超高壓線路雷電干擾的識別

郭濱釗 陸 浩 姜海波 武萬曉 高 璐

（1.河南省夏邑縣供電局，河南 夏邑 476400；2.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴陽 550003；3.華北水利水電學(xué)院電力學(xué)院，鄭州 450011；4.內(nèi)蒙古東部電力有限公司，沈陽 110180）

1 引言

我國線路運行的大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，無論是高壓還是超高壓的輸電線路，雷害故障仍然占線路故障的 40%～70%。輸電線路的防雷保護(hù)大體上經(jīng)歷了四個發(fā)展階段。第一階段（1930年前）是以防止感應(yīng)雷為主的階段。最初，線路電壓等級很低，感應(yīng)雷引起的雷害事故是線路防雷的主要矛盾。因此，為了減少相導(dǎo)線上感應(yīng)過電壓，在輸電線路上加裝了避雷線。第二階段（1930－1950年），以防止直擊雷為主的階段，也是雷電參數(shù)得以系統(tǒng)歸納設(shè)計的時期。這一時期逐步明確了對 110～220kV 高壓線路來說，直擊雷是主要矛盾，并提出了直擊雷防護(hù)計算方法。在此期間，各國進(jìn)行了大量的雷電觀察，提出了用行波理論來計算絕緣子串兩端電壓的方法。第三階段（1950－1962年左右），是由美國OVEC-345kV 線路異常高的閃絡(luò)率所引起的爭論和對以前的防雷計算方法和數(shù)據(jù)進(jìn)行重新估價的時期。這場爭論極大地推動了線路防雷研究工作的進(jìn)展，使理論分析、現(xiàn)場測試、模擬試驗和運行經(jīng)驗的積累等方面的工作都有了很大的提高。第四階段（1962年前后至今），為模擬試驗、現(xiàn)場實測、概率統(tǒng)計方法和計算機(jī)綜合使用的階段。

2 輸電線路的感應(yīng)雷和直擊雷

2.1 雷電流的特點

雷擊發(fā)生時，雷電流的波形和大小跟許多因素有關(guān)，主要有地理位置、地質(zhì)條件、季節(jié)和氣象。其中，氣象情況具有很大的隨機(jī)性，因此雷電流的大小和波形也有很大的隨機(jī)性。實測表明，不同雷擊時，盡管雷電流的大小和波形存在很大差異，但都是單極性的脈沖波，而且多次觀測所擬合出的曲線近似于一雙指數(shù)曲線，如圖1所示。

圖1 雷電流的標(biāo)準(zhǔn)波形

其表達(dá)式為

式中，0i為某一固定電流值；α、β為兩個常數(shù)；t為時間。

2.2 輸電線路的直擊雷和感應(yīng)雷特點

雷電是雷云間或雷云與地面物體間的放電現(xiàn)象。前者稱為云閃，后者稱為地閃。地閃對電力系統(tǒng)，特別是輸電系統(tǒng)造成威脅，使絕緣擊穿，造成相與地或相與相間短路，引起停電事故，給國民經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重?fù)p失。直接雷擊及雷電感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓沖擊波幅值高達(dá)幾百千伏，沿輸電線路流動，侵入發(fā)電廠或變電站內(nèi)，使發(fā)電機(jī)、變壓器等重要電氣設(shè)備遭受破壞；嚴(yán)重時還危及人們的生命安全。為此，對雷電活動及其防護(hù)問題一直引起人們的關(guān)注。

輸電線路上的雷電過電壓按其形成分兩種情況：一種是雷云直接擊于線路（包括導(dǎo)線、桿塔，或許還有避雷線），在其上產(chǎn)生危害絕緣的電壓，稱為直擊雷過電壓；另一種是雷擊輸電線路附近地面，在輸電線路的三相導(dǎo)線上，因感應(yīng)而出現(xiàn)的高電壓，稱為感應(yīng)雷過電壓。

在雷電高頻干擾下，現(xiàn)有的各種暫態(tài)保護(hù)判據(jù)都有可能出現(xiàn)誤判。因此，研究和識別輸電線路的雷擊暫態(tài)特征對研制基于暫態(tài)量的保護(hù)及提高其可靠性都具有十分重要的意義，它也是暫態(tài)保護(hù)走向?qū)嵱没豢杀苊獾匾鉀Q的一個問題。

