10 kV运行配电线路雷电感应过电压波形在线监测

王建国，王守鹏，蔡力，孔争，樊亚东

(武汉大学 电气与自动化学院，武汉 430072)

0 引 言

雷电过电压是配电线路故障及电气设备损坏的主要因素之一[1-2]。配电线路一般自身绝缘水平比较低，通常无避雷线保护，且配电线路走廊密集、靠近用户侧，发生故障会直接影响用户用电，因此配电线路雷电过电压带来的危害不容忽视[3]。

目前，对雷电过电压的研究大多是利用ATP-EMTP等软件进行仿真建模分析，计算雷电过电压[4]。另外，Borghetti通过实验室缩比模型模拟线路环境，研究配电线路雷电感应过电压[5]。

虽然仿真和缩比模型可以反映雷电过电压机理、影响因素和传播过程，但其局限性明显。实际配电线路远比仿真模型复杂，配电线路周围的环境也并非理想环境，配电线路雷电感应过电压观测仍具有重要意义。

国外学者在80年代便开展了配电线路过电压观测方面的研究。1982年，Eriksson观测了9.9公里长的单回配电线路的雷电感应过电压，指出线路绝缘配合必须考虑感应过电压的影响[6]。日本横山茂观测了820 m不带电的配电线路雷电感应过电压，指出感应过电压极性与雷电流极性相反[7-8]。Master和Michishita等人也观测了几百米长度测试线路的感应电压，积累了宝贵数据[9-10]。

90年代美国Uman等人开展了近距离配电线路感应过电压的研究，分析了感应过电压特点[11-13]。Barker等人针对一条不带电线路进行了观测，他们发现幅值几千安到几十千安的电流在线路上引起感应过电压的幅值从8 ～100 kV不等[14]。Rachidi等人对比了感应过电压的计算结果和观测结果[15]，得到了较好的一致性。

国内配电线路过电压观测虽然起步较晚，但近些年进展明显。周蜜等人观测了220 V低压线路自然闪电引起的感应过电压，研究了SPD对过电压波形的影响[16]。蔡力等观测了广州从化地区火箭引雷及其配电线路感应过电压，结合雷电定位系统研究了雷电距离与感应过电压的关系[17]。重庆大学开展了110 kV变电站过电压在线监测研究等[18-19]。

本文主要介绍配电线路过电压在线监测系统，并分析2016年7月、8月和2017年7月佛山10 kV富油甲线实测过电压波形特征及参数统计，可为配电线路的雷电防护提供参考。

1 配电线路过电压在线监测系统

配电线路过电压在线监测系统是用于监测配电线路相导线过电压的系统，系统基于网络技术、高速采样技术、图形化技术、数据库技术等技术构造，用于配电线路雷电过电压、内部过电压及电磁暂态的观测，具有高速采集、大容量记录存储、数据传输、图形化显示、数据保存、数据分析及报表生成等功能，如图1所示。

图1 配电线路过电压在线监测系统

1.1 系统硬件

配电线路过电压在线监测系统安装在配电线路杆塔上，由就地观测站以及远端服务器组成。就地观测站由高压侧分压器、传输电缆、工控机、高速数据采集卡、通信模块、太阳能供电电池板、蓄电池组等组成，观测站主要由高压侧分压器(分别接A、B或C相)经同轴电缆接入工控机的采集卡中。

太阳能电池板经控制器接入蓄电池组和负载(通信模块和工控机)。工控机在软件控制下，将采集的过电压数据实时传输到远端主服务器。远端主服务器可以对就地观测站的监测参数进行实时配置，并能实时获得线路过电压数据。如图2所示。

图2 系统原理图

10 kV配电线路过电压在线监测系统具有良好的波形响应、记录和远程传输特性，能够在野外环境下长期稳定运行。系统采样频率为10 MS/s(每秒10 M个采样点)，这是因为配电线路过电压包括雷电过电压和内部过电压，雷电过电压波头较陡，需要较高的采样频率和频率响应，而内过电压频谱较宽，通常几十到几千赫兹，在较高的频率下完整采集一个周期则需要较大的存储深度。

监测系统的测量误差经过高电压试验进行了校准，与高电压试验大厅测量系统进行比对，冲击电压测量幅值响应误差为2.1%。

1.2 系统软件

配电线路过电压在线监测系统采集软件是基于图形化编程语言环境开发的，监测软件包括就地观测站软件和主服务器接收软件。

就地观测站监测软件实现过电压波形的自动采集，保存达到触发电平的过电压信号，在与主服务器连接的状态下实时传输给远端主服务器。传输完成后，数据会自动删除，使就地监测装置保持良好的硬盘存储空间及运行速度，软件界面如图3。

图3 就地观测站软件界面

主服务器软件能够同时接收来自多个就地观测站的数据，将数据存储并显示在主界面上。主服务器会根据连接的就地观测站名称，在指定路径下自动建立相应的文件夹，主服务器接收软件主界面可以对传输的数据进行任意通道查看、局部波形展开等操作，软件界面如图4。

图4 主服务器接收软件界面

2 雷电感应过电压观测结果

2.1 观测线路

为验证过电压在线监测系统的有效性，在广东电网公司佛山供电局10 kV富油甲线开展了雷电过电压波形观测。10 kV富油甲线与富油乙线同杆架设，架空线路全长1 544 m，电缆全长1 860 m，10 kV专用变压器4台。

10 kV富油甲线由24基杆塔组成，其中铁塔6基，水泥杆18基，富油甲线无支线。配电线路过电压监测装置安装在5号耐张杆塔上，如图5所示，方框代表铁塔，圆圈代表水泥杆。变电站与1号铁塔以及24号铁塔与配电房之间为电缆。

