基于雷電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的新型雷電故障識(shí)別方法

杜怡嫻

（河南新鄉(xiāng)供電公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

在高壓輸電線路中，線路距離長(zhǎng)，跨度大，地理和氣象條件復(fù)雜，易受雷擊。運(yùn)行資料表明，雷擊是造成高壓輸電線路故障的主要原因之一。因此，判定雷擊故障發(fā)生的次數(shù)和位置，識(shí)別雷擊故障和普通短路故障，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

輸電線路受到雷擊后，按后果的不同，可以分為故障性雷擊和非故障性雷擊。不少學(xué)者對(duì)雷擊故障的特征進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出了雷擊故障的判據(jù)。

[1]中識(shí)別雷擊線路造成故障與未造成故障的方法是：雷擊未造成故障時(shí)，雷擊前后線路電流變化不大；雷擊造成故障時(shí)，雷擊前后線路電流變化較大。該方法的不足之處，是行波在母線處的折／反射，即使雷擊已經(jīng)結(jié)束，但行波過程還將持續(xù)一定的時(shí)間。這樣就存在未造成故障的雷擊雖己結(jié)束，但其引起的行波還未消失的可能；而且雷擊故障后的行波可能過零，由于過零的行波很小，該方法可能視為“雷擊前后線路電流變化不大”，從而發(fā)生誤判。

參考文獻(xiàn)[2]中的方法，只是針對(duì)感應(yīng)雷擊，尚未系統(tǒng)解決如何識(shí)別雷電干擾的問題，不夠全面。

參考文獻(xiàn)[3]以雷擊未造成故障時(shí)，行波（暫態(tài)）信號(hào)中高頻分量與低頻分量能量比值大，而故障（包括雷擊造成故障）時(shí)，行波（暫態(tài)）信號(hào)中高頻分量與低頻分量能量比值小，這一特征構(gòu)成雷電波的識(shí)別方法。但如果線路發(fā)生雷擊導(dǎo)線（繞擊）并未引起故障時(shí)，行波信號(hào)中高頻分量與低頻分量能量比值也可能比較小，與故障時(shí)的情況較難區(qū)別。上述方法難以推廣實(shí)用化。

為了解決這一問題，本文對(duì)避雷器地線上的電流特征進(jìn)行分析，提出了判斷雷擊故障的可靠判據(jù)。

1 避雷器地線電流行波特征分析

1.1 避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特性

避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是應(yīng)用于高壓電力系統(tǒng)中，用來監(jiān)測(cè)避雷器放電動(dòng)作的一種高壓電器設(shè)備。其串聯(lián)在避雷器低壓側(cè)，與避雷器配套使用，以監(jiān)測(cè)避雷器接地線上泄露電流的變化和動(dòng)作次數(shù)，并顯示動(dòng)作次數(shù)。避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用于電力系統(tǒng)各種電壓等級(jí)氧化鋅避雷器、碳化硅避雷器的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，能夠有效區(qū)分普通短路故障和雷擊故障，記錄避雷器的動(dòng)作次數(shù)。其構(gòu)造由非線性電阻、電磁計(jì)數(shù)器和一些電子元件組成。在正常運(yùn)行電壓下，流過計(jì)數(shù)器的漏電流非常小，計(jì)數(shù)器不動(dòng)作；當(dāng)避雷器通過雷電波時(shí)，強(qiáng)大的工作電流使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量避雷器動(dòng)作次數(shù)。

圖1 雙閥片式避雷器在線監(jiān)測(cè)原理接線圖

如圖1所示。當(dāng)避雷器動(dòng)作時(shí)，放電電流流過閥片R1，在R1上的壓降經(jīng)閥片R2給電容器C充電，然后C再對(duì)電磁式記數(shù)器的電感線圈L放電，使其轉(zhuǎn)動(dòng)1格，記1次數(shù)。改變R1及R2的阻值，可使記數(shù)器具有不同的靈敏度。因R1上有一定的壓降，將使避雷器的殘壓有所增加，故其主要用于40 kV以上的高壓避雷器計(jì)數(shù)。

1.2 避雷器地線電流行波特征分析

變電站進(jìn)線段發(fā)生雷擊故障時(shí)，故障行波向變電站內(nèi)傳輸，并可能導(dǎo)致避雷器動(dòng)作。當(dāng)發(fā)生非故障性雷擊和普通短路故障時(shí)，避雷器良好的非線性特征，使通過避雷器地線上的電流行波幅值較小，而雷擊故障時(shí)，電流行波的幅值較小。

