基于过电压在线监测的电网防雷技术研究

彭家从　余敏　郭鹏程

【摘 要】现代电力系统中雷电过电压对电力设备的威胁较大，尤其是目前线路通过提高爬电比距等方式使得防雷技术不断提高的情况下，雷电过电压对电网中变电设备威胁越来越大。本文分析了电网遭受雷击的原因，阐述了电网防雷的原则，最后提出了一种新型的基于过电压在线监测的电网防雷技术。

【关键词】过电压；在线监测；电网防雷

雷电放电是带电荷的雷云引起的放电现象，当空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度时就会形成雷电。现代电力系统中雷电过电压对电力设备的威胁较大，尤其是目前线路通过提高爬电比距等方式使得防雷技术不断提高的情况下，雷电过电压对电网中变电设备威胁越来越大。长期以来，电力行业的同行一直在寻找避免电网遭受雷击之苦的途径，但是业内一些通用的防雷技术手段虽有成效却并不理想。本文提出一种过电压在线监测的新技术与新方法，也可以为现场过电压故障的监测、诊断提供有效的技术支持，尤其是对于多雷、多雨地域的雷电危害进行有效监测，为雷电防护决策起到很好的辅助作用，十分有利于提高电网可靠性与经济性。

1.电网遭受雷击的原因分析

电网雷击通常有架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入电网和雷直击于变电所的设备上这两种情况。 当电网中的电气设备处于电网的额定电压作用之下，由于雷击原因供配电系统中某些部分的电压会超过正常状态下的数值，这就是过电压。变电站遭受的雷击是下行雷，架空线路的感应雷过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。

雷云直接击中电力装置时，雷电流在电力装置上产生较高的电压，这就会产生有破坏作用的机械效应和热效应。当雷云在架空导线上方，在雷云对大地放电时，电网中就会形成的自由电荷流向线路的两端，产生很高的过电压。它会对电力网络造成危害，若不采取防护措施，就会造成电网中电气设备的损坏，从而引发严重事故。因此，研究雷电过电压对变电站进线及变压器的破坏的防护显得十分重要。

2.电网防雷的原则

2.1及早谋划、提前防范

我们要加强对供电区域内各类电网及输、配电、专变站区防雷过电压专业管理和技术监督，加大对输电设备防雷设施检修和技改，并采取输电线路规范化管理等措施，有效防止过电压对电网设备造成的危害。

2.2全面检查线路

我们要建立定量化的输电线路防雷评估分析系统，取代传统的粗放式防雷决策手段，具有明显的适用性和精细度。电从绝缘子顶部的导电部到底部的支撑金属部沿绝缘子表面的爬行路径的长（cm）与工作电压（KV）的比值就叫爬电比距。我们要结合地方气候特点，对输电线路防雷保护设施进行全面检查，对不符合规程要求的接地装置和接地电阻及时处理，绝缘子爬距达不到要求的，列入技改及时整改。

2.3做好避雷器安装工作

避雷器通常接于带电导线与地之间，与被保护设备并联。它能释放雷电或兼能释放电力系统操作过电压能量，截断续流、保护设备绝缘，保护电工设备免受瞬时过电压危害，从而保障电网正常供电。避雷器必须安装在配电台区各路出线的首端，以确保能够保护配电柜内全部配电设备。我们要尽快制定避雷器安装计划，并组织安装。

3.基于过电压在线监测的电网防雷技术

基于过电压在线监测的电网防雷设备由依次连接的信号调理保护电路、电压互感器、数据采集卡以及工控机构成硬件系统组成。首先，我们采用工控机来采集数据和过电压信号，然后根据电压互感器、信号调理保护电路的电压传递函数，进行快速反演还原计算，最后通过与数据库中存储的各种类型的过电压特征进行比较，判别过电压的类型。基于过电压在线监测的电网防雷技术实现简单，能够实时捕捉以及存储电网中的暂态过电压波形，为电网故障分析提供可靠数据。

3.1基于电压传递函数的反演数值算法

传递函数是指自动控制装置对被测控量进行的变换和调制，从而实现控制目的。电压增益是电压指经过某控制单元后被放大的倍数。放大器的增益与输出功率没有关系。电压增益高说明放大器的灵敏度高，只要较小的推动信号就能达到额定输出。输出功率的大小，取决于放大器设计时的额定输出功率，与所用的放大器结构、电源电压、负载阻抗等因素有关。电压互感器（PT）是一个带铁心的变压器，由一、二次线圈、铁心和绝缘组成，通过改变一次或二次绕组的匝数，产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。我们可以通过建立基于递归卷积的PT一次侧过电压信号的数值反演计算模型，依次连接的PT、数据采集卡、工控机构成硬件系统以及信号调理保护电路。然后我们在实验室进行设备实测，根据PT的电压传递函数进行快速反演还原计算，对模型进行验证。

3.2建立电压互感器及其测量系统宽频模型

网络频谱分析仪具有宽频带、高灵敏度、高精度、快速测量等特点，采用了全数字中频处理、全自动频谱识别与实时校准、宽带微波毫米波集成等多项创新技术，性能优异，环境适应性强。它采用了模块化、标准化的设计思想，可调试性、可维修性以及可靠性有较大幅度提高，增强了各个功能模块的互换性。我们可以利用网络频谱分析仪测量电压互感器、二次电缆和分压器的散射参数，由散射参数计算得到设备的二端口网络传输参数，用矢量匹配法对得到的传输参数进行有理函数逼近。当发生雷击事故时，如电源防雷模块遭到损坏，我们可以在后台监控机上就能显示其状态，并且在控制、通讯接口处加装浪涌抑制器。

3.3实施方案

首先，我们采用频谱网络分析仪测量互感器的二端口散射参数，确定其传递特性。其次，我们用高频数字示波器同时测量互感器输入、输出端口的时域电压波形，验证所建立模型的有效性。再次，我们采用工频试验变压器测量互感器的饱和特性。最后，我们应用频谱网络分析仪测量二次电缆的线路参数，测量二次电缆的传播特性。

4.结束语

电网是电力系统防雷的重要保护设施，完善电网的防雷措施十分重要。基于过电压在线监测的电网防雷技术是一种结构简单、测量准确的新型过电压在线监测系统方案，它可以实时记录和保存电力系统中发生的各种过电压事故的数据，为运行人员分析事故原因提供科学、可靠的依据，具有重要的科学研究意义。

【参考文献】

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[2]曾繁春，陈加清，王盼.冲击泄流时接地体周围电势分布的FDTD分析[A].2009年全国天线年会论文集（下）[C].2009.