CN103675607A - 架空输电线路雷电绕击与反击识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种架空输电线路雷电绕击与反击识别方法，首先获取绝缘子串电位差和杆塔入地电流信号；然后根据雷击位置特征值判断雷击点位置；最后判断雷电绕击与反击，当雷击点位于杆塔塔顶，若第一最小值小于阈值，本基杆塔反击闪络，若第二最小值小于阈值，邻近杆塔反击闪络，否则反击未故障；当雷击点位于导线，若第一最小值小于阈值，本基杆塔绕击闪络，若第二最小值小于阈值，邻近杆塔绕击闪络，否则绕击未故障；本发明实现了在雷击故障及未故障条件下对雷电绕击与反击进行识别，识别结果可检验线路防雷的效果，并在故障前有针对性地改善防雷设计和绝缘配合；本发明所采用的方法只提取了时域特征量，计算简单，物理概念清晰直观，易于实现。

Description

架空输电线路雷电绕击与反击识别方法

技术领域

本发明涉及电力系统在线监测技术领域，特别涉及一种输电线路雷电绕击与反击的识别方法。

背景技术

输电线路是电力系统的重要组成部分。运行经验表明，由雷击引起的线路跳闸在线路故障总数中占较大比例，因此加强输电线路的雷电防护对保证电力系统安全稳定运行有重要意义。辨识线路雷击故障类型，可以为防雷设计提供可靠的数据，制订经济有效的防雷措施，并为改善线路绝缘配合提供依据。

目前，已有学者针对雷击故障识别开展了相关研究，取得了一定成果。有文献提出利用故障暂态量零模和线模比值上的差异，区分感应雷过电压和短路故障，但未系统解决如何识别直击雷的问题。还有文献以故障发生后一段时间内零模电压的变化趋势来识别反击和绕击，该方法是针对直流输电线路提出的，在交流系统下的有效性尚待验证。还有文献提出了磁带、磁钢棒等方式测量雷电流波形参数来实现对绕击和反击的识别，但是由于这些测量装置不能重复测量，获取数据的工作量大，需依据工作经验来做判断，易造成误判、漏判。还有文献从三相电流行波出发，指出发生反击时，绝缘子闪络前，闪络相存在空间电磁耦合电流，利用电流行波波头时域特征对绕击和反击进行识别。但该方法所采用特征量基于波头的时域特征，若传感器灵敏度不高，特征信号容易被干扰湮没，造成判据失效。还有文献利用数学形态谱从几何形状学的角度分析了反击和绕击过电压的波形特点，构造了形态谱特征量，对绕击和反击故障进行识别，但没有提出在雷击未故障条件下对二者进行区分的方法。

因此急需一种雷电绕击与反击的识别方法。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种雷电绕击与反击的识别方法，该方法根据雷电绕击架空输电线路导线与雷击杆塔塔顶(或避雷线紧靠塔顶处)物理过程特点对雷电绕击与反击进行识别。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的架空输电线路雷电绕击与反击识别方法，包括以下步骤：

S1：通过安装于杆塔横担处的非接触式过电压传感器获取绝缘子串电位差信号，通过安装在杆塔四个塔脚的罗氏线圈获得杆塔总的入地电流信号；

S2：归一化处理绝缘子串电位差和杆塔入地电流信号并计算雷击发生第一时间段内各相绝缘子电位差Uins有效值的第一最小值U1，以及雷击发生第二时间段内各相绝缘子电位差Uins有效值的第二最小值U2；

