變電站輸電系統(tǒng)雷擊與故障的識別方法

宋曉星，全 琴，賈 鳳，許子寬

（1.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.北京清流技術(shù)股份有限公司，北京 100053）

0 引 言

我國輸電線路大多分布在深山野外，穿越的地形復(fù)雜，輸電線路故障發(fā)生頻率很高。其中因雷擊造成的線路故障占很大比例，約占總故障次數(shù)的40%～70%[1]。當(dāng)發(fā)生雷擊干擾時，輸電線路上的行波測距裝置可能會發(fā)生誤動，所以有必要進(jìn)行雷擊識別，以精確定位故障[2]。

參考文獻(xiàn)[3]提出了“波形一致性系數(shù)”的觀點，它使用誤差幅度來識別故障行波和非故障行波。這種觀點是一個相對較新的概念，但其缺點是數(shù)據(jù)窗口比行波更長。本文在已有雷擊判據(jù)的基礎(chǔ)上提出了一種非故障雷擊與故障的積分識別判據(jù)。利用PSCAD建模仿真，其結(jié)果表明了該判據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 輸電線路雷擊故障仿真

1.1 雷電流波形

雷電流的波形和幅值大小受很多條件的影響。但實際線路在受到不同雷擊時，脈沖波都是單極性的，經(jīng)過多次觀測擬合出一條近似于雙指數(shù)的曲線，如圖1所示。

該波形的雙指數(shù)函數(shù)為：

其中，IL為雷電流的幅值，A為修正系數(shù)，α和β為衰減系數(shù)，本文用此波形作為雷電流的仿真。

圖1 1.2/50 μs雷電流波形

1.2 仿真模型

本文用PSCAD仿真軟件搭建220 kV輸電線路模型，如圖2所示。

圖2 220 kV輸電系統(tǒng)模型圖

由圖2可知，CS為母線對地雜散電容，f為線路上的故障點，F(xiàn)1和F2為線路的避雷器，TP為安全保護(hù)裝置，K、M及N分別為母線名稱。

本文所仿真的輸電線路長度為100 km，采用頻率相關(guān)模型，整個輸電線路采用雙避雷線。桿塔采用分段波阻抗模型，輸電系統(tǒng)的避雷器采用IEEE推薦的非線性模型。用本文提到的標(biāo)準(zhǔn)雷電波模型，雷電通道波阻抗通道為300 Ω。

1.3 線路擾動時的波形特征

利用圖1提到的模型進(jìn)行仿真，假設(shè)在線路55 km處發(fā)生非故障性雷擊、故障性雷擊及普通短路故障。因為輸電線路之間的電磁耦合作用，可用克拉克變換對線路解耦，并對線模分量進(jìn)行提取，分析得到波形。

（1）非故障雷擊時，暫態(tài)電流行波在時間軸零點時刻正負(fù)交替變換，行波在傳播時能量不斷減小，幅值逐漸變小。

（2）雷擊故障時，暫態(tài)電流波形于初始時刻在零軸交替出現(xiàn)，高頻分量較豐富，極短時間后，波形總體是單調(diào)趨勢。

（3）短路故障時，波形基本沒有高頻分量，且很快偏向坐標(biāo)軸零軸一側(cè)。

2 非故障性雷擊與故障的識別

研究表明，雷擊不發(fā)生故障時，波形在時間軸上近似對稱性分布；故障性雷擊時，波形在時間軸上的分布是單調(diào)的。由這些特征構(gòu)造積分識別判據(jù)。分別對時間軸上方和下方的暫態(tài)電流波形進(jìn)行積分運算：

其中，t0為發(fā)生擾動時刻，τ為積分時間窗，U+、U-為時間軸上方、下方的積分值。因為雷擊故障和非雷擊故障的波形不同，所以定義如下識別判據(jù)：

其中，u0為u+和u-的平均值，由仿真模擬得到距離測點55 km處，發(fā)生雷擊干擾后的波形信號，通過計算得到判據(jù)特征值，如表1所示。

表1 雷擊干擾線路后的特征值

由表1可知，發(fā)生非故障性雷擊時，正負(fù)積分值比較接近，且φ值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1；當(dāng)發(fā)生雷擊故障時，正負(fù)積分值相差很大，φ值遠(yuǎn)大于1。因此，設(shè)定閾值為1，當(dāng)φ＞1時，判定為故障；當(dāng)φ＜1時，判定為非故障性雷擊。

3 結(jié) 論

快速準(zhǔn)確地識別雷擊干擾是行波保護(hù)的前提。本文詳細(xì)介紹了發(fā)生雷擊干擾時的波形特征，并提出了利用積分比值識別非故障性雷擊和故障的判據(jù)。仿真結(jié)果表明，對于短路故障和非故障雷擊，此判據(jù)具有很高的靈敏性和可靠性。