高壓輸電線路中雷電干擾識(shí)別方法綜述

高壓輸電線路中雷電干擾識(shí)別方法綜述摘要：超高壓線路中雷電干擾識(shí)別一直是伴隨超高壓線路保護(hù)的關(guān)鍵問(wèn)題。世界各國(guó)的科技工作者先后提出了許多方法，但仍不能很好地滿足當(dāng)前電力變壓器保護(hù)的需求。文中對(duì)近年來(lái)各種判別方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了較詳細(xì)的研究、分析，并提出了自己的看法。關(guān)鍵詞：暫態(tài)保護(hù)；雷電干擾；故障識(shí)別；0引言高壓輸電線路在遠(yuǎn)距離、大功率傳輸電能中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，但由于輸電距離長(zhǎng)、線路分布廣，地理?xiàng)l件復(fù)雜，氣象變化劇烈等因素，線路受雷擊幾率較高。同時(shí)，雷電沖擊通常為一單極性脈沖波，上升時(shí)間和下降時(shí)間都很短，而線路雷害的形成主要是在雷電過(guò)電壓的作用下線路絕緣發(fā)生閃絡(luò)，當(dāng)閃絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的工頻電弧時(shí)，絕緣已被損壞。因此絕緣發(fā)生閃絡(luò)前就使保護(hù)動(dòng)作才有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。由于雷擊與故障引起的暫態(tài)信號(hào)中都含有大量高頻分量，對(duì)于行波保護(hù)和暫態(tài)保護(hù)而言，必須能夠正確對(duì)非故障性雷擊、故障性雷擊和普通短路故障不同性質(zhì)的高頻信號(hào)進(jìn)行分類。正確、快速的雷電干擾識(shí)別技術(shù)對(duì)于行波保護(hù)和暫態(tài)保護(hù)的實(shí)用化具有重要意義［A］。雷電對(duì)線路的沖擊主要有兩種形式：感應(yīng)和直擊［3-4］。雷電感應(yīng)一般指雷擊發(fā)生在線路50m以外，當(dāng)雷云接近輸電線路上空時(shí)，根據(jù)靜電感應(yīng)原理，將在線路上感應(yīng)出一個(gè)與雷云電荷量相等但極性相反的電荷，這就是束縛電荷。當(dāng)雷云對(duì)地（輸電線路附近地面）放電時(shí)，由于放電速度很快，雷云中的電荷很快消失，于是束縛電荷將在輸電線路上感應(yīng)出極性與雷電流（即雷云）相反的過(guò)電壓，電壓幅值一般不超過(guò)400kv，不會(huì)造成線路短路。雷電直擊包括了雷擊桿塔及塔頂附近避雷線、雷擊檔距中央的避雷線和雷擊導(dǎo)線3種情況，很可能會(huì)造成絕緣子閃絡(luò)或?qū)Ь€短路。若雷擊線路但并未造成線路短路就應(yīng)視為雷電干擾，暫態(tài)保護(hù)不能誤動(dòng)。另一方面，若雷擊線路并造成線路短路，則應(yīng)以故障論處，暫態(tài)保護(hù)應(yīng)迅速動(dòng)作。由于直擊雷產(chǎn)生的過(guò)電壓比感應(yīng)雷的要嚴(yán)重得多，所以在高電壓技術(shù)以及傳統(tǒng)的保護(hù)中，主要考慮直擊雷沖擊干擾的影響。但對(duì)于暫態(tài)保護(hù)來(lái)說(shuō)，除了直擊雷會(huì)造成嚴(yán)重影響外，感應(yīng)雷擊同樣會(huì)在線路上產(chǎn)生高頻暫態(tài)量，而且由于其發(fā)生的頻率高，所產(chǎn)生的危害甚至比直擊雷沖擊更嚴(yán)重［5］。因此，研究和分析感應(yīng)雷沖擊干擾的暫態(tài)特點(diǎn)及其對(duì)暫態(tài)保護(hù)的影響是非常有意義的。因此，在進(jìn)行暫態(tài)保護(hù)算法研究時(shí)必須分析以上各種情況下的暫態(tài)特征，并加以區(qū)分。