110kV输电线路直击雷过电压的识别研究

福建永福电力设计股份有限公司 温明瑞

雷电是一种随机发生的自然现象。近些年我国110kV架空输电线路敷设范围越来越广泛，架空输电线路由于输送距离较长、距离地面高度较大，因此在运行过程中极易遭受雷击引发电路事故，造成电力设备的损坏和人员伤亡，对电网的安全可靠性构成严重威胁[1]。据统计，以浙江省为例，在1998～2020年间发生雷电灾害高达9728起，共造成307人受伤、282人死亡，经济损失十分巨大。为了避免110kV输电线路遭受雷击而引发电力系统故障，有必要结合区域实际环境有针对性地选择防雷措施，保护电网的供电可靠性。

现阶段，从我国110kV输电线路防雷水平来看，尽管在设计阶段已经充分考虑输电线路的耐雷击性能，但在选择防雷措施上也是主要凭借经验为主，盲目性较大，并且设计阶段会与实际工程情况存在一定的偏差，因此雷击跳闸事故还是接连发生，归根结底还是在于不同的过电压在产生机理和防护措施方面均有所不同。因此，还应加强对雷电过电压类型辨识的准确率，进行科学防雷设计，提升我国110kV输电线路的整体防雷性能，提高电力系统的供电稳定性。

1 110kV输电线路遭受雷击的危害及防雷保护现状

雷电是一种十分常见的气象现象，其巨大的破坏力对输电线路安全性构成严重威胁。通常而言，对于雷电放电的影响途径主要体现在两方面：一是输电线路被雷电袭击后，会产生较高的雷电过电压，导致电力系统绝缘层被破坏，发生跳闸事故；二是雷电放电瞬间过程中会产生极大的电流，导致被击物体发生火灾、爆炸等安全事故。

热效应、机械效应和电气效应是雷击输电线路的主要三种危害形式，通常热效应和机械效应可通过合理设置导线尺寸及科学布置线路等方式来有效避免，所以说对于输电线路防雷工作的重点是雷击造成的过电压电气效应。按照雷击的作用机制进行分类可分为两种，即直击雷和感应雷，其中直击雷可形成非常强的电场，放电速度快（50～100μs），电流强度在瞬间可高达几十万安培；感应雷是直击雷放电过程中使得周围金属器件或导线产生强大的电磁脉冲电流、发生电磁感应。通常直击雷的破坏力更强、而感应雷发生的概率更高，并且感应雷的破坏范围更大且发生过程不易察觉。

110kV线路的绝缘水平不高，雷击放电会引起闪络、引发跳闸停电事故。近些年，我国在在充分借鉴国外数据及经验下加快布局输电线路的防雷工作，并且在输电线路的防雷设计上也取得了一定的进展。目前输电线路主要防雷措施有：采用线路钳位保护器、降低杆塔接地阻值以及加装防雷装置等，同时还积极将一些新材料、新技术引入到实际工程中，例如石墨烯等新型材料的应用，很好解决了接地电阻偏大的问题，芳纶复合横担提升了整体绝缘性和使用性能等。尽管采取了诸多措施，输电线路跳闸事故还是时有发生，防雷工作依然严峻[2]。

对于目前的110kV输电线路防雷工作存在的问题，从整体上分析来看：在组织措施上，对雷害事故原因判定不清，没有充分结合地形条件、运行经验因地制宜地采取防雷措施；在技术措施上，面临的重要技术难题是不能清楚判定雷击事故原因，雷害的原因是反击还是绕击不是很明确，因而在采取防雷措施时比较盲目，导致防雷效果不理想。为了提升输电线路的整体防雷水平，降低输电线路雷击概率，迫切需要对雷击事故性质进行深入剖析，加强对雷电过电压的识别研究，采用过电压快速响应抑制的措施，以保证电网安全运行。

2 输电线路雷电过电压发生机理

电力系统正常运行时，输电线路的电压不能超过额定电压的1.1倍，但通常在实际运行过程中，由于受外部因素影响经常会出现过电压现象，按照过电压产生的机理分类如下：内部过电压。产生原因是谐振过电压、操作过电压、工频电压升高；雷击过电压，产生原因是雷云与地面物之间所产生的放电现象，按照雷击作用机制可分为感应雷电过电压、反击雷电过电压、绕击雷电过电压。

2.1 感应雷电过电压

当雷云位于输电线路上空区域，在对地放电过程中，放电通道在周围区域产生强烈的空间磁场变化，云中的电荷快速被中和，释放束缚电荷，输电线路感应出极性与雷电流相反的过电压，并对地面输出高电压电流。国外研究者在基于Agraw-al模型基础上，提出了线路雷过电压的幅值估计公式：Umax(d)=kuI0ek0+k1lnd+k2ln5d，式中：ku=k3h；h为线路与地面之间的距离；d为雷击点与导线间的距离；系数k0、k1、k2与雷电流特性相关。

2.2 反击雷电过电压

雷电直接击中输电线路杆塔的几率非常高，一旦雷击中杆塔顶部位置，会使得大量的雷电流沿着杆塔方向流入大地，雷电流在流入大地过程中会导致接地杆塔电位升高。当绝缘子串尚未被击穿时，其中一部分电磁耦合电流流入大地，另一部分雷电流被避雷线分流；当绝缘子串被击穿后，输电线路的电流会突变为直击雷电流而急剧上升，因此可通过提高线路绝缘水平、降低接地电阻等措施来减少反击。