图5 富油甲线位置

10 kV富油甲线和富油乙线互相平行，线间距约为1 m，两者都是三相导线垂直排布，其中A相位于最上方，C相位于最下方，导线间隔约为0.7 m，两条线路均没有架设避雷线，且没有安装避雷器。

富油甲线处在丘陵与平原交界处，周围地势变化大，周围自然雷击概率较大，观测时间选在雷电活动较为频繁的夏季。观测对象为10 kV富油甲线最上方的A相和最下方的C相。

2.2 观测数据

过电压在线监测系统分别在2016年8月、9月和2017年7月连续运行，在3次雷暴过程期间记录到17次感应雷过电压，3个月记录的总回击次数为80次，如表1所示。记录时间表述方式是，20160815184127是在线监测系统于2016年8月15日18点41分27秒记录到过电压。

表1 富油甲线过电压记录情况

表1可以看到，17次观测结果中，回击次数最少的是1次，次数最多的是10次，平均次数为4.7次。最大过电压幅度最大值为23.54 kV，其中最小值为1.33 kV, 平均值为4.94 kV。

2.3 感应过电压波形

以2017年7月26日18点02分42秒记录到的一次过电压为例，富油甲线观测到的过电压最大幅值可以达到23.54 kV(如图6)。

图6是采用50 Hz陷波技术滤去了50 Hz工频电压波形的雷电感应电压序列波形，可以看到，A、C相雷电感应过电压有明显的序列特征，每一次过电压对应自然雷电的一次回击过程，A、C两相每次回击对应的感应电压脉冲具有近似相同的发生时间和回击时间间隔，时间间隔从最小几十毫秒到最大数百毫秒。

图6 滤除工频后三相电压波形

图7、图8分别为A相和C两相对应每次回击的过电压放大波形图，可以看到，两相感应出的过电压波形具有类似的特征，表现为波头时间短，从0电平迅速上升到峰值，首次回击正峰值分别为14.39 kV和14.14 kV，首次回击负峰值在7.68 kV和7.48 kV。波形到达峰值后，表现为双极性高频振荡，再并逐渐转变为低频振荡，最终衰减到0电平附近。

应该注意的是，由于高频振荡的特点，富油甲线测量到的过电压正峰、负峰幅值都很大，不能忽视。这也就意味着，负极性雷击放电过程中，不仅是会产生正极性过电压，随着振荡也会出现负极性过电压。

从图7中可以看到，除第一次回击外，同一次闪电过程的不同回击产生的过电压波形是很相似的，只是在幅值上不同。

富油甲线的观测结果表明，首次回击产生的过电压一般是最大的，这可能是由于自然雷电中首次回击的雷电流一般很大。

图8是C相感应电压观测结果，与图7中A相结果比较，可以看到，首次回击A、C相感应电压波形高度类似，后续回击两相感应电压波形近似，差别在首峰后的振荡幅度稍有差异，波形是相似的。

注意到富油甲线的观测结果中，感应电压的衰减过程并不是完全单调衰减的，在衰减过程中会出现电压幅值的突然抬升，但是抬升后的电压幅值一般不会超过首个正峰值，如图7和图8，6次回击中A相和C相过电压衰减过程中的第3个周波都出现了电压抬升，这可能与线路上某一基杆塔的塔底反射波叠加有关。

图7 A相电压波形

图8 C相电压波形

表2为20170726180242过电压记录的正峰值、负峰值、波头时间、间隔时间统计结果。可以看到，首次过电压幅度最大，A相正峰值略微大于C相。后续过电压的正峰值是C相远大于A相，对比其他结果后发现A相和C相过电压并没有绝对的大小关系，部分记录显示也存在后续过电压A相大于C相的情况。负峰值方面也是如此，负峰值和正峰值具有一定关系，正峰值越大，负峰值越大。首次过电压的波头时间比后续过电压的波头时间要长很多，A相的波头时间要略长于C相，两相的间隔时间一致。

表2 20170726180242过电压参数

富油甲线感应过电压的分析表明，配电线路的雷电感应过电压比理论计算出的数值低得多[13]，感应过电压的定量观测给配电线路雷电过电压危害的评估提供了观测基础。

3 结 论

1)自主开发了配电线路过电压在线监测系统，实现观测系统就地高速采集、存储和远程传输，能够在野外环境下长期稳定运行，采样频率为10 MS/s，冲击电压测量幅值响应误差为2.1%。

2)在10 kV配电线路开展了雷电感应过电压观测，2年3个月在线运行实测在3次雷暴过程期间记录到17次感应雷过电压，3个月记录的总回击次数为80次，回击次数最少的是1次，次数最多的是10次，平均次数为4.7次。最大过电压幅度最大值为23.54 kV，其中最小值为1.33 kV, 平均值为4.94 kV。

3)报道了10 kV配电线路感应过电压波形序列特征，每一次过电压脉冲对应自然雷电的一次回击过程，A、C两相每次回击对应的感应电压脉冲具有近似相同的发生时间和回击时间间隔。

4)报道了富油甲线两相雷电过电压对应于每次回击的波形特征，表现为波头时间短，迅速上升到峰值，然后双极性高频振荡，并逐渐转变为低频振荡，最终衰减到0，首次回击的正、负峰幅值都较大。

5)富油甲线观测结果表明，各相过电压幅值不存在绝对的大小关系，一次过程中的首次回击过电压幅值明显大于后续过电压幅值，首次过电压的波头时间比后续过电压长。