避雷器雷击电流波形参数检测方法及其应用

王庆华+曹立波+陈其平+陈玲强

摘 要：文章提出一种检测避雷器雷击电流波形特征参数的方法，其波形参数在避雷器安装现场提取，所述特征参数包括雷击冲击电流波形的幅度、宽度、冲击间隔和冲击个数。讨论雷击冲击电流波形特征参数的两种潜在应用：（1）用于分析雷击强度、雷击次数对避雷器劣化的影响；（2）用于对配送网行波定位误差进行标定，提高故障定位精度；（3）用于对配电线路中的雷击电流波形和短路电流波形进行区分，提高输电线路行波保护的可靠性，描述了相应的物联网实现架构。

关键词：雷击电流波形；避雷器劣化；行波保护；配送网故障定位

中图分类号：TM863 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）03-0067-04

Abstract： This paper presents a method for detecting the characteristic parameters of lightning surge current waveform of arrester， whose waveform parameters are extracted from the spot of lightning arrester installation. The characteristic parameters include an amplitude， a width， an impact interval and a number of shocks of a lightning impact current waveform. Two potential applications of characteristic parameters of lightning impulse current waveform are discussed： 1） to analyze the influence of lightning strike intensity and lightning stroke number on lightning arrester deterioration； 2） it is used to calibrate the location error of traveling wave in distribution network to improve the accuracy of fault location； 3） it is used to distinguish the lightning current waveform from the short-circuit current waveform in the distribution line， and to improve the reliability of the traveling wave protection of the transmission line. The corresponding implementation architecture of the Internet of things is described.

Keywords： lightning current waveform； lightning arrester deterioration； traveling wave protection； distribution network fault location

前言

行波保护的核心问题是对输电线路中出现的非故障雷击放电（非线路故障）和线路击穿放电（线路故障）进行区分，以避免非故障雷击放电导致行波保护机构误动作，只对线路击穿放电进行保护[1]。非故障雷击放电和线路击穿放电进行区分的方法包括时域法线路故障识别[2][3]和频域法线路故障识别[4～7]。文献[2～7] 是以特高压输电网为对象讨论行波保护，将输电网行波保护的原理和技术用于配电网行波保护是行波保护的一个发展趋势。

利用行波的传输时间实施配电网故障定位首先在特高压输电网为应用场景[8]，在2000年之后，出现了针对配电网的行波故障定位研究[9]，如何改善配电网的行波法故障定位精度是需要进一步研究的课题。

目前，避雷器劣化监测技术在统计避雷器遭受的雷擊次数环节存在的缺点是，只简单地统计雷击次数，不获取避雷器雷击电流的幅度和冲击电流个数，因此，不能准确得到雷击强度、雷击次数对避雷器劣化的影响规律；行波保护技术存在的缺点是，所使用的雷击电流波形是通过对输/配电线上行波的测量获得，没有使用避雷器雷击电流的波形，而通过对输/配电线上行波的测量获得的雷击电流波形必然包含线路干扰，该干扰会降低区分线路故障与非故障雷击放电的准确度；行波法故障定位存在的缺点是定位误差大，特别是对配电线路，其误差难以满足实际需要。

检测避雷器的雷击冲击电流波形特征参数，将该波形特征参数用于避雷器劣化监测、行波保护和配电网故障定位，既可以准确得到雷击强度、雷击次数对避雷器劣化的影响规律，又可以提高区分线路故障与非故障雷击放电的准确度，还可以提高故障定位精度，这是本文的出发点。

1 避雷器雷击电流波形参数检测方案

雷电流波形的测量是研究雷电的主要内容之一，因为一旦知道雷电流波形，我们就可得到有关雷电流的参数，如峰值、最大电流上升率、峰值时间。

为了对雷电流进行研究分析，可以用简练的数学表达式来描述典型雷电流波形。Bruce和Golde等人于1941年提出了地闪回击电流的双指数表达式：

为了测量得到雷电峰值和宽度，采用罗氏线圈进行采样，罗氏线圈也叫微分线圈、空气线圈，因为没有磁芯，故不存在饱和、磁滞等问题，也不会产生涡流，所以频率特性很好，因此非常适合进行雷电流信号的采样。endprint

