超高压线路雷电干扰的识别

郭滨钊 陆 浩 姜海波 武万晓 高 璐

（1.河南省夏邑县供电局，河南 夏邑 476400；2.贵州大学电气工程学院，贵阳 550003；3.华北水利水电学院电力学院，郑州 450011；4.内蒙古东部电力有限公司，沈阳 110180）

1 引言

我国线路运行的大量统计数据表明，无论是高压还是超高压的输电线路，雷害故障仍然占线路故障的 40%～70%。输电线路的防雷保护大体上经历了四个发展阶段。第一阶段（1930年前）是以防止感应雷为主的阶段。最初，线路电压等级很低，感应雷引起的雷害事故是线路防雷的主要矛盾。因此，为了减少相导线上感应过电压，在输电线路上加装了避雷线。第二阶段（1930－1950年），以防止直击雷为主的阶段，也是雷电参数得以系统归纳设计的时期。这一时期逐步明确了对 110～220kV 高压线路来说，直击雷是主要矛盾，并提出了直击雷防护计算方法。在此期间，各国进行了大量的雷电观察，提出了用行波理论来计算绝缘子串两端电压的方法。第三阶段（1950－1962年左右），是由美国OVEC-345kV 线路异常高的闪络率所引起的争论和对以前的防雷计算方法和数据进行重新估价的时期。这场争论极大地推动了线路防雷研究工作的进展，使理论分析、现场测试、模拟试验和运行经验的积累等方面的工作都有了很大的提高。第四阶段（1962年前后至今），为模拟试验、现场实测、概率统计方法和计算机综合使用的阶段。

2 输电线路的感应雷和直击雷

2.1 雷电流的特点

雷击发生时，雷电流的波形和大小跟许多因素有关，主要有地理位置、地质条件、季节和气象。其中，气象情况具有很大的随机性，因此雷电流的大小和波形也有很大的随机性。实测表明，不同雷击时，尽管雷电流的大小和波形存在很大差异，但都是单极性的脉冲波，而且多次观测所拟合出的曲线近似于一双指数曲线，如图1所示。

图1 雷电流的标准波形

其表达式为

式中，0i为某一固定电流值；α、β为两个常数；t为时间。

2.2 输电线路的直击雷和感应雷特点

雷电是雷云间或雷云与地面物体间的放电现象。前者称为云闪，后者称为地闪。地闪对电力系统，特别是输电系统造成威胁，使绝缘击穿，造成相与地或相与相间短路，引起停电事故，给国民经济带来严重损失。直接雷击及雷电感应产生的过电压冲击波幅值高达几百千伏，沿输电线路流动，侵入发电厂或变电站内，使发电机、变压器等重要电气设备遭受破坏；严重时还危及人们的生命安全。为此，对雷电活动及其防护问题一直引起人们的关注。

输电线路上的雷电过电压按其形成分两种情况：一种是雷云直接击于线路（包括导线、杆塔，或许还有避雷线），在其上产生危害绝缘的电压，称为直击雷过电压；另一种是雷击输电线路附近地面，在输电线路的三相导线上，因感应而出现的高电压，称为感应雷过电压。

在雷电高频干扰下，现有的各种暂态保护判据都有可能出现误判。因此，研究和识别输电线路的雷击暂态特征对研制基于暂态量的保护及提高其可靠性都具有十分重要的意义，它也是暂态保护走向实用化不可避免地要解决的一个问题。

对于暂态保护来说，除了直击雷会造成严重影响外，感应雷击同样会在线路上产生高频的暂态量，而且由于其发生的频率高，所产生的危害甚至比直接雷电冲击更严重。雷电直击、反击跳闸一般雷电流较大，如500kV典型杆塔反击耐雷水平可达125～175kA。雷电反击一般有下列特征：①多相故障一般是由直击引起；②水平排列的中相或上三角排列的上相故障一般是由雷电反击引起；③档中导地线之间雷击放电(极为罕见的小概率事件)的，一般是由雷电直击、反击引起；④一次跳闸造成连续多杆塔闪络的，有可能是雷电直击、反击引起。雷电绕击导线引起绝缘闪络对应的雷电流幅值较小，如500kV线路绕击耐雷水平为22～24kA，220kV线路为12～14kA，110kV线路为5.5～7kA。

3 输电线路感应雷和直击雷的识别

发生输电线路直击雷时，关键在于识别出感应雷的暂态过程。然而，简单地利用单一尺度上的能量难以可靠地将其识别。位置等因素有很大关系，过渡电阻越大，该部分能量越小。因此，必须结合高低频带上的能量分布特征进行综合分析。

本文对感应雷击仿真的方法就是直接在F点加一个控制源为雷电流的受控电流源，模拟故障性雷击的主要思路是考虑在上述雷击事件后立刻产生一个短路故障，如图2所示。同时，采用如式（1）标准双指数方程来模拟雷电流。

