CN101290336A - 一种交流输电线路雷电绕击与反击的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流输电线路雷电绕击与反击的辨识方法。由于雷电绕击与反击交流输电线路的电磁暂态量产生的机理，以及线路上雷击电磁暂态的传播路径不同，故其产生的电流暂态信号在不同频带的能量分布存在较大差异。因此，本发明于保护安装处的行波分析与测距高速采集系统中，利用小波分析提取零模电流在不同频带下的能量，根据能量分布的特征来区分雷电绕击故障与反击故障，经过大量仿真表明该方法可靠、有效，完全能对交流线路全线的雷电绕击与反击故障进行准确识别。本发明所依据的理论基础较为直观，物理概念清晰，因而易于实现，可广泛应用于交流系统保护装置，为交流线路防雷设计提供重要数据支撑，为线路的运行与维护提供参考。

Description

一种交流输电线路雷电绕击与反击的识别方法

技术领域

本发明涉及一种交流输电线路雷电绕击与反击的识别方法，属于电力系统雷电电磁暂态监测技术领域。

背景技术

雷云放电时在导线或电气设备上形成雷电过电压，分为直击雷和感应雷过电压^[1]。直击雷过电压可能达到很大的幅值，即便是绝缘强度很高的特高压输电线路，仍会因绝缘子的闪络而引起雷击跳闸事故。直击雷故障分为绕击、反击两种，绕击是雷电绕开避雷线直击于输电线上，而反击是雷电直击于避雷线上或杆塔上，由于杆塔接地电阻存在，塔顶电位瞬间突增导致绝缘闪络^[2]。因两种雷击故障的产生机理不同，故而防护措施也不相同。只有正确的完成判断，交流线路防雷才能做到有的放矢、事半功倍^[3]。然而，目前对输电线路的雷电绕击、反击故障的辨别十分困难。国外对雷电绕击、反击的研究大多停留在杆塔设计领域，而国内大部分是根据多年工作经验由人为判定，其存在的误差较大。此外，也有提出通过在杆塔安装磁带测量装置辨别雷电绕击、反击故障^[4]，但实现起来较为不便。

研究改善高压交流架空输电线路的雷电特性，是当前我国高压输电工程亟待解决的重要课题之一。提出一种简单可靠的方法，使其能在对雷击故障进行故障点准确定位的前提下，准确辨别出雷击故障的类型，将为线路防雷提供重要数据支撑，为线路的运行与维护提供参考。随着对行波保护与暂态保护研究的深入，一些研究者关注雷电故障与非雷电故障的区分问题，并取得了一定的成果^[7-14]，但对于雷击故障中绕击、反击的区分则有待进一步研究。

参考文献

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[14]M A Al-Tai，H S B Elayyan.The simulation of surge corona on transmission lines.IEEETrans.PD，Vol.4，No.2，Apr.1989，pp.1360～1368.

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，在对雷击绕击交流输电线路造成反击故障及绕击故障的电磁暂态特征分析的基础上，提出一种交流输电线路反击故障与绕击故障的识别方法。

雷电冲击作用于输电线路上时，根据过电压的形成过程可以分为两大类：感应雷和直击雷。其中，直击雷引起的故障又可分为绕击和反击两类。雷击塔顶和避雷线时，雷电流沿杆塔流入大地，因杆塔波阻抗和接地电阻的存在，将在杆塔上产生暂态电位升高，当塔顶电位高于导线电位时，将引起绝缘子闪络，称之为反击；雷电流绕过避雷线击中导线引起绝缘子闪络，称之为绕击。本发明主要对直击雷引起的绕击和反击故障进行电磁暂态计算分析，系统模型如图1所示，雷电流选用2.6/50us标准雷电流波形，如图2所示，导体排列方式及线路杆塔结构分别如图3、图4。为准确仿真计算雷击杆塔的电磁暂态过程，杆塔采用多波阻抗模型，如图5所示，绝缘子采用压控开关实现。

由于雷电绕击与反击交流输电线路所发生的机理、雷电波的传播路径各不相同，故其产生的暂态信号在不同频率段的能量分布存在较大差异。本发明在保护安装处的行波分析与测距高速采集系统中，利用小波分析提取零模电流在不同频带下的能量，根据能量分布的特征来区分雷电绕击故障与反击故障。

本发明的交流输电线路雷电绕击与反击的识别方法经过下列步骤完成：

1)当任一相电流突变量|i_ph(n+1)-i_ph(n)|-|i_ph(n)-i_ph(n-1)|大于整定值时，采样频率为1MHz的高速数据采集与录波装置启动，并记录故障后10ms的电流行波波形；

2)运用Karenbauer变换矩阵按下列(1)式计算电流行波零模分量U₀(t)和线模分量U_α(t)、U_β(t)：

$\left[\begin{array}{c}{U}_0\left(t\right)\\ U_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\\ U_{\mathrm{\β}}\left(t\right)\end{array}\right]=S^{-1}\left[\begin{array}{c}{U}_a\left(t\right)\\ U_b\left(t\right)\\ U_c\left(t\right)\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ 1& 0& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_a\left(t\right)\\ U_b\left(t\right)\\ U_c\left(t\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中U_a(t)、U_b(t)、U_c(t)分别为检测到的三相暂态电流；

3)使用DB4小波对零模电流分量进行多分辨率分析，利用小波变换结果w_i(k)计算每个频带的能量： $E_i=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_i\left(k\right)\right|}^2---\left(2\right)$

和每个频带的能量分布： $K_i\%=\frac{E_i}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k}---\left(3\right)$

