馬 儀，黃 然，申 元，束洪春，余 多，沐潤(rùn)志，白 冰

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輸電線路雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致的辨識(shí)與定位

馬 儀1，黃 然1，申 元1，束洪春2，余 多2，沐潤(rùn)志2，白 冰2

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

當(dāng)輸電線路遭受雷擊導(dǎo)致故障，而雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)位置不同時(shí)，雙端測(cè)距將定位至雷擊點(diǎn)而非閃絡(luò)點(diǎn)，行波測(cè)距精度會(huì)受到不利影響。根據(jù)雙端感受到的后續(xù)波頭中與首波頭極性相同的第一個(gè)波頭含有的故障信息，對(duì)雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)的一致性進(jìn)行辨識(shí)。并且提出“距離一致性比較”的方法對(duì)雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致情況進(jìn)行閃絡(luò)點(diǎn)定位，同時(shí)對(duì)該測(cè)距方法進(jìn)行適用性以及影響因素分析。仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提新方法的可靠性和有效性。

電力系統(tǒng)；雷擊；輸電線路；閃絡(luò)；測(cè)距

0 引言

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，雷擊是導(dǎo)致輸電線路發(fā)生故障的主要原因之一[1]。雷擊桿塔塔頂或避雷線時(shí)，雷電流幅值一般較大，故障情況下雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)間距離若在一個(gè)桿塔檔距之內(nèi)，則認(rèn)為雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)一致；繞擊導(dǎo)線時(shí)，雷電流幅值一般較小，這時(shí)往往在雷擊點(diǎn)未發(fā)生閃絡(luò)，而雷電行波沿線路傳輸一段距離后，在絕緣薄弱處發(fā)生閃絡(luò)[2]，此時(shí)雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)間的距離大于一個(gè)桿塔檔距，形成了雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致的情況，這將直接影響到現(xiàn)有行波測(cè)距算法的可靠性[3-4]。可見(jiàn)，雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致情況下的故障行波測(cè)距應(yīng)引起足夠的重視。

目前基于行波原理的輸電線路故障測(cè)距裝置已在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，這對(duì)提高輸電線路運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性具有重大意義[5-6]。當(dāng)輸電線路遭受雷擊導(dǎo)致故障，而雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)位置不同時(shí)，若采用雙端行波測(cè)距，通過(guò)行波在輸電線路上的折反射僅能計(jì)算出雷擊點(diǎn)位置，無(wú)法確定閃絡(luò)點(diǎn)位置；若采用單端行波測(cè)距，由于行波源的增加，后續(xù)有效波頭的識(shí)別將更加困難，這些都將影響行波測(cè)距裝置的精度。隨著行波測(cè)距領(lǐng)域研究的深入，一些學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始對(duì)雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致情況下的故障測(cè)距進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]針對(duì)特高壓直流輸電線路發(fā)生雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致情況，利用線路兩端保護(hù)安裝處檢測(cè)到的電壓行波線模幅值變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了雷擊側(cè)和閃絡(luò)側(cè)的識(shí)別、雷擊點(diǎn)的定位和閃絡(luò)點(diǎn)的定位。此法適用于1 000 km的直流長(zhǎng)線路，對(duì)交流較短的線路不一定可靠，且對(duì)于雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致距離小于5 km的情況，不易采用此方法。文獻(xiàn)[2]針對(duì)交流線路雷擊與閃絡(luò)點(diǎn)不一致情況，采用一定時(shí)窗內(nèi)雷擊側(cè)采樣到的故障電流低頻分量占總能量比例低于短路側(cè)采樣到的故障電流，利用線路兩側(cè)能量分布差異確定雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)的相對(duì)位置，該算法受雷電流參數(shù)和阻波器邊界元件等因素影響較大。

