10kV配電架空線路雷擊過電壓辨識及故障定位

四川水電投資經營集團開江明月電力有限公司 馬 釩

1 配電線路雷擊故障分析

10kV 架空線路顧名思義就是架在空中的絕緣線路，由電桿與金屬構架作為支撐。其絕緣性能在裸導線與電纜線路之間，相對于地下電纜來講，架空線路不需要開挖動土，故其投入成本較低，因此，架空線路被廣泛應用于10kV 配電網中[1]。隨著架空線路建設數量的逐漸攀升，由之造成的問題也日益增多，其中以雷擊過電壓導致的斷線故障最為常見。

當遭遇雷擊過電壓時，瞬時雷電流峰值非常大，加之工頻電壓的影響，會產生較多的電弧能量，但電弧又不能在絕緣導線上滑行，故會聚集在架空線路的某處進行燃燒，最終導致架空線路斷線故障發生[2]。如圖1所示。

圖1 架空線路斷線分析示意圖

在雷擊過電導致架空線路斷線故障之后，架空線路的外表絕緣層不能徹底被熔化炭化，鋁芯線會由于架空線路的拉力而被動進入絕緣層，且導線斷線后還存在不接地的概率性，嚴重時會導致人員觸電的重大安全事故。

2 雷擊過電壓故障的分類

2.1 直擊雷故障

直擊雷過電壓是由于當雷電直接擊中10kV 配電網時產生的過電壓稱直擊雷過電壓，根據雷擊對象的不同主要分為兩種，一種是雷電直接擊中配電網的導線，導致配網線路發生過電壓的情況，第二種是雷電直接擊中10kV 配電網桿塔或避雷線，造成桿塔電位與配網線路電位差值較高而導致絕緣子閃絡產生過電壓的情況。

2.2 感應雷故障

與直擊雷過電壓不同，感應雷過電壓不會直接擊中配電網系統。據相關資料表明，10kV 配電網由于被周圍建筑物和綠化樹木的遮擋，較少受到雷電直擊，但通常在雷電云的對大地釋放余電環節中，閃電快速通道附近劇變的電磁場與周圍的10kV 配網線路產生耦合效應，繼而造成感應過電壓，一般10kV 配電網的感應過電壓大部分都在300kV 以下，但具體數值未能確定，主要是由于雷擊現象隨機概率大，加之設備配置的局限性，導致數據收集困難，無法實現數據的精確化分析，這也使計算結果呈現多樣性。

3 基于小波包分解的雷擊過電壓辨識

本文采用小波包頻帶分布特性，將感應雷過電壓、直擊雷過電壓導致的配電線路電流所呈現的能量分布進行分析，獲得10kV 配電線路中電流低頻能量和高頻能量的比值情況，搭建Q值（判別系數），從而實現感應雷過電壓、直擊雷過電壓的辨識[3]。如圖2所示，假如Q在0～1.5，則識別為直擊雷過電壓，假如Q在5以上，則認定為感應雷過電壓。

圖2 架空線路雷擊過電壓辨識流程圖

4 基于雷擊過電壓監測的雷擊故障點定位

4.1 10kV 架空線路雷擊過電壓監測

由于篇幅有限，本文只針對感應雷過電壓進行論證，在辨識感應雷過電壓的前提下，再進一步對雷擊故障點實施定位，本文以長為15km 的10kV 配電架空線路為例進行說明，如圖3所示，在采樣線路上標注4個監測點，獲取每個監測點的過電壓信號，比較分析不同測點處的感應雷過電壓[4]。

圖3 采樣線路圖

第一，當雷擊點與配電線路的水平距離L為60m，塔桿高度T為15m 時，感應雷電流幅值分別取I=10kA、I=30kA 時，監測點1～4處的A 相雷擊過電壓波形如圖4、圖5所示。

圖4 I=10kA 監測點1～4處雷擊過電壓波形圖

圖5 I=30kA 監測點1～4處雷擊過電壓波形圖

第二，當感應雷電流I為30kA、塔桿高度T為15m 時，雷擊點與配電線路的水平距離L分別取L=30m、L=60m 時，監測點1～4處的A相雷擊過電壓波形如圖6、圖7所示。

圖6 L=30m 監測點1～4處雷擊過電壓波形圖

圖7 L=60m 監測點1～4處雷擊過電壓波形圖

第三，當感應雷電流I為30kA、雷擊點與配電線路的水平距離L為60m 時，塔桿高度分別取T=30m、T=60m 時，監測點1～4處的A相雷擊過電壓波形如圖8、圖9所示。

圖9 T=15m 監測點1～4處雷擊過電壓波形圖

4.2 10kV 配電網架空線路雷擊過電壓故障點定位

如上文所述，在10kV 配電網采樣線路上標注四個監測點，通過對1～4每個監測點的雷擊過電壓進行監測獲得相應信號后，再針對監測點1及監測點2，監測點2及監測點3，監測點3及監測點4分別做進一步分析。

當配網雷擊故障發生時，由于配網線路電位差值較高而導致絕緣子閃絡，離雷擊故障點近的兩側，雷擊過電壓波形相似度比其余測點高，所以，下文將對各個相鄰監測點之間實施相關系數P的計算，借助比較監測點之間的波形相似度診斷配網雷擊故障點的具體位置。詳細計算結果見表1至表3。

表1 不同雷電流下各測點處感應雷過電壓波形相關系數

表2 不同水平距離下各測點處感應雷過電壓波形相關系數

表3 不同塔桿高度下各測點處感應雷過電壓波形相關系數

分析表1至表3的數據發現，當配電網發生雷擊故障時，離雷擊故障點近的兩側，雷擊過電壓波形相似度較高，通常在0.9左右；通過對比電流值發現，當雷擊電流值較低時，雷擊故障發生的可能性相對較小；在電流I、雷擊點與配電線路的水平距離L、塔桿高度T等不同的情況下，當雷擊過電壓故障發生時，監測點2到監測點3之間的P值最大，因此，診斷在監測點2到監測點3之間存在雷擊故障，總之，當監測點之間的波形相關系數最高時，波形相似度也最大，產生故障的概率也最大。

本文從雷擊故障造成的架空線路斷線分析入手，介紹了雷擊過電壓故障的分類，然后借助分類研究了基于小波包分解的雷擊過電壓辨識，最后對10kV 配電網架空線路雷擊過電壓進行監測和故障定位，一定程度上降低了雷擊故障影響，保證了10kV 配電網的安全可靠運行，確保了居民的正常安全用電，實現了電力部門經濟效益與服務質量的雙贏。