高压输电线路中雷电干扰识别方法综述

高压输电线路中雷电干扰识别方法综述摘要：超高压线路中雷电干扰识别一直是伴随超高压线路保护的关键问题。世界各国的科技工作者先后提出了许多方法，但仍不能很好地满足当前电力变压器保护的需求。文中对近年来各种判别方法的原理、优缺点、技术关键和应用现状进行了较详细的研究、分析，并提出了自己的看法。关键词：暂态保护；雷电干扰；故障识别；0引言高压输电线路在远距离、大功率传输电能中发挥的作用越来越大，但由于输电距离长、线路分布广，地理条件复杂，气象变化剧烈等因素，线路受雷击几率较高。同时，雷电冲击通常为一单极性脉冲波，上升时间和下降时间都很短，而线路雷害的形成主要是在雷电过电压的作用下线路绝缘发生闪络，当闪络转变为稳定的工频电弧时，绝缘已被损坏。因此绝缘发生闪络前就使保护动作才有现实应用意义。由于雷击与故障引起的暂态信号中都含有大量高频分量，对于行波保护和暂态保护而言，必须能够正确对非故障性雷击、故障性雷击和普通短路故障不同性质的高频信号进行分类。正确、快速的雷电干扰识别技术对于行波保护和暂态保护的实用化具有重要意义［A］。雷电对线路的冲击主要有两种形式：感应和直击［3-4］。雷电感应一般指雷击发生在线路50m以外，当雷云接近输电线路上空时，根据静电感应原理，将在线路上感应出一个与雷云电荷量相等但极性相反的电荷，这就是束缚电荷。当雷云对地（输电线路附近地面）放电时，由于放电速度很快，雷云中的电荷很快消失，于是束缚电荷将在输电线路上感应出极性与雷电流（即雷云）相反的过电压，电压幅值一般不超过400kv，不会造成线路短路。雷电直击包括了雷击杆塔及塔顶附近避雷线、雷击档距中央的避雷线和雷击导线3种情况，很可能会造成绝缘子闪络或导线短路。若雷击线路但并未造成线路短路就应视为雷电干扰，暂态保护不能误动。另一方面，若雷击线路并造成线路短路，则应以故障论处，暂态保护应迅速动作。由于直击雷产生的过电压比感应雷的要严重得多，所以在高电压技术以及传统的保护中，主要考虑直击雷冲击干扰的影响。但对于暂态保护来说，除了直击雷会造成严重影响外，感应雷击同样会在线路上产生高频暂态量，而且由于其发生的频率高，所产生的危害甚至比直击雷冲击更严重［5］。因此，研究和分析感应雷冲击干扰的暂态特点及其对暂态保护的影响是非常有意义的。因此，在进行暂态保护算法研究时必须分析以上各种情况下的暂态特征，并加以区分。围绕超高压线路中雷电干扰与短路故障的识别先后涌现出许多方法，本文较详细地对各种判别方法的原理、优缺点及应用情况和前景进行了研究与分析。1阈值比较1.1幅值法幅值法识别雷击的方法主要利用线路遭受雷击前后电流幅值的变化作为识别雷击的判据。当发生非故障性雷击时，无论雷击点位置如何，雷击前后电流的变化量不会很大；而当发生故障性雷击时，故障前后线路上电流的变化量将会很大，这与线路发生故障的情况相同，利用这一差别可识别非故障性雷击和其他故障（包括故障性雷击和短路故障）。幅值法利用线路行波到达前后线路上的电流值之差作为雷击识别判据，设初始行波到达之前的电流值为I，初始行波之后到达的电流值为七，同时，设定判别阈值为I，若

TP1sec则判定为故障性雷击或线路故障；否则判定为雷电干扰。该方法的显著优点就是判别算法简单，对CPU运算能力要求低。但现代高压线路运行方式多样，故障类型多变，该方法的局限性也越来越突出。1.2相模量比值法相模量比值法识别雷击故障的主要依据就是：不同故障条件下，电压行波呈现出来的模量大小不同。感应雷作用下，三相线路中的线模量远小于地模量，据此作为雷击干扰与故障（包括短路故障和雷击性故障）的判据⑹不同运行状况下的模量分析如下：a.绕击雷在高压线路中，由于存在避雷线，绕击雷一般绕击到线路的某一相，并由此相传播a，同时，在其它相上产生感应耦合波七，这里u=ku，k.表示导线间的耦合系数,取值为0〜0.3。P papaap这样，当A相遭受雷击时，其对地电压为u；同时，B、C相对地电压分别为u=ku和u=ku。