然而現(xiàn)有的對(duì)雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致情況(如圖1)的研究均是用來(lái)故障測(cè)距[7]，而未進(jìn)行雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)是否一致的辨識(shí)。本文對(duì)行波在雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致情況下的行波傳播特點(diǎn)進(jìn)行分析，根據(jù)雙端感受到的后續(xù)波頭中與首波頭極性相同的第一個(gè)波頭含有的故障信息，對(duì)雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)的一致性進(jìn)行辨識(shí)，并且提出“距離一致性比較”的方法對(duì)雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致情況進(jìn)行閃絡(luò)點(diǎn)定位。同時(shí)對(duì)該測(cè)距方法進(jìn)行適用性分析以及影響因素分析，并經(jīng)過(guò)大量仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證本論文所提的新方法可靠、有效。

圖1 雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致示意圖

1 雷擊輸電線路故障電磁暫態(tài)特征

輸電線路遭受雷擊或發(fā)生閃絡(luò)時(shí),在故障點(diǎn)將產(chǎn)生向兩側(cè)母線運(yùn)動(dòng)的行波[8]。線路上的行波傳播且到達(dá)兩個(gè)不同波阻抗線路的連接點(diǎn)或到達(dá)接有集中參數(shù)的節(jié)點(diǎn)時(shí)，行波就會(huì)發(fā)生折射、反射[9-10](見(jiàn)圖2)。當(dāng)發(fā)生故障性雷擊或線路短路故障時(shí)，在故障點(diǎn)因其線路波阻抗不連續(xù)而會(huì)出現(xiàn)行波折射和反射。在一定的時(shí)間窗內(nèi)，母線處檢測(cè)到的行波信號(hào)中就含有雷擊點(diǎn)的初始行波、閃絡(luò)點(diǎn)反射行波和母線的反射行波。閃絡(luò)故障發(fā)生在線路前半段時(shí)(相對(duì)于近端母線)，閃絡(luò)點(diǎn)的反射波先到達(dá)；閃絡(luò)故障發(fā)生在線路后半段時(shí)，對(duì)端母線的反射波先到達(dá)。

由于雷電通道會(huì)在云層與線路之間持續(xù)時(shí)間大于50 μs，因此在注入導(dǎo)線的雷電流行波在閃絡(luò)點(diǎn)發(fā)生反射回到雷擊點(diǎn)時(shí)，雷電通道的存在會(huì)導(dǎo)致雷擊點(diǎn)的波阻抗不連續(xù),行波會(huì)在閃絡(luò)點(diǎn)與雷擊點(diǎn)之間多次折反射，導(dǎo)致線路兩端觀測(cè)到的波形存在大量反映雷電通道與閃絡(luò)點(diǎn)之間距離的波形振蕩。

圖2 雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致故障線路行波折反射網(wǎng)格圖

2 輸電線路雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致的辨識(shí)與定位方法

2.1 方法原理

由上文的分析可知，在雷擊(繞擊)輸電線路故障的情況下，雷擊產(chǎn)生的初始行波和故障初始行波沿故障線路傳至線路兩端，根據(jù)雙端感受到的首波頭到達(dá)時(shí)差可定位雷擊點(diǎn)，雷擊點(diǎn)距M端和N端距離分別記為和。

若雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)一致，則M、N端感受到的后續(xù)波頭中與首波頭極性相同的第一個(gè)波頭、應(yīng)分別為雷擊初始行波以及故障初始行波在故障點(diǎn)的反射波，反映的即為故障位置。

若雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致，則M、N端感受到的后續(xù)波頭中與首波頭極性相同的第一個(gè)波頭、所含有信息可分為三種情況。一是雷擊初始行波經(jīng)故障點(diǎn)的反射波、二是雷擊初始行波在雷電流通道存在時(shí)經(jīng)雷電流通道的反射波、三是雷擊初始行波和故障初始行波在故障點(diǎn)的反射波。

根據(jù)M、N端感受到的后續(xù)波頭中與首波頭極性相同的第一個(gè)波頭、到達(dá)時(shí)差分別進(jìn)行單端測(cè)距，得到和，將、和、進(jìn)行一致性比較，進(jìn)而對(duì)雷擊點(diǎn)和閃絡(luò)點(diǎn)是否一致進(jìn)行辨識(shí)以及對(duì)閃絡(luò)點(diǎn)進(jìn)行定位。本文中將靠近雷擊點(diǎn)的一側(cè)稱為雷擊側(cè)，靠近閃絡(luò)點(diǎn)的一側(cè)稱為閃絡(luò)側(cè)。