對于暫態(tài)保護(hù)來說，除了直擊雷會造成嚴(yán)重影響外，感應(yīng)雷擊同樣會在線路上產(chǎn)生高頻的暫態(tài)量，而且由于其發(fā)生的頻率高，所產(chǎn)生的危害甚至比直接雷電沖擊更嚴(yán)重。雷電直擊、反擊跳閘一般雷電流較大，如500kV典型桿塔反擊耐雷水平可達(dá)125～175kA。雷電反擊一般有下列特征：①多相故障一般是由直擊引起；②水平排列的中相或上三角排列的上相故障一般是由雷電反擊引起；③檔中導(dǎo)地線之間雷擊放電(極為罕見的小概率事件)的，一般是由雷電直擊、反擊引起；④一次跳閘造成連續(xù)多桿塔閃絡(luò)的，有可能是雷電直擊、反擊引起。雷電繞擊導(dǎo)線引起絕緣閃絡(luò)對應(yīng)的雷電流幅值較小，如500kV線路繞擊耐雷水平為22～24kA，220kV線路為12～14kA，110kV線路為5.5～7kA。

3 輸電線路感應(yīng)雷和直擊雷的識別

發(fā)生輸電線路直擊雷時，關(guān)鍵在于識別出感應(yīng)雷的暫態(tài)過程。然而，簡單地利用單一尺度上的能量難以可靠地將其識別。位置等因素有很大關(guān)系，過渡電阻越大，該部分能量越小。因此，必須結(jié)合高低頻帶上的能量分布特征進(jìn)行綜合分析。

本文對感應(yīng)雷擊仿真的方法就是直接在F點加一個控制源為雷電流的受控電流源，模擬故障性雷擊的主要思路是考慮在上述雷擊事件后立刻產(chǎn)生一個短路故障，如圖2所示。同時，采用如式（1）標(biāo)準(zhǔn)雙指數(shù)方程來模擬雷電流。

圖2 控制源為雷電流的受控電流源

圖3 500kV輸電線路模型

圖3為一條長度為280km的500kV的高壓輸電線路。在仿真實驗中，以輸電線路在距母線 M 的105km處發(fā)生雷擊故障為例。對于感應(yīng)雷擊取10kA，而對于故障性雷擊則取 30kA，仿真時間15ms，雷擊故障發(fā)生在3ms時，仿真時采樣頻率100Hz。仿真系統(tǒng)線路參數(shù)：R1=0.02083?/km；R0=0.1148?/km；L1=0.8984mH/km；L0=2.2886mH/km；C1=0.01291μF/km；C0=0.00523μF/km；電抗器參數(shù)：XL=1680 mH；XN=434mH。用Matlab中的小波分析分析仿真結(jié)果，一般用Matlab內(nèi)帶的odel5進(jìn)行數(shù)值計算，它在解決某些病態(tài)方程組時有較好的表現(xiàn)。對暫態(tài)信號采用Db4小波進(jìn)行5尺度分解，可以得到分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 感應(yīng)雷電流波形與小波分析結(jié)果

圖5 直擊雷電流波形與小波分析結(jié)果

設(shè)對信號f(t)進(jìn)行M層分解，原信號的能量可分解為各尺度下子頻帶的能量之和

式中，C0為‘0’級尺度系數(shù)，dj為j尺度下的小波系數(shù)，n為系數(shù)個數(shù)。

小波變換是在尺度空間上對電流和電壓能量的劃分，多尺度能量統(tǒng)計分布能同時反映暫態(tài)電流或電壓頻率空間的能量分布特性信息，不同種類的暫態(tài)信號，它們在時頻分布上是有區(qū)別的。因此，多尺度能量統(tǒng)計分布能從統(tǒng)計意義上反映不同暫態(tài)的特性，具有一定的特征提取能力。我們用能量統(tǒng)計法，對圖4、圖5的多分辨率分析的結(jié)果進(jìn)行能量統(tǒng)計，由（3）式可得到某時間段內(nèi)沿尺度分布的暫態(tài)信號能量和，對于最后統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立表1如下。

