架空输电线路雷电过电压识别

　　随着电力系统的发展，架空输电线路的高度和传输容量都在不断提高，架空输电线路绵延数千km ，经常遭受各种雷电过电压侵袭，引发停电事故。

　　因此，架空输电线路雷电过电压防护研究是建设超高压电网和智能电网必须研究的重要课题。输电线路雷电过电压从发生机理来看，可以分为感应雷电过电压、绕击雷电过电压(装有避雷线的架空线路) 、反击雷电过电压。由于3 种雷电过电压的发生机理、过程不同，所采取的防护手段也不相同。感应雷过电压主要对35 kV 及以下的架空输电线路产生危害， 110 kV 及以上的架空输电线路由于线路绝缘水平较高以及避雷线的屏蔽效应，感应雷过电压一般不会引起绝缘子串闪络;反击、绕击雷电过电压由于是雷电流直接作用产生的，又称为直击雷电过电压。反击雷电过电压主要靠提高线路绝缘水平，降低杆塔接地电阻来提高耐雷水平，而绕击过电压主要靠改进线路保护角等方式来降低绕击发生概率。现有的输电线路雷电过电压的防护研究大多采用经验数据、电气几何模型法等研究方法，试图在设计阶段消除雷电过电压对架空输电线路的威胁。

　　然而大量的运行经验表明，即使在防雷设计阶段考虑了众多完善的防雷手段，由于防雷设计所采用的数据、方法、模型与投运线路的实际情况还有不少出入，导致实际线路雷击事故跳闸率与设计值存在误差，各种雷电过电压事故时有发生[2-4 ] 。因此，对已经投运的输电线路上所发生的雷电过电压类型进行准确辨识，为架空输电线路的防雷设计提供可靠的数据，对提高防雷设计效率十分必要。

　　文献[5 ]从继电保护的角度提出了对直流输电线路雷电绕击与反击的识别方法，该方法主要针对的是直流输电线路。文献[ 6 ]提出了磁带、磁钢棒等方式测量雷电流波形参数来实现对绕击和反击的识别，但是由于这些测量装置不能重复测量，获取数据的工作量大，需依据工作经验来做判断，易造成过电压识别的误判，漏判。文献[ 7-14 ]对雷电信号进行了深入的研究，提出了利用电流高低频能量比值、零模与线模分量比值、波前波尾最大斜率比值、波形一致性系数、模极大值等构成判据，实现对雷电干扰和短路信号的辨识。上述文献出发点是暂态行波保护，主要目的在于辨识雷电干扰对暂态行波保护的影响，而非对雷电过电压类型进行识别。目前，交流系统的雷电过电压类型的非现场识别方法研究仍是一个难点。

　　由于现有的变电站录播装置采样率过低(通常只有数十kHz) ，难以完整准确的记录雷电过电压波形(通常波头、波长时间都在μs 级) ，且未考虑TV 在过电压下的磁饱和特性，变电站录波装置是无法准确获取雷电过电压信号的。文献[ 15 ]提出了针对配电网的过电压模式识别方法，采用的是变电站内部过电压监测装置所获取的过电压信号。由于变电站内部结构复杂多样，雷电行波沿输电导线传输到变电站内部时，会发生多次复杂的折反射，使波形畸变失真。因此，对于雷电过电压类型的辨识，即使利用变电站过电压监测装置获取了真实可靠的变电站内部的过电压信号，也难以用于分析、辨识线路上所发生的雷电过电压类型。

　　基于上述考虑，本文从输电线路电流行波的角度，研究交流输电线路中感应、绕击、反击雷电过电压的发生机理、过程以及波头特征，提出了利用输电线路电流行波波头的时域特征量实现雷电过电压类型的辨识，为输电线路防雷设计、优化运行水平、线路维护等提供统计数据支持。由于采用了输电线路的雷电流行波作为分析对象，能有效避免雷电流行波在变电站内部的折反射所带来的影响。EMTP仿真计算表明，利用本文所提取的特征量能有效辨识雷电过电压类型。

　　1 　输电线路的雷电过电压发生机理

　　1. 1 　感应雷电过电压 

　　雷云接近输电线路上空时，在架空输电线路上将感应出与雷云电荷量相等但极性相反的电荷，称为束缚电荷。当雷云对地放电时，由于云中电荷很快中和，束缚电荷被释放，在输电线路上感应出极性与雷电流相反的过电压。架空线上的感应雷过电压波形及其幅值与导线、雷电流参数等多个因素有关。