由地線上電流行波的幅值，便可以構(gòu)成雷擊故障的可靠判據(jù)。判據(jù)如下所示：

2 判據(jù)電流分析

由概率性分析可知，對(duì)于110 kV及以上電力系統(tǒng)，50 kA及以上雷電流構(gòu)成故障性雷擊的概率為93.45%。因此可以以50 kA以上的雷電流計(jì)算避雷器地線電流判據(jù)的依據(jù)。

由變電站避雷器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可知，避雷器為非線性元件其電壓與電流的關(guān)系為

式中，

Uref是參考電壓，通常取2倍避雷器額定電壓，

p、q參數(shù)由避雷器的伏安特性數(shù)據(jù)來擬和確定。

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)發(fā)生故障性雷擊故障時(shí)，ig≥100 A。當(dāng)發(fā)生其他類型故障時(shí)，ig≤100 mA。因此，可取50 A作為判別故障雷擊的電流行波幅值判據(jù)。

3 仿真分析

圖2 雷擊仿真模型

為了檢測(cè)該方法的可靠性及其準(zhǔn)確性，論文搭建了EMTP仿真模型來對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真模型如圖2所示。

3.1 仿真參數(shù)的設(shè)置

實(shí)際雷電流波形與幅值等諸多因素有關(guān)，本次模擬按規(guī)程取標(biāo)準(zhǔn)波形，即2.6/50 μs的斜角波。故障雷電流峰值設(shè)置為100 kA，非故障雷電流峰值設(shè)置為30 kA。因該避雷器計(jì)算器安裝在220 kV及以上變電站，因此選取220 kV氧化鋅避雷器（MOA）的額定電壓為200 kV，MOA的伏安特性采用陡波下的伏安特性曲線，如表1所示。

表1 陡波下MOA伏安特性

變電站內(nèi)的母線、連接線等均用單相分布參數(shù)線路表示，根據(jù)導(dǎo)線的型號(hào)和懸掛高度，用ATP中建立線路模型。站內(nèi)母聯(lián)和站內(nèi)主變連接線的引線型號(hào)為2×LGJQT-1400/135，分裂間距為400 mm，分裂導(dǎo)線水平排列；站內(nèi)出線的引線型號(hào)為2×LGJ-300/40，分裂間距為400 mm，分裂導(dǎo)線水平排列。變電站內(nèi)其他電氣設(shè)備在雷電波作用下，都可用入口電容表示，220 kV敞開式變電站站內(nèi)電氣設(shè)備的入口電容如表2所示。

表2 220 kV敞開式變電站站內(nèi)電氣設(shè)備入口電容

3.2 仿真結(jié)果及其分析

按照上述參數(shù)，在ATP仿真軟件中，在進(jìn)線段模擬故障性雷擊、非故障性雷擊和單相短路故障，仿真波形如圖3～圖5所示：

圖3 雷擊故障時(shí)避雷器地線上的電流

圖4 系統(tǒng)短路故障時(shí)避雷器底線上的電流

圖5 非故障性雷擊時(shí)避雷器地線上的電流

由圖可知：在變電站進(jìn)線段發(fā)生雷擊故障時(shí)，避雷器動(dòng)作，其地線電流峰值可達(dá)到10 kA，并具有較大的斜率；在變電站進(jìn)線段發(fā)生非故障性雷擊故障時(shí)，避雷器地線上的電流極小，其峰值為1.9 mA左右；在變電站進(jìn)線段發(fā)生普通短路故障時(shí)，避雷器不動(dòng)作，因此避雷器地線上的電流極小，其峰值為1.1 mA左右。

由上述仿真可知，該方法可以準(zhǔn)確識(shí)別故障性雷擊故障。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)有的避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文提出了基于該套裝置的識(shí)別雷電故障和短路故障的新方法。對(duì)避雷器地線上的電流特征進(jìn)行了分析，提出了區(qū)分雷擊故障和普通短路故障的判據(jù)。本方法有以下特點(diǎn)：一是基于現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行雷擊故障識(shí)別，不需要增加新的測(cè)量設(shè)備，成本低；二是判據(jù)簡(jiǎn)單，算法復(fù)雜度低，實(shí)用性好；三是判斷準(zhǔn)確性高。

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