避雷器雷擊電流波形參數檢測方法及其應用

王慶華+曹立波+陳其平+陳玲強

摘 要：文章提出一種檢測避雷器雷擊電流波形特征參數的方法，其波形參數在避雷器安裝現場提取，所述特征參數包括雷擊沖擊電流波形的幅度、寬度、沖擊間隔和沖擊個數。討論雷擊沖擊電流波形特征參數的兩種潛在應用：（1）用于分析雷擊強度、雷擊次數對避雷器劣化的影響；（2）用于對配送網行波定位誤差進行標定，提高故障定位精度；（3）用于對配電線路中的雷擊電流波形和短路電流波形進行區分，提高輸電線路行波保護的可靠性，描述了相應的物聯網實現架構。

關鍵詞：雷擊電流波形；避雷器劣化；行波保護；配送網故障定位

中圖分類號：TM863 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0067-04

Abstract： This paper presents a method for detecting the characteristic parameters of lightning surge current waveform of arrester， whose waveform parameters are extracted from the spot of lightning arrester installation. The characteristic parameters include an amplitude， a width， an impact interval and a number of shocks of a lightning impact current waveform. Two potential applications of characteristic parameters of lightning impulse current waveform are discussed： 1） to analyze the influence of lightning strike intensity and lightning stroke number on lightning arrester deterioration； 2） it is used to calibrate the location error of traveling wave in distribution network to improve the accuracy of fault location； 3） it is used to distinguish the lightning current waveform from the short-circuit current waveform in the distribution line， and to improve the reliability of the traveling wave protection of the transmission line. The corresponding implementation architecture of the Internet of things is described.

Keywords： lightning current waveform； lightning arrester deterioration； traveling wave protection； distribution network fault location

前言

行波保護的核心問題是對輸電線路中出現的非故障雷擊放電（非線路故障）和線路擊穿放電（線路故障）進行區分，以避免非故障雷擊放電導致行波保護機構誤動作，只對線路擊穿放電進行保護[1]。非故障雷擊放電和線路擊穿放電進行區分的方法包括時域法線路故障識別[2][3]和頻域法線路故障識別[4～7]。文獻[2～7] 是以特高壓輸電網為對象討論行波保護，將輸電網行波保護的原理和技術用于配電網行波保護是行波保護的一個發展趨勢。

利用行波的傳輸時間實施配電網故障定位首先在特高壓輸電網為應用場景[8]，在2000年之后，出現了針對配電網的行波故障定位研究[9]，如何改善配電網的行波法故障定位精度是需要進一步研究的課題。

目前，避雷器劣化監測技術在統計避雷器遭受的雷擊次數環節存在的缺點是，只簡單地統計雷擊次數，不獲取避雷器雷擊電流的幅度和沖擊電流個數，因此，不能準確得到雷擊強度、雷擊次數對避雷器劣化的影響規律；行波保護技術存在的缺點是，所使用的雷擊電流波形是通過對輸/配電線上行波的測量獲得，沒有使用避雷器雷擊電流的波形，而通過對輸/配電線上行波的測量獲得的雷擊電流波形必然包含線路干擾，該干擾會降低區分線路故障與非故障雷擊放電的準確度；行波法故障定位存在的缺點是定位誤差大，特別是對配電線路，其誤差難以滿足實際需要。

檢測避雷器的雷擊沖擊電流波形特征參數，將該波形特征參數用于避雷器劣化監測、行波保護和配電網故障定位，既可以準確得到雷擊強度、雷擊次數對避雷器劣化的影響規律，又可以提高區分線路故障與非故障雷擊放電的準確度，還可以提高故障定位精度，這是本文的出發點。

1 避雷器雷擊電流波形參數檢測方案

雷電流波形的測量是研究雷電的主要內容之一，因為一旦知道雷電流波形，我們就可得到有關雷電流的參數，如峰值、最大電流上升率、峰值時間。

為了對雷電流進行研究分析，可以用簡練的數學表達式來描述典型雷電流波形。Bruce和Golde等人于1941年提出了地閃回擊電流的雙指數表達式：

為了測量得到雷電峰值和寬度，采用羅氏線圈進行采樣，羅氏線圈也叫微分線圈、空氣線圈，因為沒有磁芯，故不存在飽和、磁滯等問題，也不會產生渦流，所以頻率特性很好，因此非常適合進行雷電流信號的采樣。endprint