A BABACACA由Clark变换可得u1、u2、u0。定义线模量与地模量的最大比值为=max{u0=max{u0}计算可得r>0.875。1反击雷与绕击雷相似，三相线路中线模量与地模量的比值也满足二>0.875。感应雷尽管三相导线有多种排列方式，但导线间感应雷幅值只是相差一个相似系数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 > 。与前文对直击雷的分析相似，感应雷的最大比值可计算得,V0.25。普通短路假定在故障发生前故障点的三相电压分别为UA、UB、UC,，由不同故障类型的边界条件可以求出z，，，—，，，故障点处的模量行波u、u与u的表达式，模量间的比值取决于波阻抗的比「1以及故障点的相电压1f 2f 0f Z0uu在故障发生时的初始角。在各种短路情况下，计算得故障点处模行波分量的比*和—的最大值r满足uu 1,>0.44。综合以上分析得出：若r>0.875，判断为直击雷；1若r1V0.25，判断为感应雷；若0.441<r<0.875，判断为短路故障；12暂态波形识别文献［7］研究发现：未造成故障的情况下，电压行波围绕原直流量上下交替变化，电压行波在多次折反射后，由于色散最终将衰减为零；因双极直流线路间存在电磁耦合，雷击线路时的电压行波在雷击后起始的一段时间内变化一致；在雷击造成故障或线路非雷击短路的情况下，相当于故障点突然叠加故障激励源，其电压行波被突然截断，此后的变化过程类似于直流激励合闸电路的动态过程。在雷击线路故障后起始的一段时间内，故障极电压迅速衰减，而健全极电压则上升。据此构成故障选极判据，在雷击造成故障或线路短路情况下，初始电压行波对应的小波变换模极大值的特征为极性相反、数值相等。据此特征构造故障行波的识别方法。文章先分别构造了输电线路模型、电晕等值电路模型对原理进行分析。然后假定在线路中某处依次发生短路故障、非故障性雷击和故障性雷击。雷击考虑了雷击输电线路、杆塔和避雷线档距中央。在测量点分别对检测到行波后一段时间内的电压故障分量进行域波形分析。研究有新发现：非雷击所致的短路故障接地短路故障时，故障点电压迅速下降。在换流站调节动作前，健全极电压变化主要是通过线路间耦合产生突变。在较短时间内，健全极电压先上升后下降；故障极电压则呈下降趋势。雷击未致短路故障分析了雷电波对输电线路的冲击，包括雷击杆塔、雷击避雷线档距中央和雷击输电线路。根据雷击杆塔未致故障时检测到的有关电压波形，由于绝缘子没有击穿，雷电波的传播限于输电线上。两极电压波形均同时围绕原直流分量上下变化，变化趋势比较接近。雷击避雷线档距中央时，电压等级越高的输电线路遭受雷击之后形成的雷电入侵波幅值越高。雷击避雷线时，雷击点会出现极高的过电压，冲击电压幅值很高时，导线表面电位梯度增大，超过周围空气的击穿场强时，线路上就发生电晕放电，电晕放电是一种局部放电，它使波的能量逐渐消耗，波的幅值发生衰减。雷击输电线路档距中央时，对于带避雷线的输电线路只有雷电波幅值小于一定值时才有可能发生雷击输电线路。但实际还与周围环境有关，对于长距离输电线路，雷击导线也时有发生。由于雷击未能使绝缘子闪络，雷电能量只能在导线上多次折反射后衰减，与雷击避雷线档距中央类似。所不同的是，周围空气击穿场强较高，没有发生电晕放电，衰减时间要长些。雷击所致短路将雷击而致短路故障分为雷击杆塔和雷击输电线路2种情况。雷击输电线路时，雷电波在快速上升的过程中，当雷电波电压大于绝缘子闪络电压时，绝缘子击穿。随后发展成短路故障，故障极电压行波被截断，其后迅速衰减。故障极电压分量与a的相关系数为0.1378，呈正相关；健全极电压分量与b的相关系数为-0.3568,呈负相关。雷击杆塔故障时，在雷击点由于电晕部分放电，因此雷电波过程比雷击输电线路要长，由于杆塔塔顶电荷聚集比电晕放电要快，绝缘子仍然发生闪络，随后形成短路故障，故障极电压行波迅速衰减。