高壓輸電線路雷電監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建與應用研究

李建華

（天津市防雷技術(shù)中心第一分中心 天津 300480）

0 引言

大規(guī)模新能源發(fā)電接入電網(wǎng)主網(wǎng)需要高壓輸電系統(tǒng)穩(wěn)定并可靠輸送電能，而雷雨天氣雷電流是影響高壓主網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要跳閘故障原因之一。由于大量新能源發(fā)電位于山區(qū)或無人區(qū)，新型輸電鐵塔塔身普遍較高，增加了輸電桿塔遭受雷擊跳閘的風險。統(tǒng)計2019年至2021年中國北方220 kV和110 kV輸電線路跳閘次數(shù)，雷擊引起的跳閘次數(shù)分別占總跳閘次數(shù)的55.2%、52.4%和48.7%，雷擊故障在山地、海拔高和土壤電阻率高的地區(qū)發(fā)生率統(tǒng)計偏高[1]。分析山區(qū)高壓輸電線路的防雷特性，綜合運用現(xiàn)代雷電監(jiān)測技術(shù)研究高壓輸電線路雷電監(jiān)測，是建設“立體巡檢，集中監(jiān)控”的重要保障。

雷電參數(shù)的獲取依賴高壓輸電線路雷電監(jiān)測系統(tǒng)的精確性，是開展線路防雷研究工作的重要數(shù)據(jù)來源，也為分析雷擊故障類型及實景“差異化”防雷措施提供理論研究基礎。特殊區(qū)域中的輸電鐵塔在雷雨天氣下易遭受雷擊，此時雷電過電壓在線路快速傳輸，嚴重危害電網(wǎng)主設備的絕緣安全。由于雷電過電壓幅值高、陡度大、測量難度大，且線路所處電磁環(huán)境復雜多變，而安裝于變電站內(nèi)部的雷電過電壓監(jiān)測裝置難以精確測量經(jīng)過復雜折反射的雷電參數(shù)[2]。統(tǒng)計分析地區(qū)電網(wǎng)中220 kV輸電線路雷電監(jiān)測裝置，其多數(shù)設備僅測量單一雷電參數(shù)，無法滿足雷電故障分析的應用需要，雷擊線路的雷電過電壓和雷電流是保護方案、故障分析、改善措施的重要數(shù)據(jù)，為此構(gòu)建高壓輸電線路雷電監(jiān)測系統(tǒng)，研究雷擊架空輸電線路電壓、電流同步數(shù)據(jù)是當下研究堅強電網(wǎng)的重要方向之一。

1 輸電線路雷電監(jiān)測

1.1 輸電線路雷電監(jiān)測

雷擊過程在多變電磁環(huán)境下發(fā)生復雜能量轉(zhuǎn)換，雷電流引起雷電壓，兩者聯(lián)系密切。目前高壓輸電線路雷擊故障識別定位研究電流信號特征，僅采集單一物理量數(shù)據(jù)難以完整分析雷擊故障。以架空輸電線路為典型研究對象，在桿塔橫擔處和塔身處分別設置電容耦合電壓傳感器和多外積分羅氏線圈并聯(lián)電流傳感器監(jiān)測桿塔遭受雷擊后的電壓、電流瞬態(tài)過程，采集雷電過電壓和桿塔入地電流[3]。本文將桿塔入地電流引入雷電監(jiān)測系統(tǒng)采集參數(shù)，保持其與雷擊過電壓的聯(lián)系，使輸電線路雷擊物理過程分析更加全面。基于雷電流、雷電壓的雷電檢測系統(tǒng)有助于精確、快速區(qū)分不同雷擊故障類型和分析雷電波傳播規(guī)律，且精確評估輸電線路耐雷水平和雷電流通道。

設計將分布式結(jié)構(gòu)引入輸電線路雷電多參量監(jiān)測系統(tǒng)，彌補當下線路集中式結(jié)構(gòu)雷電監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，具體如長距離輸電線路傳輸發(fā)生的信號衰減、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡后臺成本高、運維難度大、采集數(shù)據(jù)單一、難以深入分析故障等問題。將電容耦合過電壓傳感器、多外積分羅氏線圈并聯(lián)電流傳感器引入高壓輸電雷電監(jiān)測系統(tǒng)，且配以嵌入式監(jiān)控裝置、網(wǎng)絡交換機和后臺監(jiān)控主機共同搭建雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺，精確實時采集、傳輸雷電過電壓和桿塔入地電流，監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 輸電線路雷電監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

