超高壓線路雷電干擾的識別

郭濱釗 陸 浩 姜海波 武萬曉 高 璐

（1.河南省夏邑縣供電局，河南 夏邑 476400；2.貴州大學電氣工程學院，貴陽 550003；3.華北水利水電學院電力學院，鄭州 450011；4.內蒙古東部電力有限公司，沈陽 110180）

1 引言

我國線路運行的大量統計數據表明，無論是高壓還是超高壓的輸電線路，雷害故障仍然占線路故障的 40%～70%。輸電線路的防雷保護大體上經歷了四個發展階段。第一階段（1930年前）是以防止感應雷為主的階段。最初，線路電壓等級很低，感應雷引起的雷害事故是線路防雷的主要矛盾。因此，為了減少相導線上感應過電壓，在輸電線路上加裝了避雷線。第二階段（1930－1950年），以防止直擊雷為主的階段，也是雷電參數得以系統歸納設計的時期。這一時期逐步明確了對 110～220kV 高壓線路來說，直擊雷是主要矛盾，并提出了直擊雷防護計算方法。在此期間，各國進行了大量的雷電觀察，提出了用行波理論來計算絕緣子串兩端電壓的方法。第三階段（1950－1962年左右），是由美國OVEC-345kV 線路異常高的閃絡率所引起的爭論和對以前的防雷計算方法和數據進行重新估價的時期。這場爭論極大地推動了線路防雷研究工作的進展，使理論分析、現場測試、模擬試驗和運行經驗的積累等方面的工作都有了很大的提高。第四階段（1962年前后至今），為模擬試驗、現場實測、概率統計方法和計算機綜合使用的階段。

2 輸電線路的感應雷和直擊雷

2.1 雷電流的特點

雷擊發生時，雷電流的波形和大小跟許多因素有關，主要有地理位置、地質條件、季節和氣象。其中，氣象情況具有很大的隨機性，因此雷電流的大小和波形也有很大的隨機性。實測表明，不同雷擊時，盡管雷電流的大小和波形存在很大差異，但都是單極性的脈沖波，而且多次觀測所擬合出的曲線近似于一雙指數曲線，如圖1所示。

圖1 雷電流的標準波形

其表達式為

式中，0i為某一固定電流值；α、β為兩個常數；t為時間。

2.2 輸電線路的直擊雷和感應雷特點

雷電是雷云間或雷云與地面物體間的放電現象。前者稱為云閃，后者稱為地閃。地閃對電力系統，特別是輸電系統造成威脅，使絕緣擊穿，造成相與地或相與相間短路，引起停電事故，給國民經濟帶來嚴重損失。直接雷擊及雷電感應產生的過電壓沖擊波幅值高達幾百千伏，沿輸電線路流動，侵入發電廠或變電站內，使發電機、變壓器等重要電氣設備遭受破壞；嚴重時還危及人們的生命安全。為此，對雷電活動及其防護問題一直引起人們的關注。

輸電線路上的雷電過電壓按其形成分兩種情況：一種是雷云直接擊于線路（包括導線、桿塔，或許還有避雷線），在其上產生危害絕緣的電壓，稱為直擊雷過電壓；另一種是雷擊輸電線路附近地面，在輸電線路的三相導線上，因感應而出現的高電壓，稱為感應雷過電壓。

在雷電高頻干擾下，現有的各種暫態保護判據都有可能出現誤判。因此，研究和識別輸電線路的雷擊暫態特征對研制基于暫態量的保護及提高其可靠性都具有十分重要的意義，它也是暫態保護走向實用化不可避免地要解決的一個問題。

