輸電線路行波保護中雷擊與故障的識別?

陳思彤

（曲靖市氣象局 曲靖 655000）

1 引言

基于行波保護［1］或暫態分量［2］的輸電線路保護能夠實現快速故障檢測，因此一直受到全世界電氣工程研究人員的關注［3～5］。然而，其可靠性一直影響著實際電網的保護應用。雷擊和故障引起的暫態電流波形相似，因此雷擊是導致暫態分量保護可靠性低的主要影響因素之一。為了提高行波保護或暫態分量保護的可靠性，在不造成故障的情況下正確識別雷擊和故障變得尤為關鍵［6］。雷擊對輸電線路引起的各種干擾，近年來許多專家進行了一系列的理論研究，并取得了一些相應的成果［7～9］。但是已有識別原理大多采用小波分析［10］工具來提取暫態電流信號不同頻帶的頻譜能量，并且根據能量差異來實現識別算法，然而這些算法復雜且難以在實踐中使用。

本文提出了一種基于積分判據的雷擊與故障識別方法，通過分析無故障雷擊、普通線路故障和雷擊引起故障的波形特征，建立了電流行波關于時間軸上方和下方的積分值，并以相對比值構建了主判據的閾值，為了提高雷擊與故障的識別的可靠性，根據它們的差值還定義了附加判據。將主判據和附加判據結合使用可以有效地對雷擊與故障進行識別，且識別算法簡單，可靠性和靈敏度高。

2 暫態信號特性分析

從高壓工程可以將雷擊分為兩類：一類是直接雷擊［11］，另一類是間接雷擊［12］。間接雷擊不會直接對輸電線路陳勝沖擊，因此線路的過電壓幅度較低。對于超高壓和特高壓輸電線路，由于塔架很高，一般不會對它們造成損壞，但直接雷擊擊中這些線路的概率很高［13］。當雷電直接沖擊輸電線路時，由于高振幅的雷電流直接注入線路，必將導致嚴重的過電壓現象。直接雷擊是對瞬態分量保護的最嚴重高頻干擾。

當雷擊發生時，雷電流的大小和波形與輸電線路的位置和環境、季節和氣候等因素有關［14］。因此它的幅度和波形是隨機變化的。雖然雷電流在不同雷擊之間存在很大的差異，但實際測量數據表明它們都是單極脈沖波。此外，它的波形接近于指數曲線，如圖1所示。

圖1 雷電流波形

波形表達式為

其中，I0是雷電流的峰值，α和β是衰減系數。IEC 使用前部時間tf和時間半值tn定義了正態對指數雷電波。時間tf約為1μs～4μs，平均值為2.6μs。時間tn約為20μs～90μs，平均值為43μs。

圖2 500kV輸電系統模型

本文利用PSCAD/EMTDC 構建500kV 電力傳輸系統模型，如圖2 所示。塔架是傳統的水平結構，在其頂部安裝有兩條屏蔽線。MN 段是研究對象，測量點R 位于M 端。采樣頻率為1 MHz。母線的雜散電容假定為CS=0.01μF。假設在距離M 的50 km 位置f處發生一般故障和照明行程，分別觀察它們的瞬態電流波形特征。

2.1 無故障雷擊的波形特征

當雷擊引起的線路故障時，繼電器應立即運行并切斷故障線路，但不引起故障的雷擊實際上沒有導致線路故障，繼電器不應工作。因此，基于暫態分量的保護必須正確區分雷擊之間的波形差異，而不會導致盲目切斷線路的操作。導致雷擊故障的原因有兩種：一種是屏蔽故障［15］，另一種是閃絡故障［16］。由于超高壓和特高壓輸電線路的塔架很高，則很少發生閃絡故障，因此在下面的模擬中本文只考慮屏蔽故障引起的雷擊故障。由于不同相位之間存在電磁耦合，本文采用Clark 變換［17］并分析線模電流，圖3 給出了在不引起故障的微小雷擊時瞬態分量的線模電流波形。