圍繞超高壓線路中雷電干擾與短路故障的識(shí)別先后涌現(xiàn)出許多方法，本文較詳細(xì)地對(duì)各種判別方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用情況和前景進(jìn)行了研究與分析。1閾值比較1.1幅值法幅值法識(shí)別雷擊的方法主要利用線路遭受雷擊前后電流幅值的變化作為識(shí)別雷擊的判據(jù)。當(dāng)發(fā)生非故障性雷擊時(shí)，無(wú)論雷擊點(diǎn)位置如何，雷擊前后電流的變化量不會(huì)很大；而當(dāng)發(fā)生故障性雷擊時(shí)，故障前后線路上電流的變化量將會(huì)很大，這與線路發(fā)生故障的情況相同，利用這一差別可識(shí)別非故障性雷擊和其他故障（包括故障性雷擊和短路故障）。幅值法利用線路行波到達(dá)前后線路上的電流值之差作為雷擊識(shí)別判據(jù)，設(shè)初始行波到達(dá)之前的電流值為I，初始行波之后到達(dá)的電流值為七，同時(shí)，設(shè)定判別閾值為I，若

TP1sec則判定為故障性雷擊或線路故障；否則判定為雷電干擾。該方法的顯著優(yōu)點(diǎn)就是判別算法簡(jiǎn)單，對(duì)CPU運(yùn)算能力要求低。但現(xiàn)代高壓線路運(yùn)行方式多樣，故障類型多變，該方法的局限性也越來(lái)越突出。1.2相模量比值法相模量比值法識(shí)別雷擊故障的主要依據(jù)就是：不同故障條件下，電壓行波呈現(xiàn)出來(lái)的模量大小不同。感應(yīng)雷作用下，三相線路中的線模量遠(yuǎn)小于地模量，據(jù)此作為雷擊干擾與故障（包括短路故障和雷擊性故障）的判據(jù)⑹不同運(yùn)行狀況下的模量分析如下：a.繞擊雷在高壓線路中，由于存在避雷線，繞擊雷一般繞擊到線路的某一相，并由此相傳播a，同時(shí)，在其它相上產(chǎn)生感應(yīng)耦合波七，這里u=ku，k.表示導(dǎo)線間的耦合系數(shù),取值為0?0.3。P papaap這樣，當(dāng)A相遭受雷擊時(shí)，其對(duì)地電壓為u；同時(shí)，B、C相對(duì)地電壓分別為u=ku和u=ku。A BABACACA由Clark變換可得u1、u2、u0。定義線模量與地模量的最大比值為=max{u0=max{u0}計(jì)算可得r>0.875。1反擊雷與繞擊雷相似，三相線路中線模量與地模量的比值也滿足二>0.875。感應(yīng)雷盡管三相導(dǎo)線有多種排列方式，但導(dǎo)線間感應(yīng)雷幅值只是相差一個(gè)相似系數(shù)k*，且k*eln.8,1.0」。/、1=1 ?-I1—17IJIIJIIX-J-^7，I '-JI~J /— I—*—I IFR |.r~l.X >/M— II—I■/— I II—IIA、-q， ~q > 。與前文對(duì)直擊雷的分析相似，感應(yīng)雷的最大比值可計(jì)算得,V0.25。普通短路假定在故障發(fā)生前故障點(diǎn)的三相電壓分別為UA、UB、UC,，由不同故障類型的邊界條件可以求出z，，，—，，，故障點(diǎn)處的模量行波u、u與u的表達(dá)式，模量間的比值取決于波阻抗的比「1以及故障點(diǎn)的相電壓1f 2f 0f Z0uu在故障發(fā)生時(shí)的初始角。在各種短路情況下，計(jì)算得故障點(diǎn)處模行波分量的比*和—的最大值r滿足uu 1,>0.44。綜合以上分析得出：若r>0.875，判斷為直擊雷；1若r1V0.25，判斷為感應(yīng)雷；若0.441<r<0.875，判斷為短路故障；12暫態(tài)波形識(shí)別文獻(xiàn)［7］研究發(fā)現(xiàn)：未造成故障的情況下，電壓行波圍繞原直流量上下交替變化，電壓行波在多次折反射后，由于色散最終將衰減為零；因雙極直流線路間存在電磁耦合，雷擊線路時(shí)的電壓行波在雷擊后起始的一段時(shí)間內(nèi)變化一致；在雷擊造成故障或線路非雷擊短路的情況下，相當(dāng)于故障點(diǎn)突然疊加故障激勵(lì)源，其電壓行波被突然截?cái)?