图2 控制源为雷电流的受控电流源

图3 500kV输电线路模型

图3为一条长度为280km的500kV的高压输电线路。在仿真实验中，以输电线路在距母线 M 的105km处发生雷击故障为例。对于感应雷击取10kA，而对于故障性雷击则取 30kA，仿真时间15ms，雷击故障发生在3ms时，仿真时采样频率100Hz。仿真系统线路参数：R1=0.02083Ω/km；R0=0.1148Ω/km；L1=0.8984mH/km；L0=2.2886mH/km；C1=0.01291μF/km；C0=0.00523μF/km；电抗器参数：XL=1680 mH；XN=434mH。用Matlab中的小波分析分析仿真结果，一般用Matlab内带的odel5进行数值计算，它在解决某些病态方程组时有较好的表现。对暂态信号采用Db4小波进行5尺度分解，可以得到分析结果如图4、图5所示。

图4 感应雷电流波形与小波分析结果

图5 直击雷电流波形与小波分析结果

设对信号f(t)进行M层分解，原信号的能量可分解为各尺度下子频带的能量之和

式中，C0为‘0’级尺度系数，dj为j尺度下的小波系数，n为系数个数。

小波变换是在尺度空间上对电流和电压能量的划分，多尺度能量统计分布能同时反映暂态电流或电压频率空间的能量分布特性信息，不同种类的暂态信号，它们在时频分布上是有区别的。因此，多尺度能量统计分布能从统计意义上反映不同暂态的特性，具有一定的特征提取能力。我们用能量统计法，对图4、图5的多分辨率分析的结果进行能量统计，由（3）式可得到某时间段内沿尺度分布的暂态信号能量和，对于最后统计数据，建立表1如下。

表1 暂态电流的能量分布

在高频段上，虽然雷击输电线路时暂态电流附加分量所含的高频能量比接地故障时的要高很多，但它受所注入的雷电流幅值影响很大，当雷电流幅值减少时，它也将大为减少；而且仅利用高频能量也难以区分感应雷和直击雷这两种情况。在中低频部分（a5的输出），尽管有故障发生时（包括直击雷和短路故障）的能量要远高于感应雷时的情况，但是其大小也跟过渡电阻、故障位置等因素有很大关系，过渡电阻越大，该部分能量越小。因此，必须结合高低频段上的能量分布特征进行综合分析。

通过上述对图4、图5和表1的分析发现，在小波变换多分辨率分析的基础上，提取暂态电流附加分量高、低频段上的能量比构成判据，可实现输电线路非故障性雷击的识别。这里首先给出能量比k的表达式

式中，ijdm为暂态电流附加分量在尺度J上高频分量第m个点的输出；iam为暂态电流附加分量的中低频分量第m个点的输出；N为所取时间段所对应的采样点数。

显然，当发生感应雷击时，比值k较大，反之则较小。当高频能量取d1～d5，而中低频能量取5a时，由表1算出这两种情况的k值分别为：2.222和0.026，可见它们的区分度是很明显的。因此，可以给出发生感应雷击的判据为

式中，k0为设定的门槛值，其大小跟高、低频能量所取的频率范围有关。在实际计算中，只取次高频分量（d4～d5）进行计算。这是因为直击雷时，由于绝缘子的闪络，雷电波必然会被截断为作用时间更短的截断波，使其产生的暂态电流附加分量在最高频段上（d1～d3）的能量含量要比感应雷击时的高，如果取这部分的能量进行计算将会降低判据的灵敏度。

仍以图3所示系统为算例模型进行Matlab仿真计算。在仿真计算中，考虑了不同条件下的雷击，并且雷电能够发生绕击和绝缘子闪络这两个条件，对于感应雷击分别取15kA和10kA，而对于直击雷则取30kA和50kA。表2列出了部分仿真结果，其中，EH表示d4～d5所对应的高频能量，EL表示a5对应的低频能量。

表2 各中暂态过程所对应的k值

从表2可见，在不同雷电参数下，各种暂态过程所对应的EH和EL值变化范围都很大，而且相互间存在交集，仅利用EH或EL值难以可靠区分不同的暂态过程；而它们的比率k，尽管也会随条件的不同而发生变化，但还是保持着明显的区分度：发生感应雷击时k值都较大，最小值为1.848；而直击雷时，k都比较小，最大为0.031。显然远小于感应雷击时的k值。由此可见，所提出的判据能够有效、可靠地实现雷击的识别。

根据以上的分析可知，利用高、低频段上的能量比作为指标，一方面可以放大不同暂态过程间的差异，另一方面受雷电参数和故障条件的影响也较小，可用于实现感应雷和直击雷二者暂态过程的可靠识别。

4 结论

本文就输电线路的雷电干扰问题进行了全面、系统的研究。分别对输电线路感应雷干扰和直击雷干扰的暂态过程及其对暂态保护的影响进行详细的分析；在比较各自所具的暂态特征的基础上，提出相应的识别判据；并对判据作出详细的理论推导和分析；最后利用Matlab进行仿真计算，以验证所提判据的有效性。所提出的输电线路感应雷和直击雷识别判据可作为各种暂态保护的附加判据，大大提高其抗雷电干扰能力。

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