圖3 不引起故障的雷擊線模電流

從圖3 中可以看出，雷擊引起的電流行波波峰出現在時間軸的上方和下方，并且這些波峰沿時間軸逐漸衰減，交替頻率和衰減速度與母線的長度和結構有關。初始波峰的極性、波形和振幅反映了雷電波的特征。具有相同極性的相繼波峰是前向母線的反射波，而具有相反極性的波峰來自后向母線的反射波。由于實際傳輸線不可避免地存在損耗，在電流波的反射和折射期間，波峰繼續衰減并最終消失。

2.2 普通線路故障的波形特征

假設在線路上出現A 相接地和A 相到B 相的故障，單相故障的接地電阻為50 Ω，故障起始角為60°。圖4（a）和（b）分別給出了A相接地和A相到B相故障的線模電流波形。

在圖4 中，由于電流的反射和折射，初始電流信號包含許多高頻分量。初始波峰的頂部相對平滑且接近于直線，其上邊緣和下邊緣都非常陡峭。在很短的時間間隔內，波形通常傾向于時間軸的一側，有時波形交叉過零點，這與故障起始、母線的配置等有關。但總體上，波形表現出平緩變化的特征。

圖4 普通線路故障的線模電流波形

2.3 雷擊引起故障的波形特征

導致故障的雷擊實際上包括雷電直接沖擊輸電線路和塔架，進而導致絕緣閃光。對于同一傳輸電線路，雷擊輸電線路遠低于雷擊塔架的概率，雖然它們的概率不同，但由雷擊引起的短路電流波形的特性是一致的，即暫態電流的故障分量由故障部位的雷電流和工頻額外電壓共同產生。本文在仿真中，雷電流的幅度為25kA。圖5給出了雷擊造成故障時的線模電流波形。

圖5 雷擊引起的故障線模電流波形

圖5 給出了暫態電流的故障分量特性：在波形的初始部分，雷電波起主要作用，正負波峰交替出現，隨后的波形顯示出一些短路故障特征。在短時間間隔內，波形傾斜到時間軸的一側。

3 識別標準

根據以上分析，在輸電線路受到干擾后，在很短的時間內，暫態電流波形的特征總結如下：

1）一般情況下，由雷擊引起而不引起故障的電流波形是對稱的。電流行波的波峰在時間軸的上方和下方交替出現，峰值逐漸變為衰減直至零點。

2）總的來說，線路故障產生的暫態電流波形表現出平滑變化的特性。一般情況下，它傾向于時間軸的一側，有時會穿越時間軸。

3）對于由雷擊引起的故障電流波形，在其初始部分波形顯示雷電波的一些特征，并在幾十或幾百微秒之后，顯示出故障波形的特征。

根據不同擾動產生的暫態電流波形的特征差異，本文定義了積分判據。時間軸上方和下方的暫態電流波形分別進行如下積分：

其中，i+(t)和i-(t)分別是時間軸上方和下方的故障分量電流，I+和I-分別是時間窗口τ內時間軸上方和下方的積分值，t0是繼電器檢測到暫態電流中斷時的初始時刻。由于雷擊引起的電流波形對稱性而并不引起故障，則I+和I-具有相似的值。但對于線路故障，波形表明它們仍有很大差異。為了擴大I+和I-的相對比值，本文定義如下公式計算它們的差異：

其中，λ是I+和I-的相對比值，S是它們的差值。在工程計算中，式（2）和式（3）的離散化形式如下：

其中，k和i(k)分別是故障分量電流的采樣點和瞬時值，n1是檢測到暫態電流中斷的初始采樣點。n1和n2之間的采樣點數量反映了時間窗口的長度。為了提高計算速度，考慮不同干擾產生的暫態電流的波形差異，仿真采用時間長度為1ms的時間窗口。

對于1MHz 的采樣頻率，采樣點的數量為1000。表1 給出了測量點和60km 處的故障和雷擊的仿真結果。

表1 不同干擾后的仿真結果

表1 的數據表明：當雷擊沒有發生故障時，積分值I+和I-是相似的，而且λ和S的數值都很小；當發生故障時，積分值I+和I-之間的差值很大，同時λ和S都很大；當雷擊引起故障發生時，值I+和I-之間的差值也很大，并且λ值介于短路和雷擊之間而并不引起故障，但是S值很大。因此，積分識別判據定義如下：

