避雷器雷擊電流波形參數(shù)檢測方法及其應(yīng)用

王慶華+曹立波+陳其平+陳玲強(qiáng)

摘 要：文章提出一種檢測避雷器雷擊電流波形特征參數(shù)的方法，其波形參數(shù)在避雷器安裝現(xiàn)場提取，所述特征參數(shù)包括雷擊沖擊電流波形的幅度、寬度、沖擊間隔和沖擊個數(shù)。討論雷擊沖擊電流波形特征參數(shù)的兩種潛在應(yīng)用：（1）用于分析雷擊強(qiáng)度、雷擊次數(shù)對避雷器劣化的影響；（2）用于對配送網(wǎng)行波定位誤差進(jìn)行標(biāo)定，提高故障定位精度；（3）用于對配電線路中的雷擊電流波形和短路電流波形進(jìn)行區(qū)分，提高輸電線路行波保護(hù)的可靠性，描述了相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：雷擊電流波形；避雷器劣化；行波保護(hù)；配送網(wǎng)故障定位

中圖分類號：TM863 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0067-04

Abstract： This paper presents a method for detecting the characteristic parameters of lightning surge current waveform of arrester， whose waveform parameters are extracted from the spot of lightning arrester installation. The characteristic parameters include an amplitude， a width， an impact interval and a number of shocks of a lightning impact current waveform. Two potential applications of characteristic parameters of lightning impulse current waveform are discussed： 1） to analyze the influence of lightning strike intensity and lightning stroke number on lightning arrester deterioration； 2） it is used to calibrate the location error of traveling wave in distribution network to improve the accuracy of fault location； 3） it is used to distinguish the lightning current waveform from the short-circuit current waveform in the distribution line， and to improve the reliability of the traveling wave protection of the transmission line. The corresponding implementation architecture of the Internet of things is described.

Keywords： lightning current waveform； lightning arrester deterioration； traveling wave protection； distribution network fault location

前言

行波保護(hù)的核心問題是對輸電線路中出現(xiàn)的非故障雷擊放電（非線路故障）和線路擊穿放電（線路故障）進(jìn)行區(qū)分，以避免非故障雷擊放電導(dǎo)致行波保護(hù)機(jī)構(gòu)誤動作，只對線路擊穿放電進(jìn)行保護(hù)[1]。非故障雷擊放電和線路擊穿放電進(jìn)行區(qū)分的方法包括時域法線路故障識別[2][3]和頻域法線路故障識別[4～7]。文獻(xiàn)[2～7] 是以特高壓輸電網(wǎng)為對象討論行波保護(hù)，將輸電網(wǎng)行波保護(hù)的原理和技術(shù)用于配電網(wǎng)行波保護(hù)是行波保護(hù)的一個發(fā)展趨勢。

利用行波的傳輸時間實施配電網(wǎng)故障定位首先在特高壓輸電網(wǎng)為應(yīng)用場景[8]，在2000年之后，出現(xiàn)了針對配電網(wǎng)的行波故障定位研究[9]，如何改善配電網(wǎng)的行波法故障定位精度是需要進(jìn)一步研究的課題。

目前，避雷器劣化監(jiān)測技術(shù)在統(tǒng)計避雷器遭受的雷擊次數(shù)環(huán)節(jié)存在的缺點是，只簡單地統(tǒng)計雷擊次數(shù)，不獲取避雷器雷擊電流的幅度和沖擊電流個數(shù)，因此，不能準(zhǔn)確得到雷擊強(qiáng)度、雷擊次數(shù)對避雷器劣化的影響規(guī)律；行波保護(hù)技術(shù)存在的缺點是，所使用的雷擊電流波形是通過對輸/配電線上行波的測量獲得，沒有使用避雷器雷擊電流的波形，而通過對輸/配電線上行波的測量獲得的雷擊電流波形必然包含線路干擾，該干擾會降低區(qū)分線路故障與非故障雷擊放電的準(zhǔn)確度；行波法故障定位存在的缺點是定位誤差大，特別是對配電線路，其誤差難以滿足實際需要。

檢測避雷器的雷擊沖擊電流波形特征參數(shù)，將該波形特征參數(shù)用于避雷器劣化監(jiān)測、行波保護(hù)和配電網(wǎng)故障定位，既可以準(zhǔn)確得到雷擊強(qiáng)度、雷擊次數(shù)對避雷器劣化的影響規(guī)律，又可以提高區(qū)分線路故障與非故障雷擊放電的準(zhǔn)確度，還可以提高故障定位精度，這是本文的出發(fā)點。

