架空输电线路雷电过电压识别

　　随着电力系统的发展，架空输电线路的高度和传输容量都在不断提高，架空输电线路绵延数千km ，经常遭受各种雷电过电压侵袭，引发停电事故。

　　因此，架空输电线路雷电过电压防护研究是建设超高压电网和智能电网必须研究的重要课题。输电线路雷电过电压从发生机理来看，可以分为感应雷电过电压、绕击雷电过电压(装有避雷线的架空线路) 、反击雷电过电压。由于3 种雷电过电压的发生机理、过程不同，所采取的防护手段也不相同。感应雷过电压主要对35 kV 及以下的架空输电线路产生危害， 110 kV 及以上的架空输电线路由于线路绝缘水平较高以及避雷线的屏蔽效应，感应雷过电压一般不会引起绝缘子串闪络;反击、绕击雷电过电压由于是雷电流直接作用产生的，又称为直击雷电过电压。反击雷电过电压主要靠提高线路绝缘水平，降低杆塔接地电阻来提高耐雷水平，而绕击过电压主要靠改进线路保护角等方式来降低绕击发生概率。现有的输电线路雷电过电压的防护研究大多采用经验数据、电气几何模型法等研究方法，试图在设计阶段消除雷电过电压对架空输电线路的威胁。

　　然而大量的运行经验表明，即使在防雷设计阶段考虑了众多完善的防雷手段，由于防雷设计所采用的数据、方法、模型与投运线路的实际情况还有不少出入，导致实际线路雷击事故跳闸率与设计值存在误差，各种雷电过电压事故时有发生[2-4 ] 。因此，对已经投运的输电线路上所发生的雷电过电压类型进行准确辨识，为架空输电线路的防雷设计提供可靠的数据，对提高防雷设计效率十分必要。

　　文献[5 ]从继电保护的角度提出了对直流输电线路雷电绕击与反击的识别方法，该方法主要针对的是直流输电线路。文献[ 6 ]提出了磁带、磁钢棒等方式测量雷电流波形参数来实现对绕击和反击的识别，但是由于这些测量装置不能重复测量，获取数据的工作量大，需依据工作经验来做判断，易造成过电压识别的误判，漏判。文献[ 7-14 ]对雷电信号进行了深入的研究，提出了利用电流高低频能量比值、零模与线模分量比值、波前波尾最大斜率比值、波形一致性系数、模极大值等构成判据，实现对雷电干扰和短路信号的辨识。上述文献出发点是暂态行波保护，主要目的在于辨识雷电干扰对暂态行波保护的影响，而非对雷电过电压类型进行识别。目前，交流系统的雷电过电压类型的非现场识别方法研究仍是一个难点。

　　由于现有的变电站录播装置采样率过低(通常只有数十kHz) ，难以完整准确的记录雷电过电压波形(通常波头、波长时间都在μs 级) ，且未考虑TV 在过电压下的磁饱和特性，变电站录波装置是无法准确获取雷电过电压信号的。文献[ 15 ]提出了针对配电网的过电压模式识别方法，采用的是变电站内部过电压监测装置所获取的过电压信号。由于变电站内部结构复杂多样，雷电行波沿输电导线传输到变电站内部时，会发生多次复杂的折反射，使波形畸变失真。因此，对于雷电过电压类型的辨识，即使利用变电站过电压监测装置获取了真实可靠的变电站内部的过电压信号，也难以用于分析、辨识线路上所发生的雷电过电压类型。

　　基于上述考虑，本文从输电线路电流行波的角度，研究交流输电线路中感应、绕击、反击雷电过电压的发生机理、过程以及波头特征，提出了利用输电线路电流行波波头的时域特征量实现雷电过电压类型的辨识，为输电线路防雷设计、优化运行水平、线路维护等提供统计数据支持。由于采用了输电线路的雷电流行波作为分析对象，能有效避免雷电流行波在变电站内部的折反射所带来的影响。EMTP仿真计算表明，利用本文所提取的特征量能有效辨识雷电过电压类型。

