高压输电线路雷电监测系统的构建与应用研究

李建华

（天津市防雷技术中心第一分中心 天津 300480）

0 引言

大规模新能源发电接入电网主网需要高压输电系统稳定并可靠输送电能，而雷雨天气雷电流是影响高压主网稳定运行的重要跳闸故障原因之一。由于大量新能源发电位于山区或无人区，新型输电铁塔塔身普遍较高，增加了输电杆塔遭受雷击跳闸的风险。统计2019年至2021年中国北方220 kV和110 kV输电线路跳闸次数，雷击引起的跳闸次数分别占总跳闸次数的55.2%、52.4%和48.7%，雷击故障在山地、海拔高和土壤电阻率高的地区发生率统计偏高[1]。分析山区高压输电线路的防雷特性，综合运用现代雷电监测技术研究高压输电线路雷电监测，是建设“立体巡检，集中监控”的重要保障。

雷电参数的获取依赖高压输电线路雷电监测系统的精确性，是开展线路防雷研究工作的重要数据来源，也为分析雷击故障类型及实景“差异化”防雷措施提供理论研究基础。特殊区域中的输电铁塔在雷雨天气下易遭受雷击，此时雷电过电压在线路快速传输，严重危害电网主设备的绝缘安全。由于雷电过电压幅值高、陡度大、测量难度大，且线路所处电磁环境复杂多变，而安装于变电站内部的雷电过电压监测装置难以精确测量经过复杂折反射的雷电参数[2]。统计分析地区电网中220 kV输电线路雷电监测装置，其多数设备仅测量单一雷电参数，无法满足雷电故障分析的应用需要，雷击线路的雷电过电压和雷电流是保护方案、故障分析、改善措施的重要数据，为此构建高压输电线路雷电监测系统，研究雷击架空输电线路电压、电流同步数据是当下研究坚强电网的重要方向之一。

1 输电线路雷电监测

1.1 输电线路雷电监测

雷击过程在多变电磁环境下发生复杂能量转换，雷电流引起雷电压，两者联系密切。目前高压输电线路雷击故障识别定位研究电流信号特征，仅采集单一物理量数据难以完整分析雷击故障。以架空输电线路为典型研究对象，在杆塔横担处和塔身处分别设置电容耦合电压传感器和多外积分罗氏线圈并联电流传感器监测杆塔遭受雷击后的电压、电流瞬态过程，采集雷电过电压和杆塔入地电流[3]。本文将杆塔入地电流引入雷电监测系统采集参数，保持其与雷击过电压的联系，使输电线路雷击物理过程分析更加全面。基于雷电流、雷电压的雷电检测系统有助于精确、快速区分不同雷击故障类型和分析雷电波传播规律，且精确评估输电线路耐雷水平和雷电流通道。

设计将分布式结构引入输电线路雷电多参量监测系统，弥补当下线路集中式结构雷电监测系统存在的问题，具体如长距离输电线路传输发生的信号衰减、数据网络后台成本高、运维难度大、采集数据单一、难以深入分析故障等问题。将电容耦合过电压传感器、多外积分罗氏线圈并联电流传感器引入高压输电雷电监测系统，且配以嵌入式监控装置、网络交换机和后台监控主机共同搭建雷电监测数据共享平台，精确实时采集、传输雷电过电压和杆塔入地电流，监测系统如图1所示。

图1 输电线路雷电监测系统示意图

输电线路的耐雷水平可公式表示为：

式中K代表输电线路导地线间的耦合系数，Lgt代表杆塔分析的等值电感，Rch代表杆塔雷电流冲击接地电阻值，β代表杆塔分流系数，hd代表杆塔下相导线的对地距离。

1.2 高压输电线路雷电参数

分析高压输电线路雷击故障，需采集雷击特征相关参数，具体有雷电流极性与波形、雷击输电线路过电压、雷电流幅值与概率分布等相关参数[4]。

1.2.1 雷电流极性与波形

由带电荷的雷云引起的雷电放电即雷电流，分析国内外多年来对其的监测数据发现，其为单极性的脉冲波，且负极性雷电流约占总量的75%～90%，因此线路雷击故障分析中常将负极性的雷电冲击波作为主要分析要素。雷电击中输电线路时其电流波头与波尾为随机、时变变量，统计雷电流波头和波尾分别约为1～5 μs和20～100 μs，建模分析时可将其等效分析。输电杆塔防雷计算中可由标准冲击波、等值斜角波、等值余弦波三种模型等效雷电流波形。

1.2.2 雷击输电线路过电压

雷击输电线路的雷电流放电时产生过电压，依据雷击形式可分为感应雷过电压和直击雷过电压，过电压是造成高压输电线路雷击故障的主要因素。研究表明，输电线路雷击存在感应雷过电压，其幅值相对高压输电线路的220 kV和110 kV的电压幅值较小，则感应雷过电压危害较小。直击雷过电压依据其雷击输电线路部位的差异可为反击和绕击两种形式[5]：反击是由雷电流击中避雷针或避雷线形成杆塔接地放电通道，杆塔冲击接地电阻引起系统地电位升高，绝缘子末端的与输电导线的电位差达到闪络范围形成雷电反击；绕击是自然界雷电未直接击中避雷针或避雷线时直接作用于输电线路，引起输电线路对地闪络而发生雷电绕击现象。