，此后的變化過(guò)程類似于直流激勵(lì)合閘電路的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在雷擊線路故障后起始的一段時(shí)間內(nèi)，故障極電壓迅速衰減，而健全極電壓則上升。據(jù)此構(gòu)成故障選極判據(jù)，在雷擊造成故障或線路短路情況下，初始電壓行波對(duì)應(yīng)的小波變換模極大值的特征為極性相反、數(shù)值相等。據(jù)此特征構(gòu)造故障行波的識(shí)別方法。文章先分別構(gòu)造了輸電線路模型、電暈等值電路模型對(duì)原理進(jìn)行分析。然后假定在線路中某處依次發(fā)生短路故障、非故障性雷擊和故障性雷擊。雷擊考慮了雷擊輸電線路、桿塔和避雷線檔距中央。在測(cè)量點(diǎn)分別對(duì)檢測(cè)到行波后一段時(shí)間內(nèi)的電壓故障分量進(jìn)行域波形分析。研究有新發(fā)現(xiàn)：非雷擊所致的短路故障接地短路故障時(shí)，故障點(diǎn)電壓迅速下降。在換流站調(diào)節(jié)動(dòng)作前，健全極電壓變化主要是通過(guò)線路間耦合產(chǎn)生突變。在較短時(shí)間內(nèi)，健全極電壓先上升后下降；故障極電壓則呈下降趨勢(shì)。雷擊未致短路故障分析了雷電波對(duì)輸電線路的沖擊，包括雷擊桿塔、雷擊避雷線檔距中央和雷擊輸電線路。根據(jù)雷擊桿塔未致故障時(shí)檢測(cè)到的有關(guān)電壓波形，由于絕緣子沒(méi)有擊穿，雷電波的傳播限于輸電線上。兩極電壓波形均同時(shí)圍繞原直流分量上下變化，變化趨勢(shì)比較接近。雷擊避雷線檔距中央時(shí)，電壓等級(jí)越高的輸電線路遭受雷擊之后形成的雷電入侵波幅值越高。雷擊避雷線時(shí)，雷擊點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)極高的過(guò)電壓，沖擊電壓幅值很高時(shí)，導(dǎo)線表面電位梯度增大，超過(guò)周圍空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，線路上就發(fā)生電暈放電，電暈放電是一種局部放電，它使波的能量逐漸消耗，波的幅值發(fā)生衰減。雷擊輸電線路檔距中央時(shí)，對(duì)于帶避雷線的輸電線路只有雷電波幅值小于一定值時(shí)才有可能發(fā)生雷擊輸電線路。但實(shí)際還與周圍環(huán)境有關(guān)，對(duì)于長(zhǎng)距離輸電線路，雷擊導(dǎo)線也時(shí)有發(fā)生。由于雷擊未能使絕緣子閃絡(luò)，雷電能量只能在導(dǎo)線上多次折反射后衰減，與雷擊避雷線檔距中央類似。所不同的是，周圍空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)較高，沒(méi)有發(fā)生電暈放電，衰減時(shí)間要長(zhǎng)些。雷擊所致短路將雷擊而致短路故障分為雷擊桿塔和雷擊輸電線路2種情況。雷擊輸電線路時(shí)，雷電波在快速上升的過(guò)程中，當(dāng)雷電波電壓大于絕緣子閃絡(luò)電壓時(shí)，絕緣子擊穿。隨后發(fā)展成短路故障，故障極電壓行波被截?cái)?，其后迅速衰減。故障極電壓分量與a的相關(guān)系數(shù)為0.1378，呈正相關(guān)；健全極電壓分量與b的相關(guān)系數(shù)為-0.3568,呈負(fù)相關(guān)。雷擊桿塔故障時(shí)，在雷擊點(diǎn)由于電暈部分放電，因此雷電波過(guò)程比雷擊輸電線路要長(zhǎng)，由于桿塔塔頂電荷聚集比電暈放電要快，絕緣子仍然發(fā)生閃絡(luò)，隨后形成短路故障，故障極電壓行波迅速衰減。