輸電線路的耐雷水平可公式表示為：

式中K代表輸電線路導地線間的耦合系數(shù)，Lgt代表桿塔分析的等值電感，Rch代表桿塔雷電流沖擊接地電阻值，β代表桿塔分流系數(shù)，hd代表桿塔下相導線的對地距離。

1.2 高壓輸電線路雷電參數(shù)

分析高壓輸電線路雷擊故障，需采集雷擊特征相關參數(shù)，具體有雷電流極性與波形、雷擊輸電線路過電壓、雷電流幅值與概率分布等相關參數(shù)[4]。

1.2.1 雷電流極性與波形

由帶電荷的雷云引起的雷電放電即雷電流，分析國內(nèi)外多年來對其的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其為單極性的脈沖波，且負極性雷電流約占總量的75%～90%，因此線路雷擊故障分析中常將負極性的雷電沖擊波作為主要分析要素。雷電擊中輸電線路時其電流波頭與波尾為隨機、時變變量，統(tǒng)計雷電流波頭和波尾分別約為1～5 μs和20～100 μs，建模分析時可將其等效分析。輸電桿塔防雷計算中可由標準沖擊波、等值斜角波、等值余弦波三種模型等效雷電流波形。

1.2.2 雷擊輸電線路過電壓

雷擊輸電線路的雷電流放電時產(chǎn)生過電壓，依據(jù)雷擊形式可分為感應雷過電壓和直擊雷過電壓，過電壓是造成高壓輸電線路雷擊故障的主要因素。研究表明，輸電線路雷擊存在感應雷過電壓，其幅值相對高壓輸電線路的220 kV和110 kV的電壓幅值較小，則感應雷過電壓危害較小。直擊雷過電壓依據(jù)其雷擊輸電線路部位的差異可為反擊和繞擊兩種形式[5]：反擊是由雷電流擊中避雷針或避雷線形成桿塔接地放電通道，桿塔沖擊接地電阻引起系統(tǒng)地電位升高，絕緣子末端的與輸電導線的電位差達到閃絡范圍形成雷電反擊；繞擊是自然界雷電未直接擊中避雷針或避雷線時直接作用于輸電線路，引起輸電線路對地閃絡而發(fā)生雷電繞擊現(xiàn)象。

1.2.3 雷電流幅值與概率分布

自然界雷電因地域氣候、自然條件等差異而隨機多變，其雷電流波形和幅值也是隨機變量，呈現(xiàn)非周期性變化。分析大量雷擊故障中桿塔雷電流實測數(shù)據(jù)，可用公式將雷電流幅值概率表示為：

式中，I代表雷電流的幅值；P代表雷電流超過的統(tǒng)計概率。

1.3 基于電壓、電流極性鑒別的輸電線路雷擊故障識別

目前依據(jù)監(jiān)測參數(shù)的差異可將雷電監(jiān)測系統(tǒng)分為雷電流和雷電過電壓參數(shù)監(jiān)測兩種，上述兩種方式均在實踐中得到不同應用，滿足雷電監(jiān)測的需要。雷電流監(jiān)測要求其監(jiān)測精度、速度準確滿足數(shù)據(jù)分析，經(jīng)實踐驗證監(jiān)測雷電流方法中的磁鋼棒法、磁帶法、羅氏線圈法和雷電定位系統(tǒng)在不同場合均得到實踐應用[6]，且在實踐中得到了檢驗。而電網(wǎng)過電壓測量主要由電容式電壓互感器（CVT）和電磁式電壓互感器（PT）實現(xiàn)，該類互感器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠性高的特點，且滿足過電壓數(shù)據(jù)采集、分析。

分析輸電線路直接雷故障特征量，以雷擊故障雷電流、雷電壓為故障識別參數(shù)，建立基于電壓、電流的輸電線路雷擊故障識別系統(tǒng)是當下高壓輸電系統(tǒng)防雷系統(tǒng)的重要研究熱點。研究系統(tǒng)監(jiān)測電壓、電流信號的極性變化差異，以此區(qū)分變量識別不同雷擊故障。

2 高壓輸電線路雷電監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

研究具備實用性強、精確度高的高壓輸電線路雷電監(jiān)測系統(tǒng)，需計算構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，其監(jiān)測參數(shù)的精確度依賴其采集裝置[7]，為此設計了由數(shù)據(jù)前置電路、數(shù)據(jù)采集模塊和信號監(jiān)控模塊組建的采集裝置，監(jiān)測系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示。由數(shù)據(jù)前置電路實現(xiàn)對監(jiān)測裝置互感器采集電壓、電流信號預處理，由數(shù)據(jù)采集模塊對采集信號轉(zhuǎn)換為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)監(jiān)控模塊實施數(shù)據(jù)無線傳輸，整體完成高壓輸電線路雷電監(jiān)測系統(tǒng)的信號采集傳輸。