　　由于三相导线与雷击点距离基本相等，因此三相架空线上的感应雷过电压极性相同，波形相似，幅值相近。J ankov 在雷电流回击模型和耦合的Agraw2al 模型基础上 ，给出了架空线路感应雷过电压的幅值估计公式:

　　式中， ku = k3 h; h 为导线离地高度; d 为雷击点到导线的距离;系数k0 、k1 、k2 和k3 由雷电流特性决定。

　　1. 2 　反击雷电过电压

　　雷电流击中输电杆塔塔顶时，大部分雷电流沿杆塔流入大地，由于杆塔、避雷线波阻抗及接地电阻的存在，雷电流流过杆塔进入大地时，会在杆塔上产生很大的压降，使塔顶、横担的电位陡升。当绝缘子串两端所承受的电位差超过其冲击闪络电压时，绝缘子串发生闪络，导致输电线路发生接地故障。

　　雷电流作用于杆塔并发生反击包括杆塔电位升高和绝缘子串击穿两个过程，如图1 所示。当绝缘子串未被击穿时，除大部分雷电流沿杆塔入地外，少部分雷电流被避雷线分流。根据空间电磁耦合原理，输电线路中将耦合出一个电流行波。此时，输电线路通道中没有直击雷电流，只含有空间电磁耦合电流。当杆塔电位继续上升，导致绝缘子串击穿后，雷电流将注入输电线路。此时，输电线路中将会有大量的雷电流，较之前一阶段的空间电磁耦合分量，输电线路的电流将发生大幅跃升。反击发生时，杆塔电位升高和绝缘子击穿两个过程彼得逊等值电路如图2 所示。设杆塔波阻抗为Z1 、避雷线波阻抗为Z2 、接地电阻为Rg ， ，输电线路波阻抗为Z ， 雷电通道波阻抗为Z0 ， 雷电流为i。绝缘子串作用相当于等值电路开关S ，绝缘子串未击穿，S 未闭合时，输电线路波阻抗Z 中没有雷电流，绝缘子串击穿，S 闭合后，雷电流注入输电线路通道。

图1 　反击示意图

图2 　反击等值电路

　　1. 3 　绕击雷电过电压

　　雷电流直接击中输电导线时，由于大量雷电流注入，导致输电线路对地电压陡升。当绝缘子串两端承受的电位差大于绝缘子串冲击闪络电压时，绝缘子串发生闪络，导线通过杆塔对地放电。绕击发生时，雷电流首先直接作用于导线。因此绕击时导线的电流行波全部为雷电流分量，不存在类似反击的电磁耦合分量，其发生过程的示意图如图3 所示。

图3 　绕击示意图

　　绕击发生时，导线电位升高和绝缘子串闪络两个过程的彼得逊等值电路如图4 。绝缘子串作用相当于等值电路开关S ，绝缘子串未击穿，S 未闭合时，雷电流导致输电线路电位升高，杆塔、避雷线中没有雷电流;绝缘子串击穿，S 闭合后，雷电流通过杆塔入地。由于输电线路直接被雷电流作用，在绕击过程中输电线路雷电流中不存在电磁耦合电流分量。

图4 　绕击等值电路

　　由上述分析可知，当输电线路发生感应雷过电压时，电流行波为感应电流，三相基本相似;发生反击时，在绝缘子未击穿之前，电流为电磁耦合电流，击穿之后，线路电流由电磁耦合电流突变为直击雷电流。发生绕击时，线路电流为直击雷电流分量。

　　2 　输电线路的雷电过电压电磁暂态仿真

　　2. 1 　感应雷电过电压

　　本文采用EMTP 电磁暂态仿真程序对架空输电线路的感应、绕击、反击3 种雷电过电压进行仿真计算。图5 为220 kV 系统仿真模型。输电线路长为30 km。根据杆塔尺寸结构，采用文献[ 17 ]所提出的计算公式，得到杆塔分段波阻抗模型，如图6 所示。图中， ZA 为横担波阻抗， ZT 为支柱波阻抗， ZL为支架波阻抗， Rg 为杆塔冲击接地电阻。绝缘子采用压控开关模型，线路避雷器采用IEEE 推荐的非线性模型。线路跨距为200 m ，计算时避雷线不做消去处理，以考虑避雷线对雷电流传播过程的影响。雷电流采用防雷设计标准波形，波头为2. 6μs ，波长为50μs。为准确模拟电流行波在输电线路中的传输特性，模型采用多个200 m 跨距线路与杆塔模型串联而成。

