基于雷电在线监测系统的新型雷电故障识别方法

杜怡娴

（河南新乡供电公司，河南 新乡 453000）

在高压输电线路中，线路距离长，跨度大，地理和气象条件复杂，易受雷击。运行资料表明，雷击是造成高压输电线路故障的主要原因之一。因此，判定雷击故障发生的次数和位置，识别雷击故障和普通短路故障，具有重要的理论价值和实际意义。

输电线路受到雷击后，按后果的不同，可以分为故障性雷击和非故障性雷击。不少学者对雷击故障的特征进行了分析，进而提出了雷击故障的判据。

[1]中识别雷击线路造成故障与未造成故障的方法是：雷击未造成故障时，雷击前后线路电流变化不大；雷击造成故障时，雷击前后线路电流变化较大。该方法的不足之处，是行波在母线处的折／反射，即使雷击已经结束，但行波过程还将持续一定的时间。这样就存在未造成故障的雷击虽己结束，但其引起的行波还未消失的可能；而且雷击故障后的行波可能过零，由于过零的行波很小，该方法可能视为“雷击前后线路电流变化不大”，从而发生误判。

参考文献[2]中的方法，只是针对感应雷击，尚未系统解决如何识别雷电干扰的问题，不够全面。

参考文献[3]以雷击未造成故障时，行波（暂态）信号中高频分量与低频分量能量比值大，而故障（包括雷击造成故障）时，行波（暂态）信号中高频分量与低频分量能量比值小，这一特征构成雷电波的识别方法。但如果线路发生雷击导线（绕击）并未引起故障时，行波信号中高频分量与低频分量能量比值也可能比较小，与故障时的情况较难区别。上述方法难以推广实用化。

为了解决这一问题，本文对避雷器地线上的电流特征进行分析，提出了判断雷击故障的可靠判据。

1 避雷器地线电流行波特征分析

1.1 避雷器在线监测系统特性

避雷器在线监测系统，是应用于高压电力系统中，用来监测避雷器放电动作的一种高压电器设备。其串联在避雷器低压侧，与避雷器配套使用，以监测避雷器接地线上泄露电流的变化和动作次数，并显示动作次数。避雷器在线监测系统适用于电力系统各种电压等级氧化锌避雷器、碳化硅避雷器的运行监测，能够有效区分普通短路故障和雷击故障，记录避雷器的动作次数。其构造由非线性电阻、电磁计数器和一些电子元件组成。在正常运行电压下，流过计数器的漏电流非常小，计数器不动作；当避雷器通过雷电波时，强大的工作电流使计数器计数一次，从而实现测量避雷器动作次数。

图1 双阀片式避雷器在线监测原理接线图

如图1所示。当避雷器动作时，放电电流流过阀片R1，在R1上的压降经阀片R2给电容器C充电，然后C再对电磁式记数器的电感线圈L放电，使其转动1格，记1次数。改变R1及R2的阻值，可使记数器具有不同的灵敏度。因R1上有一定的压降，将使避雷器的残压有所增加，故其主要用于40 kV以上的高压避雷器计数。

1.2 避雷器地线电流行波特征分析

变电站进线段发生雷击故障时，故障行波向变电站内传输，并可能导致避雷器动作。当发生非故障性雷击和普通短路故障时，避雷器良好的非线性特征，使通过避雷器地线上的电流行波幅值较小，而雷击故障时，电流行波的幅值较小。

由地线上电流行波的幅值，便可以构成雷击故障的可靠判据。判据如下所示：

2 判据电流分析

由概率性分析可知，对于110 kV及以上电力系统，50 kA及以上雷电流构成故障性雷击的概率为93.45%。因此可以以50 kA以上的雷电流计算避雷器地线电流判据的依据。

由变电站避雷器国家标准可知，避雷器为非线性元件其电压与电流的关系为

式中，

Uref是参考电压，通常取2倍避雷器额定电压，

p、q参数由避雷器的伏安特性数据来拟和确定。

由现场实测数据可知，当发生故障性雷击故障时，ig≥100 A。当发生其他类型故障时，ig≤100 mA。因此，可取50 A作为判别故障雷击的电流行波幅值判据。

3 仿真分析

图2 雷击仿真模型

为了检测该方法的可靠性及其准确性，论文搭建了EMTP仿真模型来对其进行仿真验证。仿真模型如图2所示。

3.1 仿真参数的设置

实际雷电流波形与幅值等诸多因素有关，本次模拟按规程取标准波形，即2.6/50 μs的斜角波。故障雷电流峰值设置为100 kA，非故障雷电流峰值设置为30 kA。因该避雷器计算器安装在220 kV及以上变电站，因此选取220 kV氧化锌避雷器（MOA）的额定电压为200 kV，MOA的伏安特性采用陡波下的伏安特性曲线，如表1所示。

表1 陡波下MOA伏安特性

变电站内的母线、连接线等均用单相分布参数线路表示，根据导线的型号和悬挂高度，用ATP中建立线路模型。站内母联和站内主变连接线的引线型号为2×LGJQT-1400/135，分裂间距为400 mm，分裂导线水平排列；站内出线的引线型号为2×LGJ-300/40，分裂间距为400 mm，分裂导线水平排列。变电站内其他电气设备在雷电波作用下，都可用入口电容表示，220 kV敞开式变电站站内电气设备的入口电容如表2所示。

表2 220 kV敞开式变电站站内电气设备入口电容

3.2 仿真结果及其分析

按照上述参数，在ATP仿真软件中，在进线段模拟故障性雷击、非故障性雷击和单相短路故障，仿真波形如图3～图5所示：

图3 雷击故障时避雷器地线上的电流

图4 系统短路故障时避雷器底线上的电流

图5 非故障性雷击时避雷器地线上的电流

由图可知：在变电站进线段发生雷击故障时，避雷器动作，其地线电流峰值可达到10 kA，并具有较大的斜率；在变电站进线段发生非故障性雷击故障时，避雷器地线上的电流极小，其峰值为1.9 mA左右；在变电站进线段发生普通短路故障时，避雷器不动作，因此避雷器地线上的电流极小，其峰值为1.1 mA左右。

由上述仿真可知，该方法可以准确识别故障性雷击故障。

4 结束语

在现有的避雷器在线监测系统的基础上，本文提出了基于该套装置的识别雷电故障和短路故障的新方法。对避雷器地线上的电流特征进行了分析，提出了区分雷击故障和普通短路故障的判据。本方法有以下特点：一是基于现有的设备进行雷击故障识别，不需要增加新的测量设备，成本低；二是判据简单，算法复杂度低，实用性好；三是判断准确性高。

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