故障極電壓分量與a的相關(guān)系數(shù)為-0.070391，呈負(fù)相關(guān)；健全極電壓分量與b的相關(guān)系數(shù)為0.25587，呈正相關(guān)。雷擊造成故障時(shí)，絕緣子擊穿，在雷電過(guò)電壓最高點(diǎn)雷電波被截?cái)?，此時(shí)變成短路故障。因此，故障性雷擊是非故障性雷擊與短路故障兩者的綜合。故障行波與非故障行波文章將短路或由雷擊引起短路的行波稱為故障性行波，將雷擊未造成短路引起的行波稱為非故障性行波。由前述非故障行波時(shí)域波形分析中可以得出非故障行波的特征為：故障時(shí)，故障極電壓行波呈下降趨勢(shì)，而健全極電壓行波則上下波動(dòng)變化。兩者分別與直線a、b相關(guān)性的正負(fù)相反。雷電干擾的識(shí)別通過(guò)比較故障行波與非故障行波的特征可以看出，根據(jù)初始行波模極大值的大小和極性可區(qū)分故障性行波與非故障行波，為提高判據(jù)的可靠性，將初始行波后5s內(nèi)電壓行波與直線a、b的相關(guān)性正負(fù)一致作為輔助判據(jù)。仿真證明了可靠性。得出以下結(jié)論：雷擊引起短路故障與普通短路故障時(shí)，故障行波波形有被截?cái)嗟耐蛔兲卣?，其小波變換模極大值很好地表征了這一突變前后的時(shí)域波形變化。而雷擊未致故障時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到的行波是雷電波干擾，行波波形沒(méi)有被截?cái)嗟耐蛔儭＠讚粢鸲搪饭收吓c普通短路故障時(shí)，故障極電壓行波呈下降趨勢(shì)，健全極電壓行波則因線路間的電磁耦合在雷擊起始后的一段時(shí)間內(nèi)呈上升趨勢(shì)，兩極行波與原直流分量的相關(guān)系數(shù)的極性相反；雷擊未致故障時(shí)，健全極與雷擊極的電壓行波因線路間電磁耦合，行波波形變化趨于一致，兩極行波與原直流分量的相關(guān)系數(shù)的極性相同。該方法通過(guò)對(duì)各種雷電波和故障行波的分析與仿真，得出以下結(jié)論輕型直擊雷、重型直擊雷、感應(yīng)雷或普通短路故障時(shí)行波分別呈現(xiàn)出的模量間大小關(guān)系、行波波形具有顯著的特征差異感應(yīng)雷擊時(shí)三相行波波頭非常相似，而短路和直擊雷時(shí)三相行波波頭不相同重型直擊雷時(shí)波頭部分和截波處都突變劇烈，而輕型直擊雷和短路時(shí)波頭部分突變劇烈，但波尾部分相對(duì)平緩輕型直擊雷波尾時(shí)間要明顯小于短路故障行波的持續(xù)時(shí)間。基于上述特征差異，利用線路線模量與地模量行波波頭的大小比較來(lái)識(shí)別感應(yīng)雷利用行波峰值兩側(cè)最大斜率的大小比較來(lái)識(shí)別重型直擊雷利用行波峰值。與其后釁時(shí)行波幅值。的大小比較來(lái)區(qū)分輕型直擊雷和普通短路故障。不僅識(shí)別出雷電干擾和短路故障，而且進(jìn)一步將普通短路行波和導(dǎo)致短路的重型直擊雷電波相區(qū)別，這非常有利于提高利用故障初始行波的行波保護(hù)算法的可靠性。采用能反映信號(hào)突變和突變強(qiáng)度的小波變換實(shí)現(xiàn)了雷電干擾識(shí)別的實(shí)用算法，與行波啟動(dòng)算法相結(jié)合，計(jì)算簡(jiǎn)便，物理概念直觀清晰，兩個(gè)雷電波干擾識(shí)別判據(jù)相結(jié)合可提高識(shí)別可靠性。大量仿真證明了方法的魯棒性，但任有待工程實(shí)踐檢測(cè)。3能量分析判據(jù)3.1小波能量譜法文獻(xiàn)［8］利用不同故障條件下故障電流與雷擊感應(yīng)電流反應(yīng)到小波能量譜上的差異性來(lái)正確辨識(shí)雷電干擾和故障。