图5 　220 kV输电系统模型图

图6 　杆塔结构及波阻抗模型

　　2. 2 　时域波形分析

　　利用上述模型，分别对输电线路遭受感应、绕击、反击雷电过电压3 种情形进行了仿真。在雷击点后1 km 处采样，获取输电线路电流信号。3 种雷电过电压的电流行波如图7～9 所示。

图7 　感应雷过电压三相电流波形

图8 　反击三相电流波形

图9 　绕击三相电流波形

　　由图7～9 可以看出，感应雷过电压的三相电流行波为感应电流行波，经过衰减后，三相仍基本相似。反击过电压的三相电流行波电流大幅度跃升之前，存在电磁耦合电流分量，该电磁耦合分量陡度小，上升时间长;绝缘子串击穿之后，由于大量雷电流注入导线，电流行波幅值跃升，陡度增大。绕击过电压没有电磁耦合电流的存在，电流行波在发生雷击后迅速跃升。因此，三相电流行波相似程度大小以及电磁耦合电流存在与否是判断雷电过电压类型的重要特征。

　　3 　输电线路雷电过电压识别判据

　　由上述分析，3 种雷电过电压的电流行波区别主要体现在三相电流行波相似程度以及电磁耦合电流行波的存在。感应雷电过电压三相电流行波相似度较高，而直击雷电过电压由于雷电流的直接注入，三相电流相似度较低。基于这一特点，提出感应雷点过电压与直击雷电过电压的识别判据:

　　式中， S Thres为感应雷过电压幅值判据门限值; Smin 为三相电流行波的最小相似度。对于信号X ( n) 和Y ( n) ，其相似度S 计算公式为:

　　在实际计算中，为排除闪络后引起的干扰并降低计算量，取电流行波峰值前4μs 作为相似度计算区间。当Smin大于门限值时，判定为感应雷过电压。反之，则认定为直击雷电过电压。

　　发生反击雷电过电压，绝缘子串未击穿时，电流行波只含有幅值较低的电磁耦合分量，绝缘子串击穿后，雷电流注入导线，闪络相电流行波为雷电流，幅值大幅跃升。设Imax为被击相电流行波幅值最大值，根据仿真结果，电磁耦合分量的电流行波幅值约为5 %Imax 。因此，反击时电流行波幅值在大幅跃升之前，先有一个幅值约为5 %Imax的上升过程。在该上升过程中，电流行波陡度较低，上升时间较长，绝缘子被击穿后，雷电流注入，电流行波陡度增大，上升时间较短。绕击时，由于雷电流在绝缘子击穿之前已经直接注入导线，导致被击相电流行波无电磁耦合电流分量的存在，陡度较大，上升时间较短。

　　设t2 %为监测到雷电流行波幅值达到2 %Imax的时间点， t5 % 、t50 %以此类推。由于雷电流准确的起始点难于确定，以t2 %作为计算起始点。为避免雷电流反射行波的影响，以电流行波达到50 %Imax 所用时间t1 来表征雷电流的上升时间，以电流行波达到5 %Imax 所用时间t2 来表征空间电磁耦合行波的上升时间，并定义其比值为ρ，其计算公式为:

　　对于反击雷电过电压，由于存在电磁耦合分量，t2 为电磁感应电流行波的上升时间， t1 为注入导线的雷电流上升时间，由于电磁耦合分量陡度较低，上升时间较长，而雷电流陡度相对较大，上升时间较短。因此，发生反击时参数ρ数值将偏小。对于绕击，由于不存在电磁耦合分量， t2 、t1 分别为雷电流在达到50 %Imax 和5 %Imax 所用的时间。因此，发生绕击时，参数ρ将> 1 。据此特点，绕击、反击雷电过电压的识别判据为:

　　式中，ρThres为绕击、反击的判据门限值。

　　总结前述分析，对感应、绕击、反击3 种雷电过电压的识别流程如图10 所示。

图10 　雷电过电压识别流程图

　　4 　仿真验证

　　本文在前述仿真模型的基础上，对感应、绕击、反击3 种雷电过电压进行了多次仿真。雷电流采用防雷设计标准波形2. 6/ 50μs 波形。分别在雷击点后1 ，1. 5 ，3 ，5 km 等4 个距离点采集雷电流行波，计算3 种过电压的Smin ，ρ等特征参数。仿真计算结果如表1 所示。