2.3 绕击雷电过电压

当输电线路没有安装避雷线时，雷电流会直接直击导线，大量的电流注入输电线路中会导致电压迅速升高，引起绝缘子闪络。对于安装避雷线的线路，当雷电绕过避雷线直接作用于输电线路，就是所谓的绕击雷。绕击发生时，导线的电流行波为全部雷电流分量、不存在电磁耦合分量，现阶段主要通过合理设置线路保护角来降低输电线路绕击发生概率。

3 110kV输电线路雷电过电压识别研究

当雷击输电线路时会产生大量非基频暂态分量，使得在雷击信号判断方面存在一定难度，因此需要对故障信号系统分析来提取特征量。通常自然条件、地理形状等都会影响到雷电过电压，极易引起计算结果的误差，这无形中加大了过电压的识别难度。目前报道的有关雷电过电压的识别方法有多种形式，主要采用的数学算法为最小二乘支持向量机法、小波分析法、数学形态方法等，现对这几种方法的特点及应用情况作如下探讨。

3.1 基于最小二乘支持向量机算法

向量机算法在鲁棒性和实用性能上更为优异，通过对时域波形、雷击波头特征、HHT频谱进行特征提取，建立雷击过电压识别模型并进行仿真验证。文献研究结果显示，采用该算法建立的雷击过电压识别模型对雷电过电压的信号特征进行提取，通过时域、频域等进行分析，判断过电压类型的依据更系统、全面，识别效率也显著增高，同时还保证了良好的识别准确性[3]。

通过与QPSO-LSSVM算法建立的过电压识别模型相比，基于CQPSO-LSSVM算法建立模型识别准确率更高（表1），这是因为该方法将多个特征进行联合使用，与采用单一特征相比减少了误判，显著提升了准确性[3]。

表1 两种不同模型的识别准确率[4]

3.2 基于小波变换的识别方法

小波变换法可对信号进行不同尺度的分解，利用有效变换来突出特征，通过适当地选取小波，经过平移、伸缩等运算，对信号进行多维度、多尺度、全方面的细化，即可得到信号所突出的特征。调查研究结果显示，直击雷作用下过电压波头突极性是不同的，因此可根据过电压波头变化方向来构造直击雷击过电压识别的判据[4]。在实际应用中，采用小波变换法对反击与绕击过电压特征量进行提取和识别，首先进行三相行波相模变换解决三相过电压间的耦合问题，计算出零模电压，通常，三相行波相模变换多使用Karenbauer变换矩阵，变换矩阵可表示为如下式所示：

再选择小波基函数和分解尺度对零模电压信号进行分解，确定零模电压波头突变点的模极大值，提取出合适的识别判据M1和T，根据支持向量机理论，建立SVM直击雷过电压分类器，将所得仿真数据分割后进行训练和测试，对直击雷过电压的识别具有一定指导意义。

3.3 基于改进的爬山算法

一直以来如何准确获得波形突变首波头信息是信号处理中的重点和难点，在波头极性辨识中，小波变换模极大值处理波形信息应用较多，但对于波头正负交替较为密集、首波头较后续波头幅值较小的情况下，难以判别出首波头极性。通过采用爬山法简化计算时间和过程，在此基础上以输电线路故障零模电流波为例，提出一种基于改进爬山算法的波头极性识别方法（图1），利用这一方法实现了闪络情况下绕击反击的有效辨识[5]。

图1 基于改进爬山算法的波头极性识别示意图

通过分析闪络情况下同塔双回线路波形，得出不同情况下线路零模电流首波头极性的分布特点，最终提出一了种适用于同塔双回线路雷电绕击与反击识别的辨识方法。根据零模电流的波形特点提出一种基于改进爬山算法的波头极性识别方法，该方法适用于同塔双回线路雷电绕击与反击识别的有效辨识。

4 结语

提取输电线路雷击过电压特征规律是个难度较大的工作，因此加强对输电线路雷击过电压信号的特征提取与类型识别是电力系统研究的重点和难点。目前已报到的关于过电压特征信号处理数学方法种类繁多，其中，小波变换法在信号处理方面有着重要价值，可同时对时间、频率特征进行分析，并将过电压信号进行分解，提取典型特征量、构造合适的识别判据，但由于提取特征向量较少，不利于对不同类型的线路的研究。

基于CQPSO-LSSVM算法建立模型采用几组不同特征进行组合，实现雷电过电压识别准确率更高；基于改进爬山算法波头极性识别方法适用于同塔双回线路雷电绕击与反击识别的有效辨识。可见，在实际应用过程中还要结合实际情况选择合适的数学算法，从而有效地对过电压进行识别。另外，今后对输电线路的雷击辨识方面还要加强改进，以更好的满足不同线路情况的需求。同时，为了避免采用单一特征进行雷电过电压识别引起的准确性低等问题，应将多个特征相结合研究，全面提升110kV输电线路雷电过电压识别的效率与准确度。