S3：根据归一化处理绝缘子串电位差及杆塔入地电流信号判断雷击点位置；

S4：当雷击点位置位于杆塔塔顶时，判断第一最小值U1是否小于预设阈值Uthres，如果是，则为本基杆塔反击闪络；

S5：如果否，判断第二最小值U2是否小于预设阈值Uthres，如果是，则为邻近杆塔反击闪络；如果否，则为线路反击未故障；

S6：当雷击点位置位于导线时；判断第一最小值U1是否小于预设阈值Uthres，如果是，则为本基杆塔绕击闪络；

S7：如果否，判断第二最小值U2是否小于预设阈值Uthres，如果是，则为邻近杆塔绕击闪络；如果否，则为线路绕击未故障。

进一步，所述步骤S3中雷击点的位置是通过以下步骤来判断的：

S31：将Uins沿纵轴平移，使其初始值为零，计算绝缘子电位差Uins波形与时间t轴上雷击发生后第一区时间内围成的第一面积S1；

S32：如果第一面积S1>0,则绝缘子电位差Uins>0，第一方向Di=+1；如果第一面积S1<0，则绝缘子电位差Uins<0，第一方向Di=-1；

其中，第一方向Di为绝缘子串两端电位差Uins的方向；

S33：计算杆塔入地电流Ig波形与时间t轴上雷击发生后第二区时间内围成的第二面积S2；

S34：如果第二面积S2>0，则杆塔入地电流Ig>0，第二方向Dt=+1；如果第二面积S2<0，则杆塔入地电流Ig<0，第二方向Dt=-1；

其中，第二方向Dt为杆塔入地电流Ig的方向；

S35：将第一方向Di与第二方向Dt作积得雷击位置特征值D，如果雷击位置特征值D=-1，则雷击位置位于导线；如果雷击位置特征值D=+1，则雷击位置位于杆塔塔顶。

进一步，所述各相绝缘子电位差Uins有效值通过以下公式来计算：

$U_{\mathrm{rms}}={\left[\frac{1}{N}\underset{n=k}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}U{\left(n\right)}^2\right]}^{1/2}---\left(1\right)$

式中，Urms表示相电压有效值，N表示计算区间内数据点个数，k表示计算区间内第k个数据点，U（n）为计算区间内一个数据点的取值。

进一步，所述预设阈值Uthres根据具体输电线路参数而定。

进一步，所述第一时间段内为雷击发生5us后的100us内，所述第二时间段内为雷击发生1.5ms后的1ms内。

进一步，所述第一区时间为时间t轴上雷击发生后1.5us区间内；所述第二区时间为时间t轴上雷击发生后20us区间内。

本发明的优点在于：引入了杆塔入地电流作为特征信号输入，由绝缘子串两端电位差和杆塔入地电流共同反映绕击与反击在物理过程上的差异，与以往只引入线路电压单一信号相比，本方法通过输入两组特征信号，更为完整地描述了雷击物理过程；实现了在雷击故障及未故障条件下对雷电绕击与反击进行识别区分；克服了现有技术中仅对引起闪络故障的绕击和反击进行识别而在雷击未故障时没有对二者进行区分的辨识缺陷,绕击与反击的防护措施不同，识别结果可检验线路的防雷措施的效果，并在故障发生前有针对性地改善防雷设计和绝缘配合，做到防患于未然本发明所采用的方法只提取了时域特征量，计算简单，物理概念清晰直观，易于实现。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为雷电监测系统原理图

图2为杆塔入地电流测量系统原理图

图3为非接触式过电压传感器原理图

图4为110kV输电线路模型；

图5为杆塔结构及多波阻抗模型；

图6为雷击本基杆塔塔顶绝缘子未闪络示意图；

图7为雷击本基杆塔导线绝缘子未闪络示意图；

图8为雷击闪络绝缘子两端电压波形示意图；

图9为雷击邻近杆塔闪络本基杆塔绝缘子两端电压波形示意图

图10为识别流程图。

图中，1、电流传感器；2、电压传感器；3、屏蔽外壳；4、杂散电容；5、低压臂电容；6、传感器信号输出端；7、感应金属板；8、输电线路。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1

图1为雷电监测系统原理图，图2为杆塔入地电流测量系统原理图，图3为非接触式过电压传感器原理图，图4为110kV输电线路模型，图5为杆塔结构及多波阻抗模型，其中，图5a为杆塔结构，图5b为多波阻抗模型，图6为雷击本基杆塔塔顶绝缘子未闪络示意图，其中，图6a为绝缘子两端电压波形，图6b为杆塔入地电流波形。

本发明引入绝缘子串两端电位差与杆塔入地电流作为特征信号输入量，所需信号通过图1所示雷电监测系统获得。如图2所示，在杆塔四个支撑同一平面上安装罗氏线圈作为电流传感器1，支撑穿过罗氏线圈中心，并与线圈平面垂直。单个线圈测量电流经积分电路叠加，还原为分流前电流波形，通过监测系统采集处理，获得杆塔总入地电流。该雷电监测系统采用的电压传感器2为非接触式过电压传感器，通过架空输电线路8与电压传感器2之间的杂散电容4和电压传感器分压电容形成电容分压器，该电容分压器作为低压臂电容5获取架空输电线路的电压波形，所述低压臂电容5设置于屏蔽外壳3内腔中，所述杂散电容和低压臂电容5之间设置有感应金属板7，低压臂电容5采用信号线将电压传感器的信号输出形成传感器信号输出端6，装置原理图如图3所示。非接触式过电压传感器安装于横担靠近绝缘子处。在线路正常运行时，电压传感器测得线路对地电位；当有雷电流或等值频率很高的耦合电流通过杆塔入地时，横担处将产生压降，电压传感器安装位置对地电位相应抬升，由于电压传感器离绝缘子很近，电压传感器测得波形可认为是绝缘子两端电位差。规定参考方向：绝缘子串电位差Uins由导线侧到杆塔侧为正，杆塔入地电流Ig由大地到杆塔为正。输电线路雷击仿真模型如图1所示，杆塔结构及其多波阻抗模型如图2所示，雷电流采用2.6/50us波形。将安装信号采集装置的杆塔称为本基杆塔。