1.2.3 雷电流幅值与概率分布

自然界雷电因地域气候、自然条件等差异而随机多变，其雷电流波形和幅值也是随机变量，呈现非周期性变化。分析大量雷击故障中杆塔雷电流实测数据，可用公式将雷电流幅值概率表示为：

式中，I代表雷电流的幅值；P代表雷电流超过的统计概率。

1.3 基于电压、电流极性鉴别的输电线路雷击故障识别

目前依据监测参数的差异可将雷电监测系统分为雷电流和雷电过电压参数监测两种，上述两种方式均在实践中得到不同应用，满足雷电监测的需要。雷电流监测要求其监测精度、速度准确满足数据分析，经实践验证监测雷电流方法中的磁钢棒法、磁带法、罗氏线圈法和雷电定位系统在不同场合均得到实践应用[6]，且在实践中得到了检验。而电网过电压测量主要由电容式电压互感器（CVT）和电磁式电压互感器（PT）实现，该类互感器具有电路结构简单、运行可靠性高的特点，且满足过电压数据采集、分析。

分析输电线路直接雷故障特征量，以雷击故障雷电流、雷电压为故障识别参数，建立基于电压、电流的输电线路雷击故障识别系统是当下高压输电系统防雷系统的重要研究热点。研究系统监测电压、电流信号的极性变化差异，以此区分变量识别不同雷击故障。

2 高压输电线路雷电监测系统的构建

研究具备实用性强、精确度高的高压输电线路雷电监测系统，需计算构建监测系统的物理结构，其监测参数的精确度依赖其采集装置[7]，为此设计了由数据前置电路、数据采集模块和信号监控模块组建的采集装置，监测系统硬件构成如图2所示。由数据前置电路实现对监测装置互感器采集电压、电流信号预处理，由数据采集模块对采集信号转换为传输的数据，经监控模块实施数据无线传输，整体完成高压输电线路雷电监测系统的信号采集传输。

图2 高压输电线路雷电监测系统数据采集传输

2.1 数据前置电路设计

数据前置电路由调理电路和触发电路构成，监测高压输电系统的杆塔雷电流信号和三相过电压信号，且由信号调理电路对采集电压、电流信号预处理。

2.1.1 电流信号调理电路设计

监测线路杆塔装设电流传感器，由罗氏线圈采集杆塔雷电流I杆塔，预处理中引入并联外积分方式实现信号变换，将其转换为电压信号传输。

2.1.2 电压信号调理电路设计

监测杆塔三相过电压，将电压传感器安装于杆塔导线的连接绝缘子处，测量雷击故障状态下三相绝缘子雷电过电压U绝缘子，由调理电路对采集过电压信号预处理。

2.1.3 触发电路设计

触发电路控制监测系统的信号采集，由其输出触发信号，控制信号幅值和电平，且与设定阈值比较，即可由触发信号控制数据采集。触发电路设计由LM336组成的稳压电路产生控制电平，触发离散控制雷电过电压、过电流信号采集。

2.2 数据采集模块设计

数据采集模块采集过电压、过电流信号，引入ADC信号转换和数据存储，完成监测系统的数据采集、转换、存储，完成数据前置电路的后续数据处理。

2.3 信号监控模块设计

过电压、过电流信号经采集后需传输至监控后台系统，由监控模块实施数据互联功能。信号监控模块是雷电监测系统数据检验、分析的重要前提，设计选用广州致远公司EPC-2601工控板作为模块核心。

3 雷电监测系统的应用分析

高压输电线路雷电监测装置除配置前述监测结构外，还需配置供电和用户单元。将信号采集及数据通信单元采集信号经处理送入监测系统主机，且由其发送至后台监控系统，即完成输电线路雷击故障下U绝缘子和I杆塔的在线监测。供电单元由太阳能电池板及供电模块完成电能独立供应，采用75AH大容量铅酸蓄电池储能日间电能，夜间由其蓄电池电能供应装置的夜间在线监割，保证监测系统的实时性和不间断性。高压输电线路雷电监测装置的结构和工作原理如图3所示，将雷电过电压、过电流实时采集、传输[8]。

图3 输电线路雷电监测系统结构框图

将雷电监测系统安装于电网某地区110kV架空输电线路耐张杆塔处，监测雷雨季节雷击故障雷电流、雷电压。电流传感器安装于耐张杆塔下相横担下方4 m处，实时监测杆塔入地雷电流I杆塔；电压传感器安装于杆塔三相横担处，使其位于引流线正上方，保持2 m的安全距离，图4为监测系统实时监测雷击故障的雷电流、雷电压数据。

110 kV该地区耐张杆塔多处装设高压输电线路雷电监测系统装置，将传感器采集信号处理后传输、分析，后台监控系统分析雷电过电压和杆塔入地电流波形信号，研究多处雷击故障数据验证了文章雷电监测系统的实时性、精确性。

4 总结

综上所述，雷电参数精确监测是建设坚强电网的重要保障。本文构建了一种高压输电线路雷电多参量（电压、电流）监测系统，将该系统应用到雷害故障率高的输电杆塔，后台监控系统分析雷击故障参数，验证了研究雷电监测系统在雷电参数在线监测中的实时性、精确性，对保障电力系统的安全、稳定运行具有重要的意义。