雷電流峰值，脈寬測量電路實現見圖2電路仿真設計實現

信號源V2加載matlab生成雷擊波形文件，進行雷電流波形發生，前端采用精密絕對值電路進行波形翻轉，主要由U4來完成，將信號送入峰值檢波電路進行峰值采樣，通過U2比較器來進行峰值波形一半的雷擊波形脈寬檢測，R6提供一個預偏置，使得輸出為0。

2 避雷器雷擊電流波形參數應用舉例

目前，用于避雷器在線監測的物聯網[10]功能單一，沒有綜合實現避雷器劣化監測、配電網行波保護和配電網故障定位的能力，通常包括采集器、信號傳輸裝置和顯示報警裝置。其中，采集器包括：電流計、電壓計、放電計數器。所述電流計、放電計數器與避雷器分別采集避雷器的泄壓電流和放電次數。其電流計是對泄漏電流采集，不對雷擊電流采集，其放電計數器只對雷擊放電次數進行計數，不檢測雷擊電流的波形。

一種實現雷擊電流波形參數用于避雷器劣化監測、配電網行波保護和配電網故障定位的物聯網架構如圖4所示。該物聯網包括避雷器監測子系統、行波保護子系統、故障定位子系統、無線接入子系統和云端處理子系統。其中，避雷器監測子系統包括：避雷器泄漏電流采集模塊、雷擊沖擊電流波形參數檢測模塊和無線傳輸模塊；無線傳輸模塊將避雷器泄漏電流和雷擊沖擊電流波形參數發送給云端，并且通過低時延數據傳輸通道將雷擊沖擊電流波形參數發送給行波保護子系統。

行波保護子系統包括：線路行波檢測模塊、行波類型識別模塊、保護驅動模塊和低時延數據傳輸模塊；低時延數據傳輸模塊為行波類型識別結果和雷擊沖擊電流波形參數提供低時延傳輸通道，實現對線路故障的快速識別和快速保護。

故障定位子系統包括時間同步模塊、行波到達時間檢測模塊和故障位置估計模塊；通常，時間同步模塊和行波到達時間檢測模塊位于線路現場，故障位置估計模塊位于云端。

無線接入子系統包括：低功耗低速率無線傳輸模塊、無線路由器；低功耗低速率無線傳輸模塊可以使用NB-IOT或Lora實現。

云端處理子系統包括：避雷器劣化分析模塊、線路故障定位模塊、電力線行波保護管理模塊和線路維護指導模塊。

2.1 避雷器雷擊電流波形應用于避雷器劣化程度判斷

目前對雷擊信息的采集[10]，是對雷擊次數的統計，沒有檢測雷擊電流波形參數，要準確掌握雷擊對避雷器劣化的影響，需要獲取包括幅度、沖擊寬度、沖擊個數、沖擊間隔在內的雷擊電流波形參數。