1 避雷器雷擊電流波形參數(shù)檢測方案

雷電流波形的測量是研究雷電的主要內(nèi)容之一，因為一旦知道雷電流波形，我們就可得到有關(guān)雷電流的參數(shù)，如峰值、最大電流上升率、峰值時間。

為了對雷電流進(jìn)行研究分析，可以用簡練的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述典型雷電流波形。Bruce和Golde等人于1941年提出了地閃回?fù)綦娏鞯碾p指數(shù)表達(dá)式：

為了測量得到雷電峰值和寬度，采用羅氏線圈進(jìn)行采樣，羅氏線圈也叫微分線圈、空氣線圈，因為沒有磁芯，故不存在飽和、磁滯等問題，也不會產(chǎn)生渦流，所以頻率特性很好，因此非常適合進(jìn)行雷電流信號的采樣。endprint

雷電流峰值，脈寬測量電路實現(xiàn)見圖2電路仿真設(shè)計實現(xiàn)

信號源V2加載matlab生成雷擊波形文件，進(jìn)行雷電流波形發(fā)生，前端采用精密絕對值電路進(jìn)行波形翻轉(zhuǎn)，主要由U4來完成，將信號送入峰值檢波電路進(jìn)行峰值采樣，通過U2比較器來進(jìn)行峰值波形一半的雷擊波形脈寬檢測，R6提供一個預(yù)偏置，使得輸出為0。

2 避雷器雷擊電流波形參數(shù)應(yīng)用舉例

目前，用于避雷器在線監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)[10]功能單一，沒有綜合實現(xiàn)避雷器劣化監(jiān)測、配電網(wǎng)行波保護(hù)和配電網(wǎng)故障定位的能力，通常包括采集器、信號傳輸裝置和顯示報警裝置。其中，采集器包括：電流計、電壓計、放電計數(shù)器。所述電流計、放電計數(shù)器與避雷器分別采集避雷器的泄壓電流和放電次數(shù)。其電流計是對泄漏電流采集，不對雷擊電流采集，其放電計數(shù)器只對雷擊放電次數(shù)進(jìn)行計數(shù)，不檢測雷擊電流的波形。

一種實現(xiàn)雷擊電流波形參數(shù)用于避雷器劣化監(jiān)測、配電網(wǎng)行波保護(hù)和配電網(wǎng)故障定位的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖4所示。該物聯(lián)網(wǎng)包括避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)、行波保護(hù)子系統(tǒng)、故障定位子系統(tǒng)、無線接入子系統(tǒng)和云端處理子系統(tǒng)。其中，避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)包括：避雷器泄漏電流采集模塊、雷擊沖擊電流波形參數(shù)檢測模塊和無線傳輸模塊；無線傳輸模塊將避雷器泄漏電流和雷擊沖擊電流波形參數(shù)發(fā)送給云端，并且通過低時延數(shù)據(jù)傳輸通道將雷擊沖擊電流波形參數(shù)發(fā)送給行波保護(hù)子系統(tǒng)。

行波保護(hù)子系統(tǒng)包括：線路行波檢測模塊、行波類型識別模塊、保護(hù)驅(qū)動模塊和低時延數(shù)據(jù)傳輸模塊；低時延數(shù)據(jù)傳輸模塊為行波類型識別結(jié)果和雷擊沖擊電流波形參數(shù)提供低時延傳輸通道，實現(xiàn)對線路故障的快速識別和快速保護(hù)。

故障定位子系統(tǒng)包括時間同步模塊、行波到達(dá)時間檢測模塊和故障位置估計模塊；通常，時間同步模塊和行波到達(dá)時間檢測模塊位于線路現(xiàn)場，故障位置估計模塊位于云端。

無線接入子系統(tǒng)包括：低功耗低速率無線傳輸模塊、無線路由器；低功耗低速率無線傳輸模塊可以使用NB-IOT或Lora實現(xiàn)。

云端處理子系統(tǒng)包括：避雷器劣化分析模塊、線路故障定位模塊、電力線行波保護(hù)管理模塊和線路維護(hù)指導(dǎo)模塊。

2.1 避雷器雷擊電流波形應(yīng)用于避雷器劣化程度判斷

目前對雷擊信息的采集[10]，是對雷擊次數(shù)的統(tǒng)計，沒有檢測雷擊電流波形參數(shù)，要準(zhǔn)確掌握雷擊對避雷器劣化的影響，需要獲取包括幅度、沖擊寬度、沖擊個數(shù)、沖擊間隔在內(nèi)的雷擊電流波形參數(shù)。

