架空輸電線路雷電過電壓識別

　　隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，架空輸電線路的高度和傳輸容量都在不斷提高，架空輸電線路綿延數(shù)千km ，經(jīng)常遭受各種雷電過電壓侵襲，引發(fā)停電事故。

　　因此，架空輸電線路雷電過電壓防護研究是建設(shè)超高壓電網(wǎng)和智能電網(wǎng)必須研究的重要課題。輸電線路雷電過電壓從發(fā)生機理來看，可以分為感應(yīng)雷電過電壓、繞擊雷電過電壓(裝有避雷線的架空線路) 、反擊雷電過電壓。由于3 種雷電過電壓的發(fā)生機理、過程不同，所采取的防護手段也不相同。感應(yīng)雷過電壓主要對35 kV 及以下的架空輸電線路產(chǎn)生危害， 110 kV 及以上的架空輸電線路由于線路絕緣水平較高以及避雷線的屏蔽效應(yīng)，感應(yīng)雷過電壓一般不會引起絕緣子串閃絡(luò);反擊、繞擊雷電過電壓由于是雷電流直接作用產(chǎn)生的，又稱為直擊雷電過電壓。反擊雷電過電壓主要靠提高線路絕緣水平，降低桿塔接地電阻來提高耐雷水平，而繞擊過電壓主要靠改進線路保護角等方式來降低繞擊發(fā)生概率?，F(xiàn)有的輸電線路雷電過電壓的防護研究大多采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)、電氣幾何模型法等研究方法，試圖在設(shè)計階段消除雷電過電壓對架空輸電線路的威脅。

　　然而大量的運行經(jīng)驗表明，即使在防雷設(shè)計階段考慮了眾多完善的防雷手段，由于防雷設(shè)計所采用的數(shù)據(jù)、方法、模型與投運線路的實際情況還有不少出入，導(dǎo)致實際線路雷擊事故跳閘率與設(shè)計值存在誤差，各種雷電過電壓事故時有發(fā)生[2-4 ] 。因此，對已經(jīng)投運的輸電線路上所發(fā)生的雷電過電壓類型進行準(zhǔn)確辨識，為架空輸電線路的防雷設(shè)計提供可靠的數(shù)據(jù)，對提高防雷設(shè)計效率十分必要。

　　文獻[5 ]從繼電保護的角度提出了對直流輸電線路雷電繞擊與反擊的識別方法，該方法主要針對的是直流輸電線路。文獻[ 6 ]提出了磁帶、磁鋼棒等方式測量雷電流波形參數(shù)來實現(xiàn)對繞擊和反擊的識別，但是由于這些測量裝置不能重復(fù)測量，獲取數(shù)據(jù)的工作量大，需依據(jù)工作經(jīng)驗來做判斷，易造成過電壓識別的誤判，漏判。文獻[ 7-14 ]對雷電信號進行了深入的研究，提出了利用電流高低頻能量比值、零模與線模分量比值、波前波尾最大斜率比值、波形一致性系數(shù)、模極大值等構(gòu)成判據(jù)，實現(xiàn)對雷電干擾和短路信號的辨識。上述文獻出發(fā)點是暫態(tài)行波保護，主要目的在于辨識雷電干擾對暫態(tài)行波保護的影響，而非對雷電過電壓類型進行識別。目前，交流系統(tǒng)的雷電過電壓類型的非現(xiàn)場識別方法研究仍是一個難點。

　　由于現(xiàn)有的變電站錄播裝置采樣率過低(通常只有數(shù)十kHz) ，難以完整準(zhǔn)確的記錄雷電過電壓波形(通常波頭、波長時間都在μs 級) ，且未考慮TV 在過電壓下的磁飽和特性，變電站錄波裝置是無法準(zhǔn)確獲取雷電過電壓信號的。文獻[ 15 ]提出了針對配電網(wǎng)的過電壓模式識別方法，采用的是變電站內(nèi)部過電壓監(jiān)測裝置所獲取的過電壓信號。由于變電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，雷電行波沿輸電導(dǎo)線傳輸?shù)阶冸娬緝?nèi)部時，會發(fā)生多次復(fù)雜的折反射，使波形畸變失真。因此，對于雷電過電壓類型的辨識，即使利用變電站過電壓監(jiān)測裝置獲取了真實可靠的變電站內(nèi)部的過電壓信號，也難以用于分析、辨識線路上所發(fā)生的雷電過電壓類型。

　　基于上述考慮，本文從輸電線路電流行波的角度，研究交流輸電線路中感應(yīng)、繞擊、反擊雷電過電壓的發(fā)生機理、過程以及波頭特征，提出了利用輸電線路電流行波波頭的時域特征量實現(xiàn)雷電過電壓類型的辨識，為輸電線路防雷設(shè)計、優(yōu)化運行水平、線路維護等提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)支持。由于采用了輸電線路的雷電流行波作為分析對象，能有效避免雷電流行波在變電站內(nèi)部的折反射所帶來的影響。EMTP仿真計算表明，利用本文所提取的特征量能有效辨識雷電過電壓類型。