分析雷擊對避雷器劣化的影響，基本方法是使用無雷擊劣化曲線作為避雷器劣化基準曲線參照，與承受雷擊應力的避雷器的劣化曲線進行對比。

第一步，選取沒遭受雷擊的避雷器作為對照樣本，獲取無雷擊應力作用的避雷器的阻性電流的大小及隨時間的變化曲線；以此曲線作為基準，對比雷擊應力的影響。

第二步，選擇與對照樣本相同型號、相同工作時間的避雷器，按照泄漏電流大小分類、相同泄漏電流下，雷擊應力作用規律的統計分析。

具體地，按照雷擊應力大小分類、相同雷擊應力下，泄漏電流分布規律統計。

雷擊應力采用波形恢復法，按照定波形參數重構雷擊電流波形，對重構的雷擊沖擊電流波形進行面積計算，將雷擊沖擊電流波形面積作為雷擊應力。

2.2 避雷器雷擊電流波形應用于線路故障識別

行波保護具有快速動作性能。此外，行波保護還具有不受過渡電阻、電流互感器（TA）飽和、系統振蕩和長線分布電容等影響的獨特優點。文獻[11]指出，行波保護的動作時間主要包括：（1）算法時間，超高壓線路一般從幾十km到幾百km，而積分時間是選擇行波在最短的線路上一個來回的傳播時間，因此一般不會超過2ms，實際算法用1ms左右的數據窗；（2）通道傳輸時間，兩側保護判斷出故障方向后，只需傳輸判斷結果0（反方向）或1（正方向）一個字節即可，所需時間也在1ms左右。因此，即使加上其他的時間延遲，保護最多在5ms之內即可出口。但是，由于電網中存在避雷器產生的放電沖擊電流，該沖擊電流會干擾對短路沖擊電流的識別，因此，對基于行波或暫態量的保護來說是必須解決的問題。準確快速區分線路短路故障產生的行波與雷擊沖擊產生的行波，對提高輸電網和配電網行波保護準確度都有重要意義。

在雷電干擾與短路故障的識別的研究中，無論是時域法[2][3]還是頻域法[4～7]，都沒有利用避雷器接地端的雷擊波形作為進一步提高短路故障識別率的手段。文獻[3]給出的積分法識別非故障雷擊時電流波形、故障性雷擊時的電流波形和短路故障時的電流波形這三種波形的方法，根據二者的相對比值大小構成識別故障與非故障性雷擊的主判據；其二，利用兩個積分值的差構建輔助判據以提高故障性雷擊和非故障性雷擊識別的可靠性。

如果借助避雷器接地端的雷擊波形的信息，就會簡化對波形的識別過程：

情況一、當沒有接收到避雷器接地端的雷擊波形的信息時，則線路上檢測到的行波暫態波形就是短路故障時的電流波形。

情況二、當接收到避雷器接地端的雷擊波形的信息時，則線路上檢測到的行波暫態波形只有兩種可能：為非故障雷擊時電流波形或故障性雷擊時的電流波形。只要使用避雷器接地端的雷擊波形與線路上取得的波形進行相關運算，根據相關性大小即可區分判非故障雷擊時電流波形或故障性雷擊時的電流波形。

此外，文獻[3]指出，非故障性雷擊的波形特征是基于行波的折反射理論，而母線結構對行波的折反射產生影響，進而可能影響到對雷擊的識別。若母線M上僅有電源支路和被識別線路（如母線N），由于電源的波阻抗遠大于線路的波阻抗，反射系數接近1，僅依靠母線雜散電容只能檢測到微弱行波。另外，在此情形下無折射波的出現，此時判據將會失效。對此問題，如果利用避雷器接地端的雷擊波形信息，可以在文獻[3]給出的判據失效的情況下使用上述情況二所述的方法非故障雷擊時電流波形或故障性雷擊時的電流波形。endprint

2.3 避雷器雷擊電流波形應用于線路故障定位

由于配電網在拓撲結構和負載變化上比輸電線路更為復雜，配電網上行波的傳播形式也更為復雜，因此，要實現有使用價值的故障定位精度，配電網在距離估計上需要采取更多的技術措施。在傳統的故障定位研究中，雷擊電流沖擊被當作故障定位的干擾，本文則提出使用雷擊電流沖擊波形對行波故障定位系統進行誤差標定，從而提高行波定位系統的定位性能。

用雷擊電流沖擊波形對行波故障定位系統進行誤差標定的原理是：使用雷擊沖擊電流的行波進行到達時間測量，將測得的到達時間轉換為距離確定雷擊波形的位置坐標，將該位置坐標與已知的避雷器的安裝位置坐標進行比較，獲取位置偏移量，使用該位置偏移量進行如下兩項分析：

（1）進行故障定位精度判定，即通過對多個避雷器放電行波的定位，結合避雷器的實際位置，統計得到行波定位的統計誤差。

（2）進行定位誤差的標定，通過對已知位置坐標的避雷器的放電行波的定位，確定定位模塊對到達時間的估計值的誤差，并根據該誤差對定位模塊的到達時間估計值進行修正，使得定位模塊在對短路故障定位時能夠獲得較好的定位精度。

3 結束語

雷擊電流波形參數的檢測可以獲得較完整的波形信息，比現有的雷擊計數具有更廣泛的應用。支持避雷器劣化監測、行波保護和配電網故障定位的物聯網架構所提供的云端信息綜合能力可以實現系統的綜合優化。使用雷擊電流波形參數提高配電網的行波保護性能和配電網故障定位性能，還需要完善實現方法和開展現場測試工作。

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