2.2 方法實(shí)現(xiàn)

按上述原理所構(gòu)成的方法主要包括雷擊點(diǎn)定位、雷擊點(diǎn)閃絡(luò)點(diǎn)一致性辨識(shí)與閃絡(luò)點(diǎn)定位兩個(gè)步驟。

(1) 雷擊點(diǎn)定位

設(shè)輸電線路全線長(zhǎng)為，發(fā)生雷擊故障時(shí)雷擊初始行波和故障行波到達(dá)M、N端的時(shí)刻分別為、。則可根據(jù)式(1)、式(2)進(jìn)行雙端行波測(cè)距[9]。

(2)

(2) 雷擊點(diǎn)閃絡(luò)點(diǎn)一致性辨識(shí)與閃絡(luò)點(diǎn)定位

(4)

(5)

d. 若滿足

e. 若滿足

f. 若滿足

算法失效，需折算后再次計(jì)算或者采用其他測(cè)距方法。以上式中、依經(jīng)驗(yàn)整定為、。算法流程如圖3所示。

圖3 算法流程圖

Fig. 3 Algorithm flow chart

3 仿真實(shí)例及算法精確性影響因素分析

3.1 仿真實(shí)例分析

以圖4所示的仿真系統(tǒng)為例，線路全長(zhǎng)150 km，采樣率為1 MHz，桿塔與線路模型見(jiàn)圖4和圖5，桿塔使用多波阻抗模型進(jìn)行模擬，輸電線路為四分裂導(dǎo)線。雷電流模型選用雙指數(shù)模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

=0(e--e-) (7)

式中：雷電流的波頭為2.6 μs，波尾為50 μs；為20 000；為1 666 666.7；0為雷電流幅值。

圖4 500 kV線路模型示意圖

圖5 500 kV桿塔模型

絕緣子伏秒特性曲線由式(8)確定。

s-()400L+710Lt-0.75(8)

式中：為雷擊開(kāi)始到閃絡(luò)所經(jīng)歷的時(shí)間，單位為μs；x為絕緣子串長(zhǎng)度，本文中絕緣子長(zhǎng)度選為5.46 m[11]。

考慮沖擊電暈對(duì)雷擊波形的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[12]所述可以得到如圖6所示的沖擊電暈等效電路。圖6中，C為沖擊電暈在導(dǎo)線上引起的附加電容，0為導(dǎo)線幾何電容，D1和D2為理想穩(wěn)壓二極管。

本文將導(dǎo)線分為若干段來(lái)近似考慮沖擊電暈對(duì)沿線暫態(tài)電流、電壓波形的影響，建立如圖7所示的考慮沖擊電暈和參數(shù)頻變的線路模型。

圖6 沖擊電暈等效電路

圖7 考慮沖擊電暈和頻變參數(shù)的線路模型

圖8 雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)一致時(shí)的故障線路兩端電流波形

例1設(shè)線路全長(zhǎng)為160 km，雷電流為負(fù)極性雷電流，幅值為12 kA，已知線路發(fā)生繞擊A相導(dǎo)線故障，雷擊點(diǎn)距保護(hù)安裝處65 km，雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)一致，故障線路兩端電流波形如圖8所示。雙端首波頭到達(dá)時(shí)刻分別為=218 μs、=318 μs。根據(jù)式(1)和式(2)，得出雷擊點(diǎn)距M側(cè)距離為=65.1 km、距N側(cè)距離為=94.9 km。M、N端感受到的后續(xù)波頭中與首波頭極性相同的第一個(gè)波頭、到達(dá)雙端的時(shí)刻分別為=651 μs、=952 μs。據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算可得=64.517km、=95.483km。由于滿足