具體分析如下：高壓輸電線路發(fā)生非故障性雷擊的情況下，線路上暫態(tài)電流的附加分量由雷電波產(chǎn)生并在線路兩側(cè)不斷發(fā)生折射和反射。由于雷擊沒(méi)有造成短路暫態(tài)電流中的高頻分量在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，隨時(shí)間的推移而衰減較慢［9,因此暫態(tài)電流中高頻分量所占比例較高。高壓輸電線路發(fā)生故障雷擊的情況下，在行波初始波頭部分，行波中高頻分量占總能量比例較高，隨后由于雷電波在短路點(diǎn)截波，雷擊產(chǎn)生的暫態(tài)高頻分量迅速衰減，并且由于短路點(diǎn)附加電源的影響，高頻分量所占比例將有所降低。高壓輸電線路發(fā)生普通短路故障時(shí)，短路電流主要由短路點(diǎn)的附加電壓源和系統(tǒng)產(chǎn)生的工頻電流構(gòu)成，普通短路故障情況下產(chǎn)生的故障電流行波中低頻分量應(yīng)占較大比例。小波能量譜法以暫態(tài)電流中低頻分量與高頻分量能量比值作為雷擊識(shí)別判據(jù)。將信號(hào)的能量根據(jù)頻率空間的劃分經(jīng)行了分解，在小波變換多分辨率分析的基礎(chǔ)上，提取暫態(tài)電流附加分量高、低頻段上的能量比構(gòu)成雷擊識(shí)別判據(jù)。3.2高頻能量衰減比值分析法高頻能量衰減比值法是利用不同故障條件下，信號(hào)能量衰減速度差異進(jìn)行雷擊識(shí)別的，具體分析方法如下：高壓輸電線路遭受雷電沖擊后，當(dāng)線路沒(méi)有發(fā)生短路的情況下，在線路兩側(cè)采樣到的電壓和電流小波譜在各個(gè)尺度下隨著時(shí)間的推移并沒(méi)有明顯的衰減；而當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，其小波譜的各個(gè)尺度下隨著時(shí)間的推移而發(fā)生衰減，頻率越高的信號(hào)的波譜隨時(shí)間的衰減越快。高頻量衰減比值法利用小波變換提取不同時(shí)間段內(nèi)相同頻帶的兩個(gè)時(shí)頻區(qū)域內(nèi)的小波譜能量來(lái)識(shí)別非故障雷擊與雷擊故障、短路故障，該方法根據(jù)暫態(tài)電流中高頻分量衰減的速度特征作為非故障雷擊與故障的識(shí)別判據(jù)。利用小波變換提取暫態(tài)分量在兩個(gè)時(shí)頻區(qū)域R=[T,T+AT]X[某個(gè)高頻頻帶]和1 1 1R2=[T2,T2+AT]X[某個(gè)高頻頻帶]的譜能量，然后進(jìn)行比較，如果其比值接近1，說(shuō)明雷電沖擊沒(méi)有造成短路，如果接近0，說(shuō)明雷電沖擊導(dǎo)致故障或發(fā)生其它普通短路故障。4小結(jié)對(duì)于利用暫態(tài)量的高壓線路保護(hù)，要使其保護(hù)正確動(dòng)作，必須對(duì)未造成線路短路的輕型直擊雷、感應(yīng)雷與造成線路短路的重型直擊雷、普通短路故障進(jìn)行區(qū)別。很多新型方法已經(jīng)被應(yīng)用進(jìn)來(lái)，推進(jìn)了這方面研究快速向前發(fā)展。但以上方法各有優(yōu)劣，徹底解決仍需進(jìn)一步的研究。研究出識(shí)別原理可行、可靠的識(shí)別方法將有望解決長(zhǎng)期困擾暫態(tài)保護(hù)的雷電干擾問(wèn)題。參考文獻(xiàn)郭寧明.行波故障測(cè)距中的雷擊識(shí)別及定位研究[D].中國(guó)電力科學(xué)研究院,2008.郭寧明，郭宗仁.基于小波變換的輸電線路雷擊識(shí)別[A].中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)智能自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì).2007年中國(guó)智能自動(dòng)化會(huì)議論文集[C].