故障极电压分量与a的相关系数为-0.070391，呈负相关；健全极电压分量与b的相关系数为0.25587，呈正相关。雷击造成故障时，绝缘子击穿，在雷电过电压最高点雷电波被截断，此时变成短路故障。因此，故障性雷击是非故障性雷击与短路故障两者的综合。故障行波与非故障行波文章将短路或由雷击引起短路的行波称为故障性行波，将雷击未造成短路引起的行波称为非故障性行波。由前述非故障行波时域波形分析中可以得出非故障行波的特征为：故障时，故障极电压行波呈下降趋势，而健全极电压行波则上下波动变化。两者分别与直线a、b相关性的正负相反。雷电干扰的识别通过比较故障行波与非故障行波的特征可以看出，根据初始行波模极大值的大小和极性可区分故障性行波与非故障行波，为提高判据的可靠性，将初始行波后5s内电压行波与直线a、b的相关性正负一致作为辅助判据。仿真证明了可靠性。得出以下结论：雷击引起短路故障与普通短路故障时，故障行波波形有被截断的突变特征，其小波变换模极大值很好地表征了这一突变前后的时域波形变化。而雷击未致故障时，监测点检测到的行波是雷电波干扰，行波波形没有被截断的突变。雷击引起短路故障与普通短路故障时，故障极电压行波呈下降趋势，健全极电压行波则因线路间的电磁耦合在雷击起始后的一段时间内呈上升趋势，两极行波与原直流分量的相关系数的极性相反；雷击未致故障时，健全极与雷击极的电压行波因线路间电磁耦合，行波波形变化趋于一致，两极行波与原直流分量的相关系数的极性相同。该方法通过对各种雷电波和故障行波的分析与仿真，得出以下结论轻型直击雷、重型直击雷、感应雷或普通短路故障时行波分别呈现出的模量间大小关系、行波波形具有显著的特征差异感应雷击时三相行波波头非常相似，而短路和直击雷时三相行波波头不相同重型直击雷时波头部分和截波处都突变剧烈，而轻型直击雷和短路时波头部分突变剧烈，但波尾部分相对平缓轻型直击雷波尾时间要明显小于短路故障行波的持续时间。基于上述特征差异，利用线路线模量与地模量行波波头的大小比较来识别感应雷利用行波峰值两侧最大斜率的大小比较来识别重型直击雷利用行波峰值。与其后衅时行波幅值。的大小比较来区分轻型直击雷和普通短路故障。不仅识别出雷电干扰和短路故障，而且进一步将普通短路行波和导致短路的重型直击雷电波相区别，这非常有利于提高利用故障初始行波的行波保护算法的可靠性。采用能反映信号突变和突变强度的小波变换实现了雷电干扰识别的实用算法，与行波启动算法相结合，计算简便，物理概念直观清晰，两个雷电波干扰识别判据相结合可提高识别可靠性。大量仿真证明了方法的鲁棒性，但任有待工程实践检测。3能量分析判据3.1小波能量谱法文献［8］利用不同故障条件下故障电流与雷击感应电流反应到小波能量谱上的差异性来正确辨识雷电干扰和故障。具体分析如下：高压输电线路发生非故障性雷击的情况下，线路上暂态电流的附加分量由雷电波产生并在线路两侧不断发生折射和反射。由于雷击没有造成短路暂态电流中的高频分量在很长的时间内，随时间的推移而衰减较慢［9,因此暂态电流中高频分量所占比例较高。高压输电线路发生故障雷击的情况下，在行波初始波头部分，行波中高频分量占总能量比例较高，随后由于雷电波在短路点截波，雷击产生的暂态高频分量迅速衰减，并且由于短路点附加电源的影响，高频分量所占比例将有所降低。高压输电线路发生普通短路故障时，短路电流主要由短路点的附加电压源和系统产生的工频电流构成，普通短路故障情况下产生的故障电流行波中低频分量应占较大比例。小波能量谱法以暂态电流中低频分量与高频分量能量比值作为雷击识别判据。将信号的能量根据频率空间的划分经行了分解，在小波变换多分辨率分析的基础上，提取暂态电流附加分量高、低频段上的能量比构成雷击识别判据。