表1 　感应雷,绕击与反击特征参数

　　根据表1 可见，将S Thres设定为0. 8 ，ρThres设定为2. 5 ，利用本文所提出的判据，即可在线路后方对前方所发生的雷电过电压类型做出准确判断。不同雷电流波形下的仿真结果表明，所提取的特征量基本不受雷电流波形分散性的影响。本文在不同电压等级系统下仿真表明， 该方法对110 、220 、500 kV 电压等级系统都适用。由于信号沿线衰减，根据仿真结果，当信号采样点与雷击点距离> 8 km 时，电磁感应分量电流行波基本衰减为零，对反击和绕击雷电过电压判据失效。由于三相导线衰减程度基本相同，对感应和直击雷电过电压的判据仍然有效。雷电流行波信号获取方式，可以考虑参考文献[ 20 ]和[21 ]所提出的方式。

　　5 　线路其它因素的影响

　　5. 1 　冲击电晕的影响

　　由于冲击电晕的作用，在实际架空输电线路发生过电压时，线路对地电容增大，电流行波波形会发生畸变，陡度会降低。EMTP 仿真软件尚未能模拟该过程。考虑三相导线在冲击电晕作用下衰减畸变程度基本相等，冲击电晕不会对波形相似度产生影响。而对于绕击与反击的识别，由于冲击电晕主要作用于发生在雷电流注入导线之后，使得电流行波在[ 5 % Imax ， 50 % Imax ]区间的上升时间增加，而电流行波在[ 2 % Imax ， 5 %Imax ]区间内的上升时间基本不会受冲击电晕影响。因此，实际线路的特征量ρ比仿真结果总体偏大，只要适当调整阈值，即可避开冲击电晕的影响[22 ] 。

　　5. 2 　反击时感应过电压的影响

　　雷击杆塔并发生反击时，在绝缘子闪络之前，空间电磁场变化会在输电线路上产生感应过电压，该感应过电压会在输电线路上产生感应电流行波。目前的仿真软件也未能对这一过程进行仿真。该感应电流行波的存在，会使绝缘子串闪络前电流行波的幅值略有增加。由于感应过电压的陡度相对直击雷较低，考虑感应雷过电压后，绝缘子闪络前电流行波陡度较雷电流行波仍较低，故感应电流行波不会对本文提出的绕击与反击的判据产生根本性的影响。本文根据电磁耦合电流行波幅值约为5 %Imax这一仿真结果，定义的上升时间比ρ的计算区间为[ 2 % Imax ， 5 % Imax ]和[ 5 % Imax ， 100 % Imax ] 。在实际应用中，考虑到感应电流行波的影响，将ρ的计算区间根据实际运行情况稍作调整，即可避开反击时雷击杆塔感应过电压的影响。

　　5. 3 　输电线路接线端的影响

　　实际输电线路两端往往接有避雷器、变电站，电源等。电流行波在母线处会发生多次折反射。本文所利用的识别特征量取自输电线路电流行波的波头部分。本文所提出特征参量计算区间为电流行波峰值前4μs ，只要电流信号取样点距离母线> 600 m ，即可认为所获取的电流行波波头未含有发生反射的电流行波，所提取出的特征量是真实可信的。只要选择合适的测量点，输电线路两端接线不会对本文所提出的识别方法产生影响。

　　6 　结论

　　为避免变电站内部接线对雷电过电压类型辨识问题的影响，本文分析了感应、绕击、反击3 种雷电过电压发生时输电线路电流行波的波形特点，并利用EMTP 仿真验证了这些特点。基于仿真结果，提出了雷电过电压的识别特征量，并分析了实际线路中其它因素对特征量的影响，得出如下结论:

　　a) 当感应雷过电压发生时，由于三相导线空间位置基本相近，三相电流波形基本相似; 发生反击时，在绝缘子未击穿之前，电流行波为电磁耦合分量，幅值较小。陡度低，上升时间长，绝缘子击穿之后，由于雷电流直接注入导线，闪络相电流行波幅值陡升;发生绕击时，雷电流直击注入导线，电流行波不存在电磁耦合分量，其幅值直接大幅陡升。

　　b) 基于上述特点，可利用三相波形最小相似度Smin来区分感应和直击雷电过电压。对于直击雷电过电压，可以利用雷击相电流行波波头在[ 2 % Imax ，5 % Imax ] ，[5 % Imax ， 50 % Imax ]两个区间的上升时间之比ρ来识别绕击和反击雷电过电压。

　　c) 对于实际工程应用，合理设置电流阈值和上升时间比ρ的计算区间，即可避开冲击电晕以及雷击杆塔时感应过电压的影响;合理设置电流行波信号采样点，可避开线路接线端折反射波对识别参量的干扰。仿真表明本文所提出的特征量不受雷电流波形参数影响，能够有效地辨识感应，绕击，反击等雷电过电压。

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