1）主判據：閾值λt設定為1，如果λ>k1λt（k1是可靠性系數，其值為1.2），則線路干擾直接認為是故障，繼電保護器應快速運行。

2）附加判據：為了提高有無故障的雷擊識別的可靠性，本文還定義了一個附加判據。閾值St設定為100kA（其值與采樣頻率和時間窗口的長度有關），如果λt＜λ＜k1λt，且S>k1St，則線路干擾也確定為故障，繼電器應正確運行。否則，判斷為不會引起故障或其他干擾的雷擊，繼電保護器不應運行。

4 仿真分析

在分析各種干擾引起的故障分量電流波形特征的基礎上，本文提出了積分識別判據。但暫態電流的大小受多種因素的影響，如故障初始條件，雷電流幅值，擾動位置，母線配置等，而這些因素可能影響積分判據的可靠性和靈敏度。因此，本文使用圖2 所示的500kV 輸電系統模型，并假設不同的干擾以確定識別判據的有效性。

4.1 不同故障的仿真結果與分析

線路的不同故障將產生不同的故障分量電流，并可能影響識別判據的可靠性。這些因素包括故障位置L，故障初始角度θ，故障電阻R和故障類型T。根據上述因素，表2列出了相應的仿真結果。

表2 不同故障的仿真結果

從表2 可以看出：對于距離母線M 的60km 處的各種故障，λ值遠大于1.2。對于這些不同初始角度的故障，相應的λ值也大于1.2。對于接近測量點的故障（距離母線M 的1km 處），遠端故障（距離母線M 的209km 處），相應的λ值都高于閾值1.2。這些具有初始角度小和故障電阻大的故障將直接影響暫態電流的大小。但仿真結果表明：對于兩種特殊類型的故障，雖然附加判據S小于100kA，但主要判據λ遠大于1.2。因此，無論是何種故障情況，積分判據都能夠做出正確的識別，而且具有很高的可靠性。

4.2 無故障雷擊的仿真結果與分析

由于雷擊現象是隨機發生，雷電流的大小與許多因素有關。一般來說，對于帶有屏蔽線的輸電線路，當雷電流幅值小于一個特殊值（如20kA，與線路配置有關）時，則雷電會在線路上發生沖擊［18］。雷擊的位置和雷電波的大小將對暫態電流的大小產生影響。對于各種雷擊條件，表3 給出了相應的模擬結果。

從表3 可以看出：在一定幅值的雷電流中，無論是哪一個階段的雷擊和雷擊位置，對應的λ值均小于1.2。通常雷電流的幅度越大，雷擊引起的電流行波越大，而且S值可能大于100kA，但對λ值幾乎沒有影響。因此，利用主判據，繼電保護器可以很容易地識別出雷擊的干擾而不引起故障或其他干擾，并且判據也具有較高的可靠性。

4.3 雷擊引起故障的仿真結果與分析

對于雷擊引起的故障，檢查其對積分判據的影響，在仿真中將雷電流的幅值增加到25kA及以上，輸電線路出現絕緣閃光，表4給出了仿真結果。

表4 的仿真結果表明：當雷擊引起故障時，λ值大于不引起故障的雷擊情況下的λ值，而小于普通線路故障情況下的λ值，且其值介于λt和k1λt之間，但S值大于100kA。雖然較低的λ值可能會降低主判據的靈敏度，但是較大的S值極大地提高了附加判據的靈敏度。因此，將主判據和附加判據結合起來可以提高雷擊故障識別的可靠性。

5 結語

正確識別雷擊干擾是行波保護或暫態分量保護可靠性的基礎。本文詳細分析了雷擊和故障的電流波形特征后，提出了基于積分判據的雷擊和故障識別方法。在較短的時間窗口內，分別對時間軸上方和下方的暫態電流波形進行積分，并進一步將它們的相對比值定義為主要判據，且將它們的差值定義為附加判據。仿真結果和分析表明：對于普通故障和雷擊而不導致輸電線路故障時，主要判據具有較高的識別可靠性；對于判斷雷擊是否會引起故障時，有時主判據的靈敏度較低，但附加判據具有較高的靈敏度。因此，所提出的積分判據可以正確識別一般故障和雷擊干擾，而且具有很高的可靠性。