其中，i为多分辨率的层数；

4)基于上述原理，形成故障识别判据如下：

若E₁＞E₂＞E₃且K₁％＞0.30，则判断为雷电绕击故障，

若E₁＜E₂且K₁％≤0.30，则判断为雷电反击故障。

本发明与现有技术相比具有如下优点：采用上述方案，即在保护安装处的行波分析与测距高速采集系统中，利用小波分析提取零模电流在不同频带下的能量，根据能量分布的特征来区分雷电绕击故障与反击故障。经过大量仿真表明该方法可靠、有效，完全能对交流线路全线的雷电绕击与反击故障进行准确识别。由于本发明所依据的理论基础较为直观，物理概念清晰，因而易于实现，可广泛应用于交流系统保护装置，为交流线路防雷设计提供重要数据支撑，为线路的运行与维护提供参考。

附图说明

图1为交流系统示意图；

图2为雷电流波形；

图3为交流输电线路导体排列示意图；

图4为交流输电线路杆塔结构；

图5为交流输电线路杆塔多波阻抗模型；

图6为发生反击故障时，检测到的三相电流波形；

图7为发生反击故障时，零模电流波形；

图8为图7的局部放大示意图；

图9为发生绕击故障时，检测到的三相电流波形；

图10为发生绕击故障时，零模电流波形；

图11为图10的局部放大示意图；

图12为发生反击故障时，零模电流经小波变换后的能量分布；

图13为发生绕击故障时，零模电流经小波变换后的能量分布；

图14为本发明的雷电绕击与反击故障识别流程图。

具体实施方式

交流输电线路发生雷击故障时，利用上述原理可以实现对雷电绕击故障和反击故障的正确识别。具体实现流程如图14所示。

具体步骤如下：

1)当任一相电流突变量|i(n+1)-i(n)|-|i(n)-i(n-1)|大于整定值时，采样频率为1MHz的高速数据采集与录波装置启动并记录故障后10ms的电流行波波形；

2)运用Karenbauer变换矩阵计算电流行波零模分量U₀(t)和线模分量U_α(t)、U_β(t)，如式(1)所示：

$\left[\begin{array}{c}{U}_0\left(t\right)\\ U_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\\ U_{\mathrm{\β}}\left(t\right)\end{array}\right]=S^{-1}\left[\begin{array}{c}{U}_a\left(t\right)\\ U_b\left(t\right)\\ U_c\left(t\right)\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ 1& 0& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_a\left(t\right)\\ U_b\left(t\right)\\ U_c\left(t\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中U_a(t)、U_b(t)、U_c(t)分别为检测到的三相暂态电流；

3)当判断为雷击故障时，对零模电流分量进行小波分析，使用DB4小波进行5层多分辨率分析，利用小波变换结果w_i(k)计算每个频带的能量：

$E_i=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_i\left(k\right)\right|}^2,(i=\mathrm{1,2,3,4,5})---\left(2\right)$

和每个频带的能量分布：

$K_i\%=\frac{E_i}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k},(i=\mathrm{1,2,3,4,5})---\left(3\right)$

4)基于上述原理，形成故障识别判据如下：

若E₁＞E₂＞E₃且K₁％＞0.30，则判断为雷电绕击故障，

若E₁＜E₂且K₁％≤0.30，则判断为雷电反击故障。

实施例说明如下：分别考虑图1所示交流输电系统，雷击线路首端100km处引起反击故障和绕击故障，雷电波如图2所示，交流线路排列方式及杆塔如图3，4。发生反击故障时，三相暂态交流电流波形如图6所示，经式(1)计算得到电流行波零模分量U₀(t)如图7所示，对零模电流分量进行5层多分辨率分析后，运用式(2)、式(3)进行计算得到每个频带的能量和能量分布，如表1所示，能量分布图如图12所示。发生绕击故障时，三相暂态交流电流波形如图9所示，经式(1)计算得到电流行波零模分量U₀(t)和如图10所示，对零模电流分量进行5层多分辨率分析后，运用式(2)、式(3)进行计算得到每个频带的能量和能量分布，如表1所示，能量分布图如图13所示。

表1

Claims (1)

1、一种交流输电线路雷电绕击与反击的识别方法，其特征在于经过下列步骤完成：

1)当任一相电流突变量|i(n+1)-i(n)|-|i(n)-i(n-1)|大于整定值时，采样频率为1MHz的高速数据采集与录波装置启动并记录故障后10ms的电流行波波形；

2)应用Karenbauer变换矩阵按下列(1)式计算电流行波零模分量U₀(t)和线模分量U_α(t)、U_β(t)：

$\left[\begin{array}{c}{U}_0\left(t\right)\\ U_a\left(t\right)\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=S^{-1}\left[\begin{array}{c}{U}_a\left(t\right)\\ U_b\left(t\right)\\ U_c\left(t\right)\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ 1& 0& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_a\left(t\right)\\ U_b\left(t\right)\\ U_c\left(t\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中U_a(t)、U_b(t)、U_c(t)分别为检测到的三相暂态电流；

3)使用DB4小波对零模电流分量进行多分辨率分析，利用小波变换结果w_i(k)计算每个频带的能量：

$E_i=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_i\left(k\right)\right|}^2---\left(2\right)$

和每个频带的能量分布：

$K_i\%=\frac{E_i}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k}---\left(3\right)$

其中，i为多分辨率的层数；

4)基于上述原理，形成下列故障识别判据：

若E₁＞E₂＞E₃且K₁％＞0.30，则判断为雷电绕击故障，

若E₁＜E₂且K₁％≤0.30，则判断为雷电反击故障。

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