图7为雷击本基杆塔导线绝缘子未闪络示意图；其中，图7a为绝缘子两端电压波形，图7b为杆塔入地电流波形；图8为雷击闪络绝缘子两端电压波形示意图，图8a为雷击杆塔塔顶，图8b为雷电绕击导线，图10为识别流程图，如图所示：本发明提供的架空输电线路雷电绕击与反击识别方法，包括以下步骤：

S1：通过安装于杆塔横担处的非接触式过电压传感器获取绝缘子串电位差信号，通过安装在杆塔四个塔脚的罗氏线圈获得杆塔总的入地电流信号；

S2：归一化处理绝缘子串电位差和杆塔入地电流信号并计算雷击发生第一时间段内各相绝缘子电位差Uins有效值的第一最小值U1，以及雷击发生第二时间段内各相绝缘子电位差Uins有效值的第二最小值U2；

S3：根据归一化处理绝缘子串电位差及杆塔入地电流判断雷击点位置；

S4：当雷击点位置位于杆塔塔顶时，判断第一最小值U1是否小于预设阈值Uthres，如果是，则为本基杆塔反击闪络；

S5：如果否，判断第二最小值U2是否小于预设阈值Uthres，如果是，则为邻近杆塔反击闪络；如果否，则为线路反击未故障；

S6：当雷击点位置位于导线时；判断第一最小值U1是否小于预设阈值Uthres，如果是，则为本基杆塔绕击闪络；

S7：如果否，判断第二最小值U2是否小于预设阈值Uthres，如果是，则为邻近杆塔绕击闪络；如果否，则为线路绕击未故障。

所述步骤S3中雷击点的位置是通过以下步骤来判断的：

S31：将Uins沿纵轴平移，使其初始值为零，计算绝缘子电位差Uins波形与时间t轴上雷击发生后第一区时间内围成的第一面积S1；

S32：如果第一面积S1>0，则绝缘子电位差Uins>0，第一方向Di=+1；如果第一面积S1<0，则绝缘子电位差Uins<0，第一方向Di=-1；

其中，第一方向Di为绝缘子串两端电位差Uins的方向；

S33：计算杆塔入地电流Ig波形与时间t轴上雷击发生后第二区时间内围成的第二面积S2；

S34：如果第二面积S2>0，则杆塔入地电流Ig>0，第二方向Dt=+1；如果第二面积S2<0，则杆塔入地电流Ig<0，第二方向Dt=-1；

其中，第二方向Dt为杆塔入地电流Ig的方向；

S35：将第一方向Di与第二方向Dt作积得雷击位置特征值D，如果雷击位置特征值D=-1，则雷击位置位于导线；如果雷击位置特征值D=+1，则雷击位置位于杆塔塔顶。

所述各相绝缘子电位差Uins有效值通过以下公式来计算：

$U_{\mathrm{rms}}={\left[\frac{1}{N}\underset{n=k}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}U{\left(n\right)}^2\right]}^{1/2}---\left(1\right)$

式中，Urms表示相电压有效值，N表示计算区间内数据点个数，k表示计算区间内第k个数据点，U（n）为计算区间内一个数据点的取值。

所述预设阈值Uthres根据具体输电线路参数而定。

所述第一时间段内为雷击发生5us后的100us内，所述第二时间段内为雷击发生1.5ms后的1ms内。

所述第一区时间为时间t轴上雷击发生后1.5us区间内；所述第二区时间为时间t轴上雷击发生后20us区间内。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于：

本发明实施例提供的识别方法中规定了参考方向：绝缘子串电位差Uins由导线侧到杆塔侧为正，杆塔入地电流Ig由大地到杆塔为正。输电线路雷击仿真模型如图4所示，杆塔结构及其多波阻抗模型如图5所示，图5为杆塔结构及多波阻抗模型，其中，图5a为杆塔结构，图5b为多波阻抗模型，雷电流采用2.6/50us波形。将安装信号采集装置的杆塔称为本基杆塔。

当负极性雷击中杆塔塔顶或避雷线紧靠塔顶处时(以下简称为雷击杆塔塔顶)，负极性雷电流经杆塔和避雷线泄放。由于杆塔波阻抗及杆塔接地电阻的存在，雷电流流经杆塔时会产生很大的压降，同时，避雷线与导线之间存在线间耦合，导线上会感应出与雷电流同极性的电压，但绝大部分雷电流经杆塔分流，故绝缘子串杆塔侧对地电位绝对值大于导线侧对地电位绝对值，对于负极性雷击，Uins>0，如图6a所示；对于正极性雷击，Uins<0。雷电流直接注入杆塔并经其向大地泄放，对于负极性雷击，Ig>0，如图6b所示；对于正极性雷击，Ig<0。