例2 已知輸電線路發(fā)生雷擊故障，設(shè)線路全長(zhǎng)為160 km，雷電流為負(fù)極性雷電流，幅值為12 kA，已知線路發(fā)生繞擊A相導(dǎo)線故障，雷擊點(diǎn)距保護(hù)安裝處65 km，閃絡(luò)點(diǎn)距保護(hù)安裝處60 km，雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致，此時(shí)故障線路兩端電流波形如圖9所示。雙端首波頭到達(dá)時(shí)刻分別為=218 μs、=318 μs。根據(jù)式(1)和式(2)得出雷擊點(diǎn)距M側(cè)距離為=65.1 km、距N側(cè)距離為=94.9 km。M、N端感受到的后續(xù)波頭中與首波頭極性相同的第一個(gè)波頭、到達(dá)雙端的時(shí)刻分別為=618 μs、=984 μs。據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算可得=59.6 km、=99.2 km。由于滿足條件e，即

則可判斷M側(cè)為閃絡(luò)側(cè)，測(cè)距結(jié)果為在線路距M側(cè)65.1 km處雷擊，而在59.6 km處發(fā)生故障。誤差為-400 m。

3.2 算法精確性影響因素分析

(1) 母線類型對(duì)量測(cè)端電流行波波頭的影響

電流行波在母線端會(huì)發(fā)生反射，電流反射系數(shù)的計(jì)算公式為

若母線端只有一條線路，由于入射行波的波頭前沿部分基本上是較高頻率分量，這些較高頻率分量對(duì)應(yīng)的變壓器等設(shè)備的等效阻抗一般較大，遠(yuǎn)大于線路阻抗，使得電流行波的反射系數(shù)可能接近于-1，電流行波波頭高頻分量經(jīng)反射后削弱，甚至電流行波中波頭的入射部分和反射部分可能相互抵消，以致所測(cè)電流行波波頭變緩。如圖10所示。

圖9 雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致時(shí)的故障線路兩端電流波形

圖10 母線類型對(duì)M、N側(cè)電流行波波頭的影響

4 實(shí)際工程中疑似雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致波形分析

2013年9月12日，大理供電局大蘇線II回發(fā)生故障跳閘，圖11和圖12分別為蘇屯變和大理變相應(yīng)故障波形圖，其中故障相為C相，對(duì)應(yīng)圖中紅線部分。

圖11 蘇屯變故障三相波形

圖12 大理變故障三相波形

圖13和圖14為故障相的波形放大圖，由圖可知，在故障初始波頭存在明顯的后續(xù)振蕩，且振蕩存在明顯的等間隔分布特征，疑似為雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致的故障波形。

由于大蘇II回線兩端均裝設(shè)有故障行波測(cè)距裝置，兩個(gè)站分別進(jìn)行單端測(cè)距和兩個(gè)站通過(guò)GPS時(shí)間匹配所得結(jié)果如表1所示，表1的測(cè)距結(jié)果均為距蘇屯變的距離。

由表1可知，測(cè)距結(jié)果滿足前文所敘述的關(guān)于雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致情況的測(cè)距情況。

圖13 蘇屯變故障波形

圖14 大理變故障波形

表1 行波測(cè)距結(jié)果

雷電定位系統(tǒng)由美國(guó)科學(xué)家Martin A Uman和和E Philip Krider教授于20世紀(jì)70年代提出并實(shí)現(xiàn)，我國(guó)在20世紀(jì)80年代末由原廣西電力局、原水電部武漢高壓研究所(武高院)和中科院北京空間中心分別從美國(guó)引進(jìn)了雷電定向定位系統(tǒng)設(shè)備，1991年初在浙江電網(wǎng)裝設(shè)了國(guó)內(nèi)最早國(guó)產(chǎn)的雷電定向定位實(shí)驗(yàn)性系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)20年的不斷發(fā)展，形成了覆蓋全國(guó)電網(wǎng)的全自動(dòng)、大面積、高精度、實(shí)時(shí)雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[13-18]。雷電定位系統(tǒng)目前無(wú)法直接獲取其原始數(shù)據(jù)，其主要的應(yīng)用方式一般為通過(guò)WEB進(jìn)行查詢，并將查詢結(jié)果從雷電定位系統(tǒng)服務(wù)器下載至本地。表2所示為2013年9月12日大理供電局大蘇線II回發(fā)生故障跳閘時(shí)，通過(guò)WEB查詢得到的雷擊相關(guān)信息，包括雷擊引起的空氣中電磁場(chǎng)變化到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間、雷擊點(diǎn)位置、雷擊回?fù)魯?shù)、雷擊極性等信息。