雷电流峰值，脉宽测量电路实现见图2电路仿真设计实现

信号源V2加载matlab生成雷击波形文件，进行雷电流波形发生，前端采用精密绝对值电路进行波形翻转，主要由U4来完成，将信号送入峰值检波电路进行峰值采样，通过U2比较器来进行峰值波形一半的雷击波形脉宽检测，R6提供一个预偏置，使得输出为0。

2 避雷器雷击电流波形参数应用举例

目前，用于避雷器在线监测的物联网[10]功能单一，没有综合实现避雷器劣化监测、配电网行波保护和配电网故障定位的能力，通常包括采集器、信號传输装置和显示报警装置。其中，采集器包括：电流计、电压计、放电计数器。所述电流计、放电计数器与避雷器分别采集避雷器的泄压电流和放电次数。其电流计是对泄漏电流采集，不对雷击电流采集，其放电计数器只对雷击放电次数进行计数，不检测雷击电流的波形。

一种实现雷击电流波形参数用于避雷器劣化监测、配电网行波保护和配电网故障定位的物联网架构如图4所示。该物联网包括避雷器监测子系统、行波保护子系统、故障定位子系统、无线接入子系统和云端处理子系统。其中，避雷器监测子系统包括：避雷器泄漏电流采集模块、雷击冲击电流波形参数检测模块和无线传输模块；无线传输模块将避雷器泄漏电流和雷击冲击电流波形参数发送给云端，并且通过低时延数据传输通道将雷击冲击电流波形参数发送给行波保护子系统。

行波保护子系统包括：线路行波检测模块、行波类型识别模块、保护驱动模块和低时延数据传输模块；低时延数据传输模块为行波类型识别结果和雷击冲击电流波形参数提供低时延传输通道，实现对线路故障的快速识别和快速保护。

故障定位子系统包括时间同步模块、行波到达时间检测模块和故障位置估计模块；通常，时间同步模块和行波到达时间检测模块位于线路现场，故障位置估计模块位于云端。

无线接入子系统包括：低功耗低速率无线传输模块、无线路由器；低功耗低速率无线传输模块可以使用NB-IOT或Lora实现。

云端处理子系统包括：避雷器劣化分析模块、线路故障定位模块、电力线行波保护管理模块和线路维护指导模块。

2.1 避雷器雷击电流波形应用于避雷器劣化程度判断

目前对雷击信息的采集[10]，是对雷击次数的统计，没有检测雷击电流波形参数，要准确掌握雷击对避雷器劣化的影响，需要获取包括幅度、冲击宽度、冲击个数、冲击间隔在内的雷击电流波形参数。