3.2高频能量衰减比值分析法高频能量衰减比值法是利用不同故障条件下，信号能量衰减速度差异进行雷击识别的，具体分析方法如下：高压输电线路遭受雷电冲击后，当线路没有发生短路的情况下，在线路两侧采样到的电压和电流小波谱在各个尺度下随着时间的推移并没有明显的衰减；而当发生短路故障时，其小波谱的各个尺度下随着时间的推移而发生衰减，频率越高的信号的波谱随时间的衰减越快。高频量衰减比值法利用小波变换提取不同时间段内相同频带的两个时频区域内的小波谱能量来识别非故障雷击与雷击故障、短路故障，该方法根据暂态电流中高频分量衰减的速度特征作为非故障雷击与故障的识别判据。利用小波变换提取暂态分量在两个时频区域R=[T,T+AT]X[某个高频频带]和1 1 1R2=[T2,T2+AT]X[某个高频频带]的谱能量，然后进行比较，如果其比值接近1，说明雷电冲击没有造成短路，如果接近0，说明雷电冲击导致故障或发生其它普通短路故障。4小结对于利用暂态量的高压线路保护，要使其保护正确动作，必须对未造成线路短路的轻型直击雷、感应雷与造成线路短路的重型直击雷、普通短路故障进行区别。很多新型方法已经被应用进来，推进了这方面研究快速向前发展。但以上方法各有优劣，彻底解决仍需进一步的研究。研究出识别原理可行、可靠的识别方法将有望解决长期困扰暂态保护的雷电干扰问题。参考文献郭宁明.行波故障测距中的雷击识别及定位研究[D].中国电力科学研究院,2008.郭宁明，郭宗仁.基于小波变换的输电线路雷击识别[A].中国自动化学会智能自动化专业委员会.2007年中国智能自动化会议论文集[C].中国自动化学会智能自动化专业委员会:,2007:7.王琪.雷击架空输电线路暂态电流行波仿真与模式识别方法研究[D].重庆大学,2014.张正根.基于小波变换的高压输电线路雷击过电压识别方法研究[D].华北电力大学,2014.吴昊,肖先勇，邓武军.输电线行波测距中雷击与短路故障的识别[J].高电压技术,2007,06:63-67.Okabe,S.;Tsuboi,T.;Takami,J.,"Analysisofaspectsoflightningstrokestolarge-sizedtransmissionlines,"DielectricsandElectricalInsulation,IEEETransactionson,vol.18,no.1,pp.182,191,February2011.司大军，束洪春,陈学允，于继来.输电线路雷击的电磁暂态特征分析及其识别方法研究[J].中国电机工程学报,2005,07:64-69.司马文霞,谢博,杨庆,王荆.特高压输电线路雷电过电压的分类识别方法[J].高电压技术,2010,02:306-312.彭勇,王志新，陈军，刘凯，胡建勋,吴田,刘庭,肖宾.输电线路雷击故障定位与识别[J].高电压技术,2010,02:406-410.肖先勇，李逢，邓武军.雷击与普通短路故障引起的电压凹陷特征[J].高电压技术,2009,02:309-314.Takami,J.;Okabe,S.;Zaima,E.,"StudyofLightningSurgeOvervoltagesatSubstationsDuetoDirectLightningStrokestoPhaseConductors,"PowerDelivery,IEEETransactionson,vol.25,no.1,pp.425,433,Jan.2010.赵军,吕艳萍，王汉广.基于多尺度形态分解的特高压线路雷击干扰识别新方法[J].高电压技术,2009,05:994-998.廖学静,肖先勇，唐启红，黄小佳,汪颖.采用小波能量谱的输电线路暂态扰动的模糊识别法[J].高电压技术,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.李海锋，王钢，赵建仓.输电线路感应雷击暂态特征分析及其识别方法[J].中国电机工程学报,2004,03:119-124.段建东，张保会,郝治国，哈恒旭.超高压线路暂态保护中雷电干扰与短路故障的识别[J].电力系统自动化,2004,1