分析雷擊對避雷器劣化的影響，基本方法是使用無雷擊劣化曲線作為避雷器劣化基準(zhǔn)曲線參照，與承受雷擊應(yīng)力的避雷器的劣化曲線進(jìn)行對比。

第一步，選取沒遭受雷擊的避雷器作為對照樣本，獲取無雷擊應(yīng)力作用的避雷器的阻性電流的大小及隨時間的變化曲線；以此曲線作為基準(zhǔn)，對比雷擊應(yīng)力的影響。

第二步，選擇與對照樣本相同型號、相同工作時間的避雷器，按照泄漏電流大小分類、相同泄漏電流下，雷擊應(yīng)力作用規(guī)律的統(tǒng)計分析。

具體地，按照雷擊應(yīng)力大小分類、相同雷擊應(yīng)力下，泄漏電流分布規(guī)律統(tǒng)計。

雷擊應(yīng)力采用波形恢復(fù)法，按照定波形參數(shù)重構(gòu)雷擊電流波形，對重構(gòu)的雷擊沖擊電流波形進(jìn)行面積計算，將雷擊沖擊電流波形面積作為雷擊應(yīng)力。

2.2 避雷器雷擊電流波形應(yīng)用于線路故障識別

行波保護(hù)具有快速動作性能。此外，行波保護(hù)還具有不受過渡電阻、電流互感器（TA）飽和、系統(tǒng)振蕩和長線分布電容等影響的獨特優(yōu)點。文獻(xiàn)[11]指出，行波保護(hù)的動作時間主要包括：（1）算法時間，超高壓線路一般從幾十km到幾百km，而積分時間是選擇行波在最短的線路上一個來回的傳播時間，因此一般不會超過2ms，實際算法用1ms左右的數(shù)據(jù)窗；（2）通道傳輸時間，兩側(cè)保護(hù)判斷出故障方向后，只需傳輸判斷結(jié)果0（反方向）或1（正方向）一個字節(jié)即可，所需時間也在1ms左右。因此，即使加上其他的時間延遲，保護(hù)最多在5ms之內(nèi)即可出口。但是，由于電網(wǎng)中存在避雷器產(chǎn)生的放電沖擊電流，該沖擊電流會干擾對短路沖擊電流的識別，因此，對基于行波或暫態(tài)量的保護(hù)來說是必須解決的問題。準(zhǔn)確快速區(qū)分線路短路故障產(chǎn)生的行波與雷擊沖擊產(chǎn)生的行波，對提高輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)行波保護(hù)準(zhǔn)確度都有重要意義。

在雷電干擾與短路故障的識別的研究中，無論是時域法[2][3]還是頻域法[4～7]，都沒有利用避雷器接地端的雷擊波形作為進(jìn)一步提高短路故障識別率的手段。文獻(xiàn)[3]給出的積分法識別非故障雷擊時電流波形、故障性雷擊時的電流波形和短路故障時的電流波形這三種波形的方法，根據(jù)二者的相對比值大小構(gòu)成識別故障與非故障性雷擊的主判據(jù)；其二，利用兩個積分值的差構(gòu)建輔助判據(jù)以提高故障性雷擊和非故障性雷擊識別的可靠性。

如果借助避雷器接地端的雷擊波形的信息，就會簡化對波形的識別過程：

情況一、當(dāng)沒有接收到避雷器接地端的雷擊波形的信息時，則線路上檢測到的行波暫態(tài)波形就是短路故障時的電流波形。

情況二、當(dāng)接收到避雷器接地端的雷擊波形的信息時，則線路上檢測到的行波暫態(tài)波形只有兩種可能：為非故障雷擊時電流波形或故障性雷擊時的電流波形。只要使用避雷器接地端的雷擊波形與線路上取得的波形進(jìn)行相關(guān)運算，根據(jù)相關(guān)性大小即可區(qū)分判非故障雷擊時電流波形或故障性雷擊時的電流波形。