中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)智能自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì):,2007:7.王琪.雷擊架空輸電線路暫態(tài)電流行波仿真與模式識(shí)別方法研究[D].重慶大學(xué),2014.張正根.基于小波變換的高壓輸電線路雷擊過(guò)電壓識(shí)別方法研究[D].華北電力大學(xué),2014.吳昊,肖先勇，鄧武軍.輸電線行波測(cè)距中雷擊與短路故障的識(shí)別[J].高電壓技術(shù),2007,06:63-67.Okabe,S.;Tsuboi,T.;Takami,J.,"Analysisofaspectsoflightningstrokestolarge-sizedtransmissionlines,"DielectricsandElectricalInsulation,IEEETransactionson,vol.18,no.1,pp.182,191,February2011.司大軍，束洪春,陳學(xué)允，于繼來(lái).輸電線路雷擊的電磁暫態(tài)特征分析及其識(shí)別方法研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,07:64-69.司馬文霞,謝博,楊慶,王荊.特高壓輸電線路雷電過(guò)電壓的分類識(shí)別方法[J].高電壓技術(shù),2010,02:306-312.彭勇,王志新，陳軍，劉凱，胡建勛,吳田,劉庭,肖賓.輸電線路雷擊故障定位與識(shí)別[J].高電壓技術(shù),2010,02:406-410.肖先勇，李逢，鄧武軍.雷擊與普通短路故障引起的電壓凹陷特征[J].高電壓技術(shù),2009,02:309-314.Takami,J.;Okabe,S.;Zaima,E.,"StudyofLightningSurgeOvervoltagesatSubstationsDuetoDirectLightningStrokestoPhaseConductors,"PowerDelivery,IEEETransactionson,vol.25,no.1,pp.425,433,Jan.2010.趙軍,呂艷萍，王漢廣.基于多尺度形態(tài)分解的特高壓線路雷擊干擾識(shí)別新方法[J].高電壓技術(shù),2009,05:994-998.廖學(xué)靜,肖先勇，唐啟紅，黃小佳,汪穎.采用小波能量譜的輸電線路暫態(tài)擾動(dòng)的模糊識(shí)別法[J].高電壓技術(shù),2009,10:2486-2491.Rachidi,F.;Janischewskyj,W.;Hussein,A.M.;Nucci,C.A.;Guerrieri,S.;Kordi,B.;Chang,Jen-Shih,"Currentandelectromagneticfieldassociatedwithlightning-returnstrokestotalltowers,"ElectromagneticCompatibility,IEEETransactionson,vol.43,no.3,pp.356,367,Aug2001.李海鋒，王鋼，趙建倉(cāng).輸電線路感應(yīng)雷擊暫態(tài)特征分析及其識(shí)別方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,03:119-124.段建東，張保會(huì),郝治國(guó)，哈恒旭.超高壓線路暫態(tài)保護(hù)中雷電干擾與短路故障的識(shí)別[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,1