對于暫態保護來說，除了直擊雷會造成嚴重影響外，感應雷擊同樣會在線路上產生高頻的暫態量，而且由于其發生的頻率高，所產生的危害甚至比直接雷電沖擊更嚴重。雷電直擊、反擊跳閘一般雷電流較大，如500kV典型桿塔反擊耐雷水平可達125～175kA。雷電反擊一般有下列特征：①多相故障一般是由直擊引起；②水平排列的中相或上三角排列的上相故障一般是由雷電反擊引起；③檔中導地線之間雷擊放電(極為罕見的小概率事件)的，一般是由雷電直擊、反擊引起；④一次跳閘造成連續多桿塔閃絡的，有可能是雷電直擊、反擊引起。雷電繞擊導線引起絕緣閃絡對應的雷電流幅值較小，如500kV線路繞擊耐雷水平為22～24kA，220kV線路為12～14kA，110kV線路為5.5～7kA。

3 輸電線路感應雷和直擊雷的識別

發生輸電線路直擊雷時，關鍵在于識別出感應雷的暫態過程。然而，簡單地利用單一尺度上的能量難以可靠地將其識別。位置等因素有很大關系，過渡電阻越大，該部分能量越小。因此，必須結合高低頻帶上的能量分布特征進行綜合分析。

本文對感應雷擊仿真的方法就是直接在F點加一個控制源為雷電流的受控電流源，模擬故障性雷擊的主要思路是考慮在上述雷擊事件后立刻產生一個短路故障，如圖2所示。同時，采用如式（1）標準雙指數方程來模擬雷電流。

圖2 控制源為雷電流的受控電流源

圖3 500kV輸電線路模型

圖3為一條長度為280km的500kV的高壓輸電線路。在仿真實驗中，以輸電線路在距母線 M 的105km處發生雷擊故障為例。對于感應雷擊取10kA，而對于故障性雷擊則取 30kA，仿真時間15ms，雷擊故障發生在3ms時，仿真時采樣頻率100Hz。仿真系統線路參數：R1=0.02083?/km；R0=0.1148?/km；L1=0.8984mH/km；L0=2.2886mH/km；C1=0.01291μF/km；C0=0.00523μF/km；電抗器參數：XL=1680 mH；XN=434mH。用Matlab中的小波分析分析仿真結果，一般用Matlab內帶的odel5進行數值計算，它在解決某些病態方程組時有較好的表現。對暫態信號采用Db4小波進行5尺度分解，可以得到分析結果如圖4、圖5所示。

圖4 感應雷電流波形與小波分析結果

圖5 直擊雷電流波形與小波分析結果

設對信號f(t)進行M層分解，原信號的能量可分解為各尺度下子頻帶的能量之和

式中，C0為‘0’級尺度系數，dj為j尺度下的小波系數，n為系數個數。

小波變換是在尺度空間上對電流和電壓能量的劃分，多尺度能量統計分布能同時反映暫態電流或電壓頻率空間的能量分布特性信息，不同種類的暫態信號，它們在時頻分布上是有區別的。因此，多尺度能量統計分布能從統計意義上反映不同暫態的特性，具有一定的特征提取能力。我們用能量統計法，對圖4、圖5的多分辨率分析的結果進行能量統計，由（3）式可得到某時間段內沿尺度分布的暫態信號能量和，對于最后統計數據，建立表1如下。

表1 暫態電流的能量分布

在高頻段上，雖然雷擊輸電線路時暫態電流附加分量所含的高頻能量比接地故障時的要高很多，但它受所注入的雷電流幅值影響很大，當雷電流幅值減少時，它也將大為減少；而且僅利用高頻能量也難以區分感應雷和直擊雷這兩種情況。在中低頻部分（a5的輸出），盡管有故障發生時（包括直擊雷和短路故障）的能量要遠高于感應雷時的情況，但是其大小也跟過渡電阻、故障位置等因素有很大關系，過渡電阻越大，該部分能量越小。因此，必須結合高低頻段上的能量分布特征進行綜合分析。

通過上述對圖4、圖5和表1的分析發現，在小波變換多分辨率分析的基礎上，提取暫態電流附加分量高、低頻段上的能量比構成判據，可實現輸電線路非故障性雷擊的識別。這里首先給出能量比k的表達式