此外，文獻(xiàn)[3]指出，非故障性雷擊的波形特征是基于行波的折反射理論，而母線結(jié)構(gòu)對行波的折反射產(chǎn)生影響，進(jìn)而可能影響到對雷擊的識別。若母線M上僅有電源支路和被識別線路（如母線N），由于電源的波阻抗遠(yuǎn)大于線路的波阻抗，反射系數(shù)接近1，僅依靠母線雜散電容只能檢測到微弱行波。另外，在此情形下無折射波的出現(xiàn)，此時判據(jù)將會失效。對此問題，如果利用避雷器接地端的雷擊波形信息，可以在文獻(xiàn)[3]給出的判據(jù)失效的情況下使用上述情況二所述的方法非故障雷擊時電流波形或故障性雷擊時的電流波形。endprint

2.3 避雷器雷擊電流波形應(yīng)用于線路故障定位

由于配電網(wǎng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)載變化上比輸電線路更為復(fù)雜，配電網(wǎng)上行波的傳播形式也更為復(fù)雜，因此，要實現(xiàn)有使用價值的故障定位精度，配電網(wǎng)在距離估計上需要采取更多的技術(shù)措施。在傳統(tǒng)的故障定位研究中，雷擊電流沖擊被當(dāng)作故障定位的干擾，本文則提出使用雷擊電流沖擊波形對行波故障定位系統(tǒng)進(jìn)行誤差標(biāo)定，從而提高行波定位系統(tǒng)的定位性能。

用雷擊電流沖擊波形對行波故障定位系統(tǒng)進(jìn)行誤差標(biāo)定的原理是：使用雷擊沖擊電流的行波進(jìn)行到達(dá)時間測量，將測得的到達(dá)時間轉(zhuǎn)換為距離確定雷擊波形的位置坐標(biāo)，將該位置坐標(biāo)與已知的避雷器的安裝位置坐標(biāo)進(jìn)行比較，獲取位置偏移量，使用該位置偏移量進(jìn)行如下兩項分析：

（1）進(jìn)行故障定位精度判定，即通過對多個避雷器放電行波的定位，結(jié)合避雷器的實際位置，統(tǒng)計得到行波定位的統(tǒng)計誤差。

（2）進(jìn)行定位誤差的標(biāo)定，通過對已知位置坐標(biāo)的避雷器的放電行波的定位，確定定位模塊對到達(dá)時間的估計值的誤差，并根據(jù)該誤差對定位模塊的到達(dá)時間估計值進(jìn)行修正，使得定位模塊在對短路故障定位時能夠獲得較好的定位精度。

3 結(jié)束語

雷擊電流波形參數(shù)的檢測可以獲得較完整的波形信息，比現(xiàn)有的雷擊計數(shù)具有更廣泛的應(yīng)用。支持避雷器劣化監(jiān)測、行波保護(hù)和配電網(wǎng)故障定位的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)所提供的云端信息綜合能力可以實現(xiàn)系統(tǒng)的綜合優(yōu)化。使用雷擊電流波形參數(shù)提高配電網(wǎng)的行波保護(hù)性能和配電網(wǎng)故障定位性能，還需要完善實現(xiàn)方法和開展現(xiàn)場測試工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]滿宏超，何建華.氧化鋅避雷器在線監(jiān)測原理及缺陷分析[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2011（09）：309.

[2]司大軍，束洪春，陳學(xué)允，等.輸電線路雷擊的電磁暫態(tài)特征分析及其識別方法研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25（7）：64-69.

[3]鄒貴彬，等.輸電線路雷擊與故障的積分識別方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（9）：43-48.

[4]吳吳，肖先勇，鄧武軍.輸電線路行波測距中雷擊與短路故障的識別[J].高電壓技術(shù)，2007，33（6）：63-67.

[5]段建東，張保會，郝治國，等.超高壓線路暫態(tài)保護(hù)中雷電干擾與短路故障的識別[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28（18）：30-35.

[6]段建東，任晉峰，張保會，等.超高速保護(hù)中雷電干擾識別的暫態(tài)法研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2006，26（23）：7-13.

[7]哈恒旭，等.輸電線路邊界保護(hù)中雷電沖擊與故障的識別[J].繼電器，2003，31（4）：1-5.

[8]鄒貴彬，等.基于小波變換的超高速行波保護(hù)和故障定位算法[J].繼電器，2007，35（增刊）：68-73.

[9]A. Borghetti，etc，On the use of continuous-wavelet transform for fault location in distribution power systems[J]. Electrical Power and Energy Systems 28（2006）608-617.

[10]何育，等.一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的避雷器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)[P].中國專利：CN106707056A，2017-05-24.

[11]鄒貴彬，等.新型暫態(tài)行波幅值比較式超高速方向保護(hù)[J].中 國電機(jī)工程學(xué)報，2009，29（7）：84-90.endprint