　　1 　输电线路的雷电过电压发生机理

　　1. 1 　感应雷电过电压

　　雷云接近输电线路上空时，在架空输电线路上将感应出与雷云电荷量相等但极性相反的电荷，称为束缚电荷。当雷云对地放电时，由于云中电荷很快中和，束缚电荷被释放，在输电线路上感应出极性与雷电流相反的过电压。架空线上的感应雷过电压波形及其幅值与导线、雷电流参数等多个因素有关。

　　由于三相导线与雷击点距离基本相等，因此三相架空线上的感应雷过电压极性相同，波形相似，幅值相近。J ankov 在雷电流回击模型和耦合的Agraw2al 模型基础上 ，给出了架空线路感应雷过电压的幅值估计公式:

　　式中， ku = k3 h; h 为导线离地高度; d 为雷击点到导线的距离;系数k0 、k1 、k2 和k3 由雷电流特性决定。

　　1. 2 　反击雷电过电压

　　雷电流击中输电杆塔塔顶时，大部分雷电流沿杆塔流入大地，由于杆塔、避雷线波阻抗及接地电阻的存在，雷电流流过杆塔进入大地时，会在杆塔上产生很大的压降，使塔顶、横担的电位陡升。当绝缘子串两端所承受的电位差超过其冲击闪络电压时，绝缘子串发生闪络，导致输电线路发生接地故障。

　　雷电流作用于杆塔并发生反击包括杆塔电位升高和绝缘子串击穿两个过程，如图1 所示。当绝缘子串未被击穿时，除大部分雷电流沿杆塔入地外，少部分雷电流被避雷线分流。根据空间电磁耦合原理，输电线路中将耦合出一个电流行波。此时，输电线路通道中没有直击雷电流，只含有空间电磁耦合电流。当杆塔电位继续上升，导致绝缘子串击穿后，雷电流将注入输电线路。此时，输电线路中将会有大量的雷电流，较之前一阶段的空间电磁耦合分量，输电线路的电流将发生大幅跃升。反击发生时，杆塔电位升高和绝缘子击穿两个过程彼得逊等值电路如图2 所示。设杆塔波阻抗为Z1 、避雷线波阻抗为Z2 、接地电阻为Rg ， ，输电线路波阻抗为Z ， 雷电通道波阻抗为Z0 ， 雷电流为i。绝缘子串作用相当于等值电路开关S ，绝缘子串未击穿，S 未闭合时，输电线路波阻抗Z 中没有雷电流，绝缘子串击穿，S 闭合后，雷电流注入输电线路通道。

图1 　反击示意图

图2 　反击等值电路

　　1. 3 　绕击雷电过电压

　　雷电流直接击中输电导线时，由于大量雷电流注入，导致输电线路对地电压陡升。当绝缘子串两端承受的电位差大于绝缘子串冲击闪络电压时，绝缘子串发生闪络，导线通过杆塔对地放电。绕击发生时，雷电流首先直接作用于导线。因此绕击时导线的电流行波全部为雷电流分量，不存在类似反击的电磁耦合分量，其发生过程的示意图如图3 所示。

图3 　绕击示意图

　　绕击发生时，导线电位升高和绝缘子串闪络两个过程的彼得逊等值电路如图4 。绝缘子串作用相当于等值电路开关S ，绝缘子串未击穿，S 未闭合时，雷电流导致输电线路电位升高，杆塔、避雷线中没有雷电流;绝缘子串击穿，S 闭合后，雷电流通过杆塔入地。由于输电线路直接被雷电流作用，在绕击过程中输电线路雷电流中不存在电磁耦合电流分量。

图4 　绕击等值电路

　　由上述分析可知，当输电线路发生感应雷过电压时，电流行波为感应电流，三相基本相似;发生反击时，在绝缘子未击穿之前，电流为电磁耦合电流，击穿之后，线路电流由电磁耦合电流突变为直击雷电流。发生绕击时，线路电流为直击雷电流分量。

　　2 　输电线路的雷电过电压电磁暂态仿真

　　2. 1 　感应雷电过电压

　　本文采用EMTP 电磁暂态仿真程序对架空输电线路的感应、绕击、反击3 种雷电过电压进行仿真计算。图5 为220 kV 系统仿真模型。输电线路长为30 km。根据杆塔尺寸结构，采用文献[ 17 ]所提出的计算公式，得到杆塔分段波阻抗模型，如