表1 暫態(tài)電流的能量分布

在高頻段上，雖然雷擊輸電線路時暫態(tài)電流附加分量所含的高頻能量比接地故障時的要高很多，但它受所注入的雷電流幅值影響很大，當(dāng)雷電流幅值減少時，它也將大為減少；而且僅利用高頻能量也難以區(qū)分感應(yīng)雷和直擊雷這兩種情況。在中低頻部分（a5的輸出），盡管有故障發(fā)生時（包括直擊雷和短路故障）的能量要遠(yuǎn)高于感應(yīng)雷時的情況，但是其大小也跟過渡電阻、故障位置等因素有很大關(guān)系，過渡電阻越大，該部分能量越小。因此，必須結(jié)合高低頻段上的能量分布特征進(jìn)行綜合分析。

通過上述對圖4、圖5和表1的分析發(fā)現(xiàn)，在小波變換多分辨率分析的基礎(chǔ)上，提取暫態(tài)電流附加分量高、低頻段上的能量比構(gòu)成判據(jù)，可實現(xiàn)輸電線路非故障性雷擊的識別。這里首先給出能量比k的表達(dá)式

式中，ijdm為暫態(tài)電流附加分量在尺度J上高頻分量第m個點的輸出；iam為暫態(tài)電流附加分量的中低頻分量第m個點的輸出；N為所取時間段所對應(yīng)的采樣點數(shù)。

顯然，當(dāng)發(fā)生感應(yīng)雷擊時，比值k較大，反之則較小。當(dāng)高頻能量取d1～d5，而中低頻能量取5a時，由表1算出這兩種情況的k值分別為：2.222和0.026，可見它們的區(qū)分度是很明顯的。因此，可以給出發(fā)生感應(yīng)雷擊的判據(jù)為

式中，k0為設(shè)定的門檻值，其大小跟高、低頻能量所取的頻率范圍有關(guān)。在實際計算中，只取次高頻分量（d4～d5）進(jìn)行計算。這是因為直擊雷時，由于絕緣子的閃絡(luò)，雷電波必然會被截斷為作用時間更短的截斷波，使其產(chǎn)生的暫態(tài)電流附加分量在最高頻段上（d1～d3）的能量含量要比感應(yīng)雷擊時的高，如果取這部分的能量進(jìn)行計算將會降低判據(jù)的靈敏度。

仍以圖3所示系統(tǒng)為算例模型進(jìn)行Matlab仿真計算。在仿真計算中，考慮了不同條件下的雷擊，并且雷電能夠發(fā)生繞擊和絕緣子閃絡(luò)這兩個條件，對于感應(yīng)雷擊分別取15kA和10kA，而對于直擊雷則取30kA和50kA。表2列出了部分仿真結(jié)果，其中，EH表示d4～d5所對應(yīng)的高頻能量，EL表示a5對應(yīng)的低頻能量。

表2 各中暫態(tài)過程所對應(yīng)的k值

從表2可見，在不同雷電參數(shù)下，各種暫態(tài)過程所對應(yīng)的EH和EL值變化范圍都很大，而且相互間存在交集，僅利用EH或EL值難以可靠區(qū)分不同的暫態(tài)過程；而它們的比率k，盡管也會隨條件的不同而發(fā)生變化，但還是保持著明顯的區(qū)分度：發(fā)生感應(yīng)雷擊時k值都較大，最小值為1.848；而直擊雷時，k都比較小，最大為0.031。顯然遠(yuǎn)小于感應(yīng)雷擊時的k值。由此可見，所提出的判據(jù)能夠有效、可靠地實現(xiàn)雷擊的識別。

根據(jù)以上的分析可知，利用高、低頻段上的能量比作為指標(biāo)，一方面可以放大不同暫態(tài)過程間的差異，另一方面受雷電參數(shù)和故障條件的影響也較小，可用于實現(xiàn)感應(yīng)雷和直擊雷二者暫態(tài)過程的可靠識別。

4 結(jié)論

本文就輸電線路的雷電干擾問題進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的研究。分別對輸電線路感應(yīng)雷干擾和直擊雷干擾的暫態(tài)過程及其對暫態(tài)保護(hù)的影響進(jìn)行詳細(xì)的分析；在比較各自所具的暫態(tài)特征的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的識別判據(jù)；并對判據(jù)作出詳細(xì)的理論推導(dǎo)和分析；最后利用Matlab進(jìn)行仿真計算，以驗證所提判據(jù)的有效性。所提出的輸電線路感應(yīng)雷和直擊雷識別判據(jù)可作為各種暫態(tài)保護(hù)的附加判據(jù)，大大提高其抗雷電干擾能力。

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