值為ρ，其計算公式為:

　　對于反擊雷電過(guò)電壓，由于存在電磁耦合分量，t2 為電磁感應電流行波的上升時(shí)間， t1 為注入導線(xiàn)的雷電流上升時(shí)間，由于電磁耦合分量陡度較低，上升時(shí)間較長(cháng)，而雷電流陡度相對較大，上升時(shí)間較短。因此，發(fā)生反擊時(shí)參數ρ數值將偏小。對于繞擊，由于不存在電磁耦合分量， t2 、t1 分別為雷電流在達到50 %Imax 和5 %Imax 所用的時(shí)間。因此，發(fā)生繞擊時(shí)，參數ρ將> 1 。據此特點(diǎn)，繞擊、反擊雷電過(guò)電壓的識別判據為:

　　式中，ρThres為繞擊、反擊的判據門(mén)限值。

　　總結前述分析，對感應、繞擊、反擊3 種雷電過(guò)電壓的識別流程如圖10 所示。

圖10 　雷電過(guò)電壓識別流程圖

　　4 　仿真驗證

　　本文在前述仿真模型的基礎上，對感應、繞擊、反擊3 種雷電過(guò)電壓進(jìn)行了多次仿真。雷電流采用防雷設計標準波形2. 6/ 50μs 波形。分別在雷擊點(diǎn)后1 ，1. 5 ，3 ，5 km 等4 個(gè)距離點(diǎn)采集雷電流行波，計算3 種過(guò)電壓的Smin ，ρ等特征參數。仿真計算結果如表1 所示。

表1 　感應雷,繞擊與反擊特征參數

　　根據表1 可見(jiàn)，將S Thres設定為0. 8 ，ρThres設定為2. 5 ，利用本文所提出的判據，即可在線(xiàn)路后方對前方所發(fā)生的雷電過(guò)電壓類(lèi)型做出準確判斷。不同雷電流波形下的仿真結果表明，所提取的特征量基本不受雷電流波形分散性的影響。本文在不同電壓等級系統下仿真表明， 該方法對110 、220 、500 kV 電壓等級系統都適用。由于信號沿線(xiàn)衰減，根據仿真結果，當信號采樣點(diǎn)與雷擊點(diǎn)距離> 8 km 時(shí)，電磁感應分量電流行波基本衰減為零，對反擊和繞擊雷電過(guò)電壓判據失效。由于三相導線(xiàn)衰減程度基本相同，對感應和直擊雷電過(guò)電壓的判據仍然有效。雷電流行波信號獲取方式，可以考慮參考文獻[ 20 ]和[21 ]所提出的方式。

　　5 　線(xiàn)路其它因素的影響

　　5. 1 　沖擊電暈的影響

　　由于沖擊電暈的作用，在實(shí)際架空輸電線(xiàn)路發(fā)生過(guò)電壓時(shí)，線(xiàn)路對地電容增大，電流行波波形會(huì )發(fā)生畸變，陡度會(huì )降低。EMTP 仿真軟件尚未能模擬該過(guò)程?？紤]三相導線(xiàn)在沖擊電暈作用下衰減畸變程度基本相等，沖擊電暈不會(huì )對波形相似度產(chǎn)生影響。而對于繞擊與反擊的識別，由于沖擊電暈主要作用于發(fā)生在雷電流注入導線(xiàn)之后，使得電流行波在[ 5 % Imax ， 50 % Imax ]區間的上升時(shí)間增加，而電流行波在[ 2 % Imax ， 5 %Imax ]區間內的上升時(shí)間基本不會(huì )受沖擊電暈影響。因此，實(shí)際線(xiàn)路的特征量ρ比仿真結果總體偏大，只要適當調整閾值，即可避開(kāi)沖擊電暈的影響[22 ] 。

　　5. 2 　反擊時(shí)感應過(guò)電壓的影響

　　雷擊桿塔并發(fā)生反擊時(shí)，在絕緣子閃絡(luò )之前，空間電磁場(chǎng)變化會(huì )在輸電線(xiàn)路上產(chǎn)生感應過(guò)電壓，該感應過(guò)電壓會(huì )在輸電線(xiàn)路上產(chǎn)生感應電流行波。目前的仿真軟件也未能對這一過(guò)程進(jìn)行仿真。該感應電流行波的存在，會(huì )使絕緣子串閃絡(luò )前電流行波的幅值略有增加。由于感應過(guò)電壓的陡度相對直擊雷較低，考慮感應雷過(guò)電壓后，絕緣子閃絡(luò )前電流行波陡度較雷電流行波仍較低，故感應電流行波不會(huì )對本文提出的繞擊與反擊的判據產(chǎn)生根本性的影響。本文根據電磁耦合電流行波幅值約為5 %Imax這一仿真結果，定義的上升時(shí)間比ρ的計算區間為[ 2 % Imax ， 5 % Imax ]和[ 5 % Imax ， 100 % Imax ] 。在實(shí)際應用中，考慮到感應電流行波的影響，將ρ的計算區間根據實(shí)際運行情況稍作調整，即可避開(kāi)反擊時(shí)雷擊桿塔感應過(guò)電壓的影響。

　　5. 3 　輸電線(xiàn)路接線(xiàn)端的影響