架空輸電線路雷電過電壓識別

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 　時域波形分析

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

圖7 　感應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，感應雷過電壓的三相電流行波為感應電流行波，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，上升時間長;絕緣子串擊穿之后，由于大量雷電流注入導線，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，提出感應雷點過電壓與直擊雷電過電壓的識別判據(jù):

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

　　在實際計算中，為排除閃絡后引起的干擾并降低計算量，取電流行波峰值前4μs 作為相似度計算區(qū)間。當Smin大于門限值時，判定為感應雷過電壓。反之，則認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，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，雷電流注入導線，閃絡相電流行波為雷電流，幅值大幅躍升。設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，反擊時電流行波幅值在大幅躍升之前，先有一個幅值約為5 %Imax的上升過程。在該上升過程中，電流行波陡度較低，上升時間較長，絕緣子被擊穿后，雷電流注入，電流行波陡度增大，上升時間較短。繞擊時，由于雷電流在絕緣子擊穿之前已經(jīng)直接注入導線，導致被擊相電流行波無電磁耦合電流分量的存在，陡度較大，上升時間較短。

　　設t2 %為監(jiān)測到雷電流行波幅值達到2 %Imax的時間點， t5 % 、t50 %以此類推。由于雷電流準確的起始點難于確定，以t2 %作為計算起始點。為避免雷電流反射行波的影響，以電流行波達到50 %Imax 所用時間t1 來表征雷電流的上升時間，以電流行波達到5 %Imax 所用時間t2 來表征空間電磁耦合行波的上升時間，并定義其比值為ρ，其計算公式為:

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

　　式中，ρThres為繞擊、反擊的判據(jù)門限值。

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

圖10 　雷電過電壓識別流程圖

　　4 　仿真驗證

　　本文在前述仿真模型的基礎上，對感應、繞擊、反擊3 種雷電過電壓進行了多次仿真。雷電流采用防雷設計標準波形2. 6/ 50μs 波形。分別在雷擊點后1 ，1. 5 ，3 ，5 km 等4 個距離點采集雷電流行波，計算3 種過電壓的Smin ，ρ等特征參數(shù)。仿真計算結(jié)果如表1 所示。

表1 　感應雷,繞擊與反擊特征參數(shù)

　　根據(jù)表1 可見，將S Thres設定為0. 8 ，ρThres設定為2. 5 ，利用本文所提出的判據(jù)，即可在線路后方對前方所發(fā)生的雷電過電壓類型做出準確判斷。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系統(tǒng)下仿真表明， 該方法對110 、220 、500 kV 電壓等級系統(tǒng)都適用。由于信號沿線衰減，根據(jù)仿真結(jié)果，當信號采樣點與雷擊點距離> 8 km 時，電磁感應分量電流行波基本衰減為零，對反擊和繞擊雷電過電壓判據(jù)失效。由于三相導線衰減程度基本相同，對感應和直擊雷電過電壓的判據(jù)仍然有效。雷電流行波信號獲取方式，可以考慮參考文獻[ 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，在實際架空輸電線路發(fā)生過電壓時，線路對地電容增大，電流行波波形會發(fā)生畸變，陡度會降低。EMTP 仿真軟件尚未能模擬該過程。考慮三相導線在沖擊電暈作用下衰減畸變程度基本相等，沖擊電暈不會對波形相似度產(chǎn)生影響。而對于繞擊與反擊的識別，由于沖擊電暈主要作用于發(fā)生在雷電流注入導線之后，使得電流行波在[ 5 % Imax ， 50 % Imax ]區(qū)間的上升時間增加，而電流行波在[ 2 % Imax ， 5 %Imax ]區(qū)間內(nèi)的上升時間基本不會受沖擊電暈影響。因此，實際線路的特征量ρ比仿真結(jié)果總體偏大，只要適當調(diào)整閾值，即可避開沖擊電暈的影響[22 ] 。

　　5. 2 　反擊時感應過電壓的影響

　　雷擊桿塔并發(fā)生反擊時，在絕緣子閃絡之前，空間電磁場變化會在輸電線路上產(chǎn)生感應過電壓，該感應過電壓會在輸電線路上產(chǎn)生感應電流行波。目前的仿真軟件也未能對這一過程進行仿真。該感應電流行波的存在，會使絕緣子串閃絡前電流行波的幅值略有增加。由于感應過電壓的陡度相對直擊雷較低，考慮感應雷過電壓后，絕緣子閃絡前電流行波陡度較雷電流行波仍較低，故感應電流行波不會對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，定義的上升時間比ρ的計算區(qū)間為[ 2 % Imax ， 5 % Imax ]和[ 5 % Imax ， 100 % Imax ] 。在實際應用中，考慮到感應電流行波的影響，將ρ的計算區(qū)間根據(jù)實際運行情況稍作調(diào)整，即可避開反擊時雷擊桿塔感應過電壓的影響。

　　5. 3 　輸電線路接線端的影響