表2 雷電監(jiān)測(cè)信息查詢結(jié)果報(bào)表

由表2可知，在故障行波到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)刻(2013-09-12-16:37:25.105)確實(shí)在大蘇線附近有雷電記錄，且雷電記錄較為密集，可知當(dāng)時(shí)大蘇線II回線路走廊正遭受雷雨天氣襲擊。其中發(fā)生于2013-09-12 16:37:25.1054的第6條記錄與行波測(cè)距裝置記錄的故障時(shí)間最為接近，雷擊位置與現(xiàn)場(chǎng)巡線結(jié)果也相差較小，現(xiàn)場(chǎng)巡線結(jié)果確認(rèn)為雷擊故障，故障位于第150號(hào)桿塔C相絕緣子。雷擊記錄最為接近第154~155號(hào)桿塔，而現(xiàn)場(chǎng)巡線結(jié)果為第150號(hào)桿塔，可見(jiàn)，此次雷擊故障存在雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致的可能性。

5 結(jié)論

(1) 本文根據(jù)雙端感受到的后續(xù)波頭中與首波頭極性相同的第一個(gè)波頭含有的故障信息，對(duì)雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)的一致性進(jìn)行辨識(shí)，并且提出“距離一致性比較”的方法對(duì)雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致情況進(jìn)行閃絡(luò)點(diǎn)定位，實(shí)現(xiàn)了雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致情況下雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)的精確測(cè)距。

(2) 本文分析了算法中可能影響測(cè)距精度的一些因素，當(dāng)母線端只有一條線路時(shí)，會(huì)導(dǎo)致所測(cè)電流行波波頭變緩，影響測(cè)距結(jié)果；當(dāng)雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致距離時(shí)，無(wú)法判別雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致的情況，造成算法失效。雷擊點(diǎn)與閃絡(luò)點(diǎn)不一致的情況普遍存在，嚴(yán)重影響著現(xiàn)有行波測(cè)距算法的可靠性，應(yīng)引起足夠的重視。

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(編輯 周金梅)

Inconsistent identification andlocation of transmission line lightningpoint and flashover point

MA Yi1, HUANG Ran1, SHEN Yuan1, SHU Hongchun2, YU Duo2, MU Runzhi2, BAI Bing2

(1. Electric Power Research Institute, Yunnan Electric Power Test Research Institute (Group) Co., Ltd., Kunming 650217, China;2. Schoool of Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

When the transmission lines fault occurred due to lightning strike, and the lightning strike point is not the same as flashover point, double ended traveling wave fault location device will locate out lightning strike point rather than flashover point. So traveling wave location accuracy will be adversely affected. Based on the fault information of the first head that double ended felt in subsequent wave heads which polarity is the same as first wave head, this paper identifies the consistency of lightning strike point and flashover point, and proposes the method of “distance consistency comparison” to locate flashover point when lightning strike point and flashover point are inconsistent. Meanwhile, the applicability and influencing factors of the location method are analyzed. Simulation experiment and real data verify the reliability and validity of proposed new method.

power system; lightning; transmission line; flashover; fault location

10.7667/PSPC151514

2015-08-26；

2015-09-02

馬 儀(1969-)，男，碩士，高工，主要從事輸電線路建設(shè)及安全運(yùn)行研究；黃 然(1985-)，女，碩士，主要從事輸電線路建設(shè)及安全運(yùn)行研究；申 元(1979-)，男，碩士，主要從事輸電線路建設(shè)及安全運(yùn)行研究。