分析雷击对避雷器劣化的影响，基本方法是使用无雷击劣化曲线作为避雷器劣化基准曲线参照，与承受雷击应力的避雷器的劣化曲线进行对比。

第一步，选取没遭受雷击的避雷器作为对照样本，获取无雷击应力作用的避雷器的阻性电流的大小及随时间的变化曲线；以此曲线作为基准，对比雷击应力的影响。

第二步，选择与对照样本相同型号、相同工作时间的避雷器，按照泄漏电流大小分类、相同泄漏电流下，雷击应力作用规律的统计分析。

具体地，按照雷击应力大小分类、相同雷击应力下，泄漏电流分布规律统计。

雷击应力采用波形恢复法，按照定波形参数重构雷击电流波形，对重构的雷击冲击电流波形进行面积计算，将雷击冲击电流波形面积作为雷击应力。

2.2 避雷器雷击电流波形应用于线路故障识别

行波保护具有快速动作性能。此外，行波保护还具有不受过渡电阻、电流互感器（TA）饱和、系统振荡和长线分布电容等影响的独特优点。文献[11]指出，行波保护的动作时间主要包括：（1）算法时间，超高压线路一般从几十km到几百km，而积分时间是选择行波在最短的线路上一个来回的传播时间，因此一般不会超过2ms，实际算法用1ms左右的数据窗；（2）通道传输时间，两侧保护判断出故障方向后，只需传输判断结果0（反方向）或1（正方向）一个字节即可，所需时间也在1ms左右。因此，即使加上其他的时间延迟，保护最多在5ms之内即可出口。但是，由于电网中存在避雷器产生的放电冲击电流，该冲击电流会干扰对短路冲击电流的识别，因此，对基于行波或暂态量的保护来说是必须解决的问题。准确快速区分线路短路故障产生的行波与雷击冲击产生的行波，对提高输电网和配电网行波保护准确度都有重要意义。

在雷电干扰与短路故障的识别的研究中，无论是时域法[2][3]还是频域法[4～7]，都没有利用避雷器接地端的雷击波形作为进一步提高短路故障识别率的手段。文献[3]给出的积分法识别非故障雷击时电流波形、故障性雷击时的电流波形和短路故障时的电流波形这三种波形的方法，根据二者的相对比值大小构成识别故障与非故障性雷击的主判据；其二，利用两个积分值的差构建辅助判据以提高故障性雷击和非故障性雷击识别的可靠性。

如果借助避雷器接地端的雷击波形的信息，就会简化对波形的识别过程：

情况一、当没有接收到避雷器接地端的雷击波形的信息时，则线路上检测到的行波暂态波形就是短路故障时的电流波形。

情况二、当接收到避雷器接地端的雷击波形的信息时，则线路上检测到的行波暂态波形只有两种可能：为非故障雷击时电流波形或故障性雷击时的电流波形。只要使用避雷器接地端的雷击波形与线路上取得的波形进行相关运算，根据相关性大小即可区分判非故障雷击时电流波形或故障性雷击时的电流波形。

此外，文献[3]指出，非故障性雷击的波形特征是基于行波的折反射理论，而母线结构对行波的折反射产生影响，进而可能影响到对雷击的识别。若母线M上仅有电源支路和被识别线路（如母线N），由于电源的波阻抗远大于线路的波阻抗，反射系数接近1，仅依靠母线杂散电容只能检测到微弱行波。另外，在此情形下无折射波的出现，此时判据将会失效。对此问题，如果利用避雷器接地端的雷击波形信息，可以在文献[3]给出的判据失效的情况下使用上述情况二所述的方法非故障雷击时电流波形或故障性雷击时的电流波形。endprint

2.3 避雷器雷击电流波形应用于线路故障定位

由于配电网在拓扑结构和负载变化上比输电线路更为复杂，配电网上行波的传播形式也更为复杂，因此，要实现有使用价值的故障定位精度，配电网在距离估计上需要采取更多的技术措施。在传统的故障定位研究中，雷击电流冲击被当作故障定位的干扰，本文则提出使用雷擊电流冲击波形对行波故障定位系统进行误差标定，从而提高行波定位系统的定位性能。

用雷击电流冲击波形对行波故障定位系统进行误差标定的原理是：使用雷击冲击电流的行波进行到达时间测量，将测得的到达时间转换为距离确定雷击波形的位置坐标，将该位置坐标与已知的避雷器的安装位置坐标进行比较，获取位置偏移量，使用该位置偏移量进行如下两项分析：

（1）进行故障定位精度判定，即通过对多个避雷器放电行波的定位，结合避雷器的实际位置，统计得到行波定位的统计误差。

（2）进行定位误差的标定，通过对已知位置坐标的避雷器的放电行波的定位，确定定位模块对到达时间的估计值的误差，并根据该误差对定位模块的到达时间估计值进行修正，使得定位模块在对短路故障定位时能够获得较好的定位精度。

3 结束语

雷击电流波形参数的检测可以获得较完整的波形信息，比现有的雷击计数具有更广泛的应用。支持避雷器劣化监测、行波保护和配电网故障定位的物联网架构所提供的云端信息综合能力可以实现系统的综合优化。使用雷击电流波形参数提高配电网的行波保护性能和配电网故障定位性能，还需要完善实现方法和开展现场测试工作。

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