　　1 　輸電線路的雷電過電壓發(fā)生機理

　　1. 1 　感應(yīng)雷電過電壓

　　雷云接近輸電線路上空時，在架空輸電線路上將感應(yīng)出與雷云電荷量相等但極性相反的電荷，稱為束縛電荷。當(dāng)雷云對地放電時，由于云中電荷很快中和，束縛電荷被釋放，在輸電線路上感應(yīng)出極性與雷電流相反的過電壓。架空線上的感應(yīng)雷過電壓波形及其幅值與導(dǎo)線、雷電流參數(shù)等多個因素有關(guān)。

　　由于三相導(dǎo)線與雷擊點距離基本相等，因此三相架空線上的感應(yīng)雷過電壓極性相同，波形相似，幅值相近。J ankov 在雷電流回?fù)裟Ｐ秃婉詈系腁graw2al 模型基礎(chǔ)上 ，給出了架空線路感應(yīng)雷過電壓的幅值估計公式:

　　式中， ku = k3 h; h 為導(dǎo)線離地高度; d 為雷擊點到導(dǎo)線的距離;系數(shù)k0 、k1 、k2 和k3 由雷電流特性決定。

　　1. 2 　反擊雷電過電壓

　　雷電流擊中輸電桿塔塔頂時，大部分雷電流沿桿塔流入大地，由于桿塔、避雷線波阻抗及接地電阻的存在，雷電流流過桿塔進入大地時，會在桿塔上產(chǎn)生很大的壓降，使塔頂、橫擔(dān)的電位陡升。當(dāng)絕緣子串兩端所承受的電位差超過其沖擊閃絡(luò)電壓時，絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，導(dǎo)致輸電線路發(fā)生接地故障。

　　雷電流作用于桿塔并發(fā)生反擊包括桿塔電位升高和絕緣子串擊穿兩個過程，如圖1 所示。當(dāng)絕緣子串未被擊穿時，除大部分雷電流沿桿塔入地外，少部分雷電流被避雷線分流。根據(jù)空間電磁耦合原理，輸電線路中將耦合出一個電流行波。此時，輸電線路通道中沒有直擊雷電流，只含有空間電磁耦合電流。當(dāng)桿塔電位繼續(xù)上升，導(dǎo)致絕緣子串擊穿后，雷電流將注入輸電線路。此時，輸電線路中將會有大量的雷電流，較之前一階段的空間電磁耦合分量，輸電線路的電流將發(fā)生大幅躍升。反擊發(fā)生時，桿塔電位升高和絕緣子擊穿兩個過程彼得遜等值電路如圖2 所示。設(shè)桿塔波阻抗為Z1 、避雷線波阻抗為Z2 、接地電阻為Rg ， ，輸電線路波阻抗為Z ， 雷電通道波阻抗為Z0 ， 雷電流為i。絕緣子串作用相當(dāng)于等值電路開關(guān)S ，絕緣子串未擊穿，S 未閉合時，輸電線路波阻抗Z 中沒有雷電流，絕緣子串擊穿，S 閉合后，雷電流注入輸電線路通道。

圖1 　反擊示意圖

圖2 　反擊等值電路

　　1. 3 　繞擊雷電過電壓

　　雷電流直接擊中輸電導(dǎo)線時，由于大量雷電流注入，導(dǎo)致輸電線路對地電壓陡升。當(dāng)絕緣子串兩端承受的電位差大于絕緣子串沖擊閃絡(luò)電壓時，絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，導(dǎo)線通過桿塔對地放電。繞擊發(fā)生時，雷電流首先直接作用于導(dǎo)線。因此繞擊時導(dǎo)線的電流行波全部為雷電流分量，不存在類似反擊的電磁耦合分量，其發(fā)生過程的示意圖如圖3 所示。

圖3 　繞擊示意圖

　　繞擊發(fā)生時，導(dǎo)線電位升高和絕緣子串閃絡(luò)兩個過程的彼得遜等值電路如圖4 。絕緣子串作用相當(dāng)于等值電路開關(guān)S ，絕緣子串未擊穿，S 未閉合時，雷電流導(dǎo)致輸電線路電位升高，桿塔、避雷線中沒有雷電流;絕緣子串擊穿，S 閉合后，雷電流通過桿塔入地。由于輸電線路直接被雷電流作用，在繞擊過程中輸電線路雷電流中不存在電磁耦合電流分量。

圖4 　繞擊等值電路

　　由上述分析可知，當(dāng)輸電線路發(fā)生感應(yīng)雷過電壓時，電流行波為感應(yīng)電流，三相基本相似;發(fā)生反擊時，在絕緣子未擊穿之前，電流為電磁耦合電流，擊穿之后，線路電流由電磁耦合電流突變?yōu)橹睋衾纂娏?。發(fā)生繞擊時，線路電流為直擊雷電流分量。

　　2 　輸電線路的雷電過電壓電磁暫態(tài)仿真

　　2. 1 　感應(yīng)雷電過電壓

　　本文采用EMTP 電磁暫態(tài)仿真程序?qū)芸蛰旊娋€路的感應(yīng)、繞擊、反擊3 種雷電過電壓進行仿真計算。圖5 為220 kV 系統(tǒng)仿真模型。輸電線路長為30 km。根據(jù)桿塔尺寸結(jié)構(gòu)，采用文獻[ 17 ]所提出的計算公式，得到桿塔分段波阻抗模型，如