架空輸電線路雷電過電壓識(shí)別

圖5 　220 kV輸電系統(tǒng)模型圖

圖6 　桿塔結(jié)構(gòu)及波阻抗模型

　　2. 2 　時(shí)域波形分析

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

圖7 　感應(yīng)雷過電壓三相電流波形

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(yīng)雷過電壓的三相電流行波為感應(yīng)電流行波，經(jīng)過衰減后，三相仍基本相似。反擊過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(zhǎng);絕緣子串擊穿之后，由于大量雷電流注入導(dǎo)線，電流行波幅值躍升，陡度增大。繞擊過電壓沒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電壓類型的重要特征。

　　3 　輸電線路雷電過電壓識(shí)別判據(jù)

　　由上述分析，3 種雷電過電壓的電流行波區(qū)別主要體現(xiàn)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(yīng)雷電過電壓三相電流行波相似度較高，而直擊雷電過電壓由于雷電流的直接注入，三相電流相似度較低。基于這一特點(diǎn)，提出感應(yīng)雷點(diǎn)過電壓與直擊雷電過電壓的識(shí)別判據(jù):

　　式中， S Thres為感應(yīng)雷過電壓幅值判據(jù)門限值; Smin 為三相電流行波的最小相似度。對(duì)于信號(hào)X ( n) 和Y ( n) ，其相似度S 計(jì)算公式為:

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

　　發(fā)生反擊雷電過電壓，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(dǎo)線，閃絡(luò)相電流行波為雷電流，幅值大幅躍升。設(shè)Imax為被擊相電流行波幅值最大值，根據(jù)仿真結(jié)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的上升過程。在該上升過程中，電流行波陡度較低，上升時(shí)間較長(zhǎng)，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(dǎo)線，導(dǎo)致被擊相電流行波無電磁耦合電流分量的存在，陡度較大，上升時(shí)間較短。

　　設(shè)t2 %為監(jiān)測(cè)到雷電流行波幅值達(dá)到2 %Imax的時(shí)間點(diǎn)， t5 % 、t50 %以此類推。由于雷電流準(zhǔn)確的起始點(diǎn)難于確定，以t2 %作為計(jì)算起始點(diǎn)。為避免雷電流反射行波的影響，以電流行波達(dá)到50 %Imax 所用時(shí)間t1 來表征雷電流的上升時(shí)間，以電流行波達(dá)到5 %Imax 所用時(shí)間t2 來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(jì)算公式為:

　　對(duì)于反擊雷電過電壓，由于存在電磁耦合分量，t2 為電磁感應(yīng)電流行波的上升時(shí)間， t1 為注入導(dǎo)線的雷電流上升時(shí)間，由于電磁耦合分量陡度較低，上升時(shí)間較長(zhǎng)，而雷電流陡度相對(duì)較大，上升時(shí)間較短。因此，發(fā)生反擊時(shí)參數(shù)ρ數(shù)值將偏小。對(duì)于繞擊，由于不存在電磁耦合分量， t2 、t1 分別為雷電流在達(dá)到50 %Imax 和5 %Imax 所用的時(shí)間。因此，發(fā)生繞擊時(shí)，參數(shù)ρ將> 1 。據(jù)此特點(diǎn)，繞擊、反擊雷電過電壓的識(shí)別判據(jù)為:

　　式中，ρThres為繞擊、反擊的判據(jù)門限值。

　　總結(jié)前述分析，對(duì)感應(yīng)、繞擊、反擊3 種雷電過電壓的識(shí)別流程如圖10 所示。

圖10 　雷電過電壓識(shí)別流程圖

　　4 　仿真驗(yàn)證

　　本文在前述仿真模型的基礎(chǔ)上，對(duì)感應(yīng)、繞擊、反擊3 種雷電過電壓進(jìn)行了多次仿真。雷電流采用防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算3 種過電壓的Smin ，ρ等特征參數(shù)。仿真計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 　感應(yīng)雷,繞擊與反擊特征參數(shù)

　　根據(jù)表1 可見，將S Thres設(shè)定為0. 8 ，ρThres設(shè)定為2. 5 ，利用本文所提出的判據(jù)，即可在線路后方對(duì)前方所發(fā)生的雷電過電壓類型做出準(zhǔn)確判斷。不同雷電流波形下的仿真結(jié)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(jí)系統(tǒng)下仿真表明， 該方法對(duì)110 、220 、500 kV 電壓等級(jí)系統(tǒng)都適用。由于信號(hào)沿線衰減，根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)信號(hào)采樣點(diǎn)與雷擊點(diǎn)距離> 8 km 時(shí)，電磁感應(yīng)分量電流行波基本衰減為零，對(duì)反擊和繞擊雷電過電壓判據(jù)失效。由于三相導(dǎo)線衰減程度基本相同，對(duì)感應(yīng)和直擊雷電過電壓的判據(jù)仍然有效。雷電流行波信號(hào)獲取方式，可以考慮參考文獻(xiàn)[ 20 ]和[21 ]所提出的方式。

　　5 　線路其它因素的影響

　　5. 1 　沖擊電暈的影響

　　由于沖擊電暈的作用，在實(shí)際架空輸電線路發(fā)生過電壓時(shí)，線路對(duì)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程。考慮三相導(dǎo)線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(duì)波形相似度產(chǎn)生影響。而對(duì)于繞擊與反擊的識(shí)別，由于沖擊電暈主要作用于發(fā)生在雷電流注入導(dǎo)線之后，使得電流行波在[ 5 % Imax ， 50 % Imax ]區(qū)間的上升時(shí)間增加，而電流行波在[ 2 % Imax ， 5 %Imax ]區(qū)間內(nèi)的上升時(shí)間基本不會(huì)受沖擊電暈影響。因此，實(shí)際線路的特征量ρ比仿真結(jié)果總體偏大，只要適當(dāng)調(diào)整閾值，即可避開沖擊電暈的影響[22 ] 。

　　5. 2 　反擊時(shí)感應(yīng)過電壓的影響

　　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)在輸電線路上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，該感應(yīng)過電壓會(huì)在輸電線路上產(chǎn)生感應(yīng)電流行波。目前的仿真軟件也未能對(duì)這一過程進(jìn)行仿真。該感應(yīng)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(yīng)過電壓的陡度相對(duì)直擊雷較低，考慮感應(yīng)雷過電壓后，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(yīng)電流行波不會(huì)對(duì)本文提出的繞擊與反擊的判據(jù)產(chǎn)生根本性的影響。本文根據(jù)電磁耦合電流行波幅值約為5 %Imax這一仿真結(jié)果，定義的上升時(shí)間比ρ的計(jì)算區(qū)間為[ 2 % Imax ， 5 % Imax ]和[ 5 % Imax ， 100 % Imax ] 。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到感應(yīng)電流行波的影響，將ρ的計(jì)算區(qū)間根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況稍作調(diào)整，即可避開反擊時(shí)雷擊桿塔感應(yīng)過電壓的影響。

　　5. 3 　輸電線路接線端的影響