CN101290337A - 一种高压直流输电线路雷电绕击与反击的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压直流输电线路雷电绕击与反击的辨识方法。线路雷电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。雷电绕击与反击高压直流输电线路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，其产生的电压暂态信号在不同频带的能量分布存在较大差异。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压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。大量仿真表明该方法可靠、有效。本发明的物理概念直观清晰，且易于实现，可广泛应用于高压直流系统保护装置，为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

一种高压直流输电线路雷电绕击与反击的识别方法

技术领域

本发明涉及电力系统雷电电磁暂态监测技术领域，具体地说是一种高压直流输电线路雷电绕击与反击的辨识方法。

背景技术

随着经济建设的快速发展，跨区域的长距离输电成为必然^[1]。因此，±800kV特高压直流(UHVDC)输电系统越来越受到关注，到2010年我国将建成世界首个±800kV UHVDC输电工程——云广直流输电工程。由于远距离的输电使线路发生短路、雷击的概率大大增加，严重威胁到直流系统的稳定运行，如何防止输电线路雷击的闪络、避免雷击跳闸正是电力系统急需解决的难题^[2]。雷击线路故障分为绕击、反击两种，线路雷电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。两种雷击故障的产生机理不同，防护措施不同，只有正确的完成判断，直流线路防雷才能做到有的放矢、事半功倍^[3]。然而，当前对于输电线路绕击、反击故障的辨别十分困难，国外对绕击、反击的研究多数停留在杆塔设计领域；国内大部分是根据多年工作经验由工程师人为判定，此种方法存在较大误差，此外，也有提出通过在杆塔安装磁带测量装置辨别绕击、反击故障^[4]，但实现起来较为不便。

世界上首个特高压直流输电工程——云广直流输电工程，线路全长1438km，沿途气候多变，杆塔高度很高，由于没有同类工程经验作参考，线路的防雷始终是一个难点^[5，6]。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^[7-16]，但对于雷电故障中绕击、反击的区分则有待进一步研究。

参考文献

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发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，在对雷击绕击高压直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，提供一种高压直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，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，直击雷引起的故障有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，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、4。为了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。

雷电绕击与反击直流输电线路发生机理、雷电波的传播路径各不相同，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压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。

本发明的识别方法步骤如下：

1)当电压变化率du/dt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的电压行波波形；

2)运用Karenbauer变换矩阵计算电压行波零模分量U₀(t)和线模分量U₁(t)，如式(1)所示： $\left[\begin{array}{c}{U}_0\left(t\right)\\ U_1\left(t\right)\end{array}\right]=S^{-1}\left[\begin{array}{c}{U}_{+}\left(t\right)\\ U_{-}\left(t\right)\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{+}\left(t\right)\\ U_{-}\left(t\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中U₊(t)为检测到的正极直流暂态电压，U_-(t)为检测到的负极直流暂态电压；

3)使用DB4小波对零模电压分量进行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： $K_i\%=\frac{E_i}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k},(i=\mathrm{1,2,3,4,5})---\left(3\right)$

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。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的理论基础较为直观，容易实现，通过大量的电磁暂态仿真验证了本方法可靠、有效。本发明能对高压直流线路全线的雷电绕击与反击故障的进行准确识别。本发明的物理概念直观清晰，且易于实现，可广泛应用于高压直流系统保护装置，为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为特高压直流系统示意图；

图2为雷电流波形；

图3为特高压直流输电线路导体排列示意图；

图4为特高压直流输电线路杆塔结构；其中的尺寸线？

图5为特高压直流输电线路杆塔多波阻抗模型；

图6为发生反击故障时，检测到的正极电压波形；

图7为发生反击故障时，检测到的负极电压波形；

图8为发生反击故障时，零模电压波形；

图9为发生反击故障时，线模电压波形；

图10为图8局部放大示意图；

图11为发生绕击故障时，检测到的正极电压波形；

图12为发生绕击故障时，检测到的负极电压波形；

图13为发生绕击故障时，零模电压波形；

图14为发生绕击故障时，线模电压波形；

图15为图13局部放大示意图；

图16为本发明的反击故障零模电压经小波变换后的能量分布；

图17为本发明的绕击故障零模电压经小波变换后的能量分布；

图18为本发明的反击故障与绕击故障的识别流程图。

具体实施方式

高压直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18所示。

具体步骤如下：

1)当电压变化率du/dt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的电压行波波形；

2)运用Karenbauer变换矩阵计算电压行波零模分量U₀(t)和线模分量U₁(t)，如式(1)所示：

$\left[\begin{array}{c}{U}_0\left(t\right)\\ U_1\left(t\right)\end{array}\right]=S^{-1}\left[\begin{array}{c}{U}_{+}\left(t\right)\\ U_{-}\left(t\right)\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{+}\left(t\right)\\ U_{-}\left(t\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中U₊(t)为检测到的正极直流暂态电压，U_-(t)为检测到的负极直流暂态电压；

3)使用DB4小波对零模电压分量进行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所示直流输电系统，雷击距整流站100km处引起反击故障和绕击故障，雷电波如图2所示，直流线路排列方式及杆塔如图3，4。发生反击故障时，两极暂态直流电压波形如图6，7所示，经式(1)计算得到电压行波零模分量U₀(t)和线模分量U₁(t)如图8，9所示，对零模电压分量进行5层多分辨率分析后，运用式(2)、式(3)进行计算得到的每个频带的能量和能量分布，如表1所示，能量分布图如图16所示。发生绕击故障时，两极暂态直流电压波形如图11，图12所示，经式(1)计算得到电压行波零模分量U₀(t)和线模分量U₁(t)如图13，14所示，对零模电压分量进行5层多分辨率分析后，运用式(2)、式(3)进行计算得到的每个频带的能量和能量分布，如表1所示，能量分布图如图17所示。

表1

Claims (2)

1.一种高压直流输电线路雷电绕击与反击的辨识方法，其特征在于根据雷击造成的绕击故障与反击故障时的电压行波的传播过程不同，频带能量分布不同，对零模电压分量进行小波变换，根据能量分布特征对雷电引起的绕击、反击故障进行正确识别。

2、根据权利要求1所述的高压直流输电线路雷电绕击与反击的辨识方法，其特征在于按以下步骤进行：

1)当电压变化率du/dt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的电压行波波形；

2)应用Karenbauer变换矩阵计算电压行波零模分量U₀(t)和线模分量U₁(t)，如下式：

$\left[\begin{array}{c}{U}_0\left(t\right)\\ U_1\left(t\right)\end{array}\right]=S^{-1}\left[\begin{array}{c}{U}_{+}\left(t\right)\\ U_{-}\left(t\right)\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{+}\left(t\right)\\ U_{-}\left(t\right)\end{array}\right]$

其中U₊(t)为检测到的正极直流暂态电压，U_-(t)为检测到的负极直流暂态电压；

3)使用DB4小波对零模电压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：

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

和每个频带的能量分布：

$K_i\%=\frac{E_i}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k}$

其中，i为多分辨层数；

4)基于上述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。

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