圖2 高壓輸電線路雷電監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸

2.1 數(shù)據(jù)前置電路設計

數(shù)據(jù)前置電路由調(diào)理電路和觸發(fā)電路構(gòu)成，監(jiān)測高壓輸電系統(tǒng)的桿塔雷電流信號和三相過電壓信號，且由信號調(diào)理電路對采集電壓、電流信號預處理。

2.1.1 電流信號調(diào)理電路設計

監(jiān)測線路桿塔裝設電流傳感器，由羅氏線圈采集桿塔雷電流I桿塔，預處理中引入并聯(lián)外積分方式實現(xiàn)信號變換，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號傳輸。

2.1.2 電壓信號調(diào)理電路設計

監(jiān)測桿塔三相過電壓，將電壓傳感器安裝于桿塔導線的連接絕緣子處，測量雷擊故障狀態(tài)下三相絕緣子雷電過電壓U絕緣子，由調(diào)理電路對采集過電壓信號預處理。

2.1.3 觸發(fā)電路設計

觸發(fā)電路控制監(jiān)測系統(tǒng)的信號采集，由其輸出觸發(fā)信號，控制信號幅值和電平，且與設定閾值比較，即可由觸發(fā)信號控制數(shù)據(jù)采集。觸發(fā)電路設計由LM336組成的穩(wěn)壓電路產(chǎn)生控制電平，觸發(fā)離散控制雷電過電壓、過電流信號采集。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設計

數(shù)據(jù)采集模塊采集過電壓、過電流信號，引入ADC信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲，完成監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲，完成數(shù)據(jù)前置電路的后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

2.3 信號監(jiān)控模塊設計

過電壓、過電流信號經(jīng)采集后需傳輸至監(jiān)控后臺系統(tǒng)，由監(jiān)控模塊實施數(shù)據(jù)互聯(lián)功能。信號監(jiān)控模塊是雷電監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢驗、分析的重要前提，設計選用廣州致遠公司EPC-2601工控板作為模塊核心。

3 雷電監(jiān)測系統(tǒng)的應用分析

高壓輸電線路雷電監(jiān)測裝置除配置前述監(jiān)測結(jié)構(gòu)外，還需配置供電和用戶單元。將信號采集及數(shù)據(jù)通信單元采集信號經(jīng)處理送入監(jiān)測系統(tǒng)主機，且由其發(fā)送至后臺監(jiān)控系統(tǒng)，即完成輸電線路雷擊故障下U絕緣子和I桿塔的在線監(jiān)測。供電單元由太陽能電池板及供電模塊完成電能獨立供應，采用75AH大容量鉛酸蓄電池儲能日間電能，夜間由其蓄電池電能供應裝置的夜間在線監(jiān)割，保證監(jiān)測系統(tǒng)的實時性和不間斷性。高壓輸電線路雷電監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖3所示，將雷電過電壓、過電流實時采集、傳輸[8]。

圖3 輸電線路雷電監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

將雷電監(jiān)測系統(tǒng)安裝于電網(wǎng)某地區(qū)110kV架空輸電線路耐張桿塔處，監(jiān)測雷雨季節(jié)雷擊故障雷電流、雷電壓。電流傳感器安裝于耐張桿塔下相橫擔下方4 m處，實時監(jiān)測桿塔入地雷電流I桿塔；電壓傳感器安裝于桿塔三相橫擔處，使其位于引流線正上方，保持2 m的安全距離，圖4為監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測雷擊故障的雷電流、雷電壓數(shù)據(jù)。

110 kV該地區(qū)耐張桿塔多處裝設高壓輸電線路雷電監(jiān)測系統(tǒng)裝置，將傳感器采集信號處理后傳輸、分析，后臺監(jiān)控系統(tǒng)分析雷電過電壓和桿塔入地電流波形信號，研究多處雷擊故障數(shù)據(jù)驗證了文章雷電監(jiān)測系統(tǒng)的實時性、精確性。

4 總結(jié)

綜上所述，雷電參數(shù)精確監(jiān)測是建設堅強電網(wǎng)的重要保障。本文構(gòu)建了一種高壓輸電線路雷電多參量（電壓、電流）監(jiān)測系統(tǒng)，將該系統(tǒng)應用到雷害故障率高的輸電桿塔，后臺監(jiān)控系統(tǒng)分析雷擊故障參數(shù)，驗證了研究雷電監(jiān)測系統(tǒng)在雷電參數(shù)在線監(jiān)測中的實時性、精確性，對保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行具有重要的意義。