基于雷電在線監測系統的新型雷電故障識別方法

杜怡嫻

（河南新鄉供電公司，河南 新鄉 453000）

在高壓輸電線路中，線路距離長，跨度大，地理和氣象條件復雜，易受雷擊。運行資料表明，雷擊是造成高壓輸電線路故障的主要原因之一。因此，判定雷擊故障發生的次數和位置，識別雷擊故障和普通短路故障，具有重要的理論價值和實際意義。

輸電線路受到雷擊后，按后果的不同，可以分為故障性雷擊和非故障性雷擊。不少學者對雷擊故障的特征進行了分析，進而提出了雷擊故障的判據。

[1]中識別雷擊線路造成故障與未造成故障的方法是：雷擊未造成故障時，雷擊前后線路電流變化不大；雷擊造成故障時，雷擊前后線路電流變化較大。該方法的不足之處，是行波在母線處的折／反射，即使雷擊已經結束，但行波過程還將持續一定的時間。這樣就存在未造成故障的雷擊雖己結束，但其引起的行波還未消失的可能；而且雷擊故障后的行波可能過零，由于過零的行波很小，該方法可能視為“雷擊前后線路電流變化不大”，從而發生誤判。

參考文獻[2]中的方法，只是針對感應雷擊，尚未系統解決如何識別雷電干擾的問題，不夠全面。

參考文獻[3]以雷擊未造成故障時，行波（暫態）信號中高頻分量與低頻分量能量比值大，而故障（包括雷擊造成故障）時，行波（暫態）信號中高頻分量與低頻分量能量比值小，這一特征構成雷電波的識別方法。但如果線路發生雷擊導線（繞擊）并未引起故障時，行波信號中高頻分量與低頻分量能量比值也可能比較小，與故障時的情況較難區別。上述方法難以推廣實用化。

為了解決這一問題，本文對避雷器地線上的電流特征進行分析，提出了判斷雷擊故障的可靠判據。

1 避雷器地線電流行波特征分析

1.1 避雷器在線監測系統特性

避雷器在線監測系統，是應用于高壓電力系統中，用來監測避雷器放電動作的一種高壓電器設備。其串聯在避雷器低壓側，與避雷器配套使用，以監測避雷器接地線上泄露電流的變化和動作次數，并顯示動作次數。避雷器在線監測系統適用于電力系統各種電壓等級氧化鋅避雷器、碳化硅避雷器的運行監測，能夠有效區分普通短路故障和雷擊故障，記錄避雷器的動作次數。其構造由非線性電阻、電磁計數器和一些電子元件組成。在正常運行電壓下，流過計數器的漏電流非常小，計數器不動作；當避雷器通過雷電波時，強大的工作電流使計數器計數一次，從而實現測量避雷器動作次數。

圖1 雙閥片式避雷器在線監測原理接線圖

如圖1所示。當避雷器動作時，放電電流流過閥片R1，在R1上的壓降經閥片R2給電容器C充電，然后C再對電磁式記數器的電感線圈L放電，使其轉動1格，記1次數。改變R1及R2的阻值，可使記數器具有不同的靈敏度。因R1上有一定的壓降，將使避雷器的殘壓有所增加，故其主要用于40 kV以上的高壓避雷器計數。

1.2 避雷器地線電流行波特征分析

變電站進線段發生雷擊故障時，故障行波向變電站內傳輸，并可能導致避雷器動作。當發生非故障性雷擊和普通短路故障時，避雷器良好的非線性特征，使通過避雷器地線上的電流行波幅值較小，而雷擊故障時，電流行波的幅值較小。

由地線上電流行波的幅值，便可以構成雷擊故障的可靠判據。判據如下所示：

2 判據電流分析

由概率性分析可知，對于110 kV及以上電力系統，50 kA及以上雷電流構成故障性雷擊的概率為93.45%。因此可以以50 kA以上的雷電流計算避雷器地線電流判據的依據。

由變電站避雷器國家標準可知，避雷器為非線性元件其電壓與電流的關系為

式中，

Uref是參考電壓，通常取2倍避雷器額定電壓，

p、q參數由避雷器的伏安特性數據來擬和確定。

由現場實測數據可知，當發生故障性雷擊故障時，ig≥100 A。當發生其他類型故障時，ig≤100 mA。因此，可取50 A作為判別故障雷擊的電流行波幅值判據。

3 仿真分析

圖2 雷擊仿真模型

為了檢測該方法的可靠性及其準確性，論文搭建了EMTP仿真模型來對其進行仿真驗證。仿真模型如圖2所示。

3.1 仿真參數的設置

實際雷電流波形與幅值等諸多因素有關，本次模擬按規程取標準波形，即2.6/50 μs的斜角波。故障雷電流峰值設置為100 kA，非故障雷電流峰值設置為30 kA。因該避雷器計算器安裝在220 kV及以上變電站，因此選取220 kV氧化鋅避雷器（MOA）的額定電壓為200 kV，MOA的伏安特性采用陡波下的伏安特性曲線，如表1所示。

表1 陡波下MOA伏安特性

變電站內的母線、連接線等均用單相分布參數線路表示，根據導線的型號和懸掛高度，用ATP中建立線路模型。站內母聯和站內主變連接線的引線型號為2×LGJQT-1400/135，分裂間距為400 mm，分裂導線水平排列；站內出線的引線型號為2×LGJ-300/40，分裂間距為400 mm，分裂導線水平排列。變電站內其他電氣設備在雷電波作用下，都可用入口電容表示，220 kV敞開式變電站站內電氣設備的入口電容如表2所示。

表2 220 kV敞開式變電站站內電氣設備入口電容

3.2 仿真結果及其分析

按照上述參數，在ATP仿真軟件中，在進線段模擬故障性雷擊、非故障性雷擊和單相短路故障，仿真波形如圖3～圖5所示：

圖3 雷擊故障時避雷器地線上的電流

圖4 系統短路故障時避雷器底線上的電流

圖5 非故障性雷擊時避雷器地線上的電流

由圖可知：在變電站進線段發生雷擊故障時，避雷器動作，其地線電流峰值可達到10 kA，并具有較大的斜率；在變電站進線段發生非故障性雷擊故障時，避雷器地線上的電流極小，其峰值為1.9 mA左右；在變電站進線段發生普通短路故障時，避雷器不動作，因此避雷器地線上的電流極小，其峰值為1.1 mA左右。

由上述仿真可知，該方法可以準確識別故障性雷擊故障。

4 結束語

在現有的避雷器在線監測系統的基礎上，本文提出了基于該套裝置的識別雷電故障和短路故障的新方法。對避雷器地線上的電流特征進行了分析，提出了區分雷擊故障和普通短路故障的判據。本方法有以下特點：一是基于現有的設備進行雷擊故障識別，不需要增加新的測量設備，成本低；二是判據簡單，算法復雜度低，實用性好；三是判斷準確性高。

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