式中，ijdm為暫態電流附加分量在尺度J上高頻分量第m個點的輸出；iam為暫態電流附加分量的中低頻分量第m個點的輸出；N為所取時間段所對應的采樣點數。

顯然，當發生感應雷擊時，比值k較大，反之則較小。當高頻能量取d1～d5，而中低頻能量取5a時，由表1算出這兩種情況的k值分別為：2.222和0.026，可見它們的區分度是很明顯的。因此，可以給出發生感應雷擊的判據為

式中，k0為設定的門檻值，其大小跟高、低頻能量所取的頻率范圍有關。在實際計算中，只取次高頻分量（d4～d5）進行計算。這是因為直擊雷時，由于絕緣子的閃絡，雷電波必然會被截斷為作用時間更短的截斷波，使其產生的暫態電流附加分量在最高頻段上（d1～d3）的能量含量要比感應雷擊時的高，如果取這部分的能量進行計算將會降低判據的靈敏度。

仍以圖3所示系統為算例模型進行Matlab仿真計算。在仿真計算中，考慮了不同條件下的雷擊，并且雷電能夠發生繞擊和絕緣子閃絡這兩個條件，對于感應雷擊分別取15kA和10kA，而對于直擊雷則取30kA和50kA。表2列出了部分仿真結果，其中，EH表示d4～d5所對應的高頻能量，EL表示a5對應的低頻能量。

表2 各中暫態過程所對應的k值

從表2可見，在不同雷電參數下，各種暫態過程所對應的EH和EL值變化范圍都很大，而且相互間存在交集，僅利用EH或EL值難以可靠區分不同的暫態過程；而它們的比率k，盡管也會隨條件的不同而發生變化，但還是保持著明顯的區分度：發生感應雷擊時k值都較大，最小值為1.848；而直擊雷時，k都比較小，最大為0.031。顯然遠小于感應雷擊時的k值。由此可見，所提出的判據能夠有效、可靠地實現雷擊的識別。

根據以上的分析可知，利用高、低頻段上的能量比作為指標，一方面可以放大不同暫態過程間的差異，另一方面受雷電參數和故障條件的影響也較小，可用于實現感應雷和直擊雷二者暫態過程的可靠識別。

4 結論

本文就輸電線路的雷電干擾問題進行了全面、系統的研究。分別對輸電線路感應雷干擾和直擊雷干擾的暫態過程及其對暫態保護的影響進行詳細的分析；在比較各自所具的暫態特征的基礎上，提出相應的識別判據；并對判據作出詳細的理論推導和分析；最后利用Matlab進行仿真計算，以驗證所提判據的有效性。所提出的輸電線路感應雷和直擊雷識別判據可作為各種暫態保護的附加判據，大大提高其抗雷電干擾能力。

[1] 任晉峰,段建東,張保會,李鵬.EHV輸電線路超高速保護中雷電干擾識別的研究[J].電力系統繼電保護,1944-1948

[2] 張麗娜,陳皓.輸電線路雷電干擾暫態識別的仿真研究[J].四川電力技術,2009,32(3):31-35.

[3] 王鋼,李海峰,趙建倉,吳敏.基于小波多尺度分析的輸電線路直擊雷暫態識別[J].中國電機工程學報,2004,24(4):139-144.

[4] 段建東,任晉峰,張保會,羅四倍.超高速保護中雷電干擾識別的暫態研究法[J].中國電機工程學報,2006,26(23):7-13.

[5] 聶定珍,趙森.雷電干擾的形成與防護[J].安全與電磁兼容,1999,(3):19-23.

[6] 司大軍,束洪春,陳學允,于繼來.輸電線路雷擊的電磁暫態特性分析及其識別方法研究[J],中國電機工程學報,2005,25(7):64-69.