当避雷线的屏蔽保护失效时，雷电可能绕过避雷线直击于导线，雷电流经雷击点注入导线。避雷线从导线耦合电流经杆塔向大地泄放，并因杆塔波阻抗及杆塔接地电阻在塔身产生压降。避雷线与导线间耦合系数一般在0.2左右，耦合电流远小于导线中雷电流，故绝缘子串导线侧对地电位绝对值远大于杆塔侧对地电位绝对值，对于负极性雷击，Uins<0,如图7a所示；对于正极性雷击，Uins>0。耦合电流经杆塔入地，与雷电流同极性，对于负极性雷击，Ig>0，如图7b所示；对于正极性雷击，Ig<0。

当绝缘子串因雷击导致闪络，绝缘子串电位差降为0（忽略闪络弧道压降），Uins=0，导线与横担等电位，发生接地短路故障，如图8所示。雷击暂态过程持续时间在1ms左右，而目前继电保护装置最快动作时间约20ms，即在继电保护装置切除故障前，雷击暂态过程已经结束。雷击暂态过程结束后，杆塔中以工频电流为主，幅值和频率低，流经杆塔时产生的压降可忽略，认为闪络相导线与避雷线电位近似相等。邻近杆塔通过导线和避雷线与本基杆塔相连，故邻近杆塔对应相避雷线与导线电位亦近似相等，Uins=0，如图9所示。

基于上述分析及仿真结果，可根据Uins及Ig对不同类型雷击进行区分。定义Di表征绝缘子两端电位差Uins方向。工程计算中，用Uins与时间t轴围成面积S的极性表征其方向。为消除线路所叠加的工频电压的影响，计算S前将Uins沿纵轴平移，使其初始值为零。为避免线路反射波的影响，综合仿真结果，取过电压发生后1.5us为计算区间，利用梯形法求取该区间内波形与时间轴所围成区域面积S1.5：S1.5>0时Uins>0，Di=+1；S1.5<0时Uins<0，Di=-1。

定义Dt表征杆塔入地电流Ig方向，用Ig与时间t轴围成面积S的极性表征。取过电压发生后20us为计算区间，利用梯形法求取该区间内电流波形与时间轴所围成区域面积S20：S20>0时Ig>0，Dt=+1；S20<0时Ig<0，Dt=-1。将Di与Dt作积，定义D=Di*Dt，可得雷击杆塔时D=+1，绕击导线时D=-1。雷电流为正极性时，同理可得相应D值，结果如表1所示。表1为反击与绕击特征参数。

据此提出判据：D=+1，雷击点位于塔顶；D=-1，雷击点位于导线。

对信号进行归一化。定义U5us为雷击发生5us后的100us内，各相Uins有效值的最小值，定义U1.5ms为雷击发生1.5ms后的1ms内，各相Uins有效值的最小值

$U_{\mathrm{rms}}={\left[\frac{1}{N}\underset{n=k}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}U{\left(n\right)}^2\right]}^{1/2}---\left(1\right)$

（1）式中Urms表示相电压有效值，N表示计算区间内数据点个数，k表示计算区间内第k个数据点，U（n）为计算区间内一个数据点的取值。

按照(1)式求得相应计算区间内各相有效值，取最小值得U1.5ms和U5us，U5us<Uthres时本基杆塔雷击闪络，如U5us>Uthres且U1.5ms<Uthres时邻近杆塔雷击闪络，Uthres的取值视具体输电线路参数而定。

本发明的架空输电线路雷电绕击与反击识别方法经过下列步骤完成：

1）计算D值，若D=+1，则雷击点位于杆塔塔顶(避雷线紧靠塔顶处)，若D=-1，则雷击点位于导线；

2）对信号进行归一化，计算U5us，若U5us<Uthres，则本基杆塔因雷击发生闪络。若步骤1）中D=+1，则本基杆塔反击闪络，若步骤1）中D=-1，则本基杆塔绕击闪络；

3）计算U1.5ms，若U1.5ms<Uthres，则邻近杆塔因雷击发生闪络。若步骤1）中D=+1，则邻近杆塔反击闪络，若步骤1）中D=-1，则邻近杆塔绕击闪络；

4）若同时不满足U5us<Uthres及U1.5ms<Uthres条件，则当D=+1时，为反击未故障，当D=-1时，为绕击未故障。

实施例3

本实施例与实施例2的区别仅在于：

输电线路发生雷击时，利用上述方法可实现对雷电绕击与反击的正确识别。具体实现流程图如图6所示。

具体步骤如下：

1）对信号进行归一化。计算D值，若D=+1，则雷击点位于杆塔塔顶(避雷线紧靠塔顶处)，若D=-1，则雷击点位于导线；

2）计算U5us，若U5us<Uthres，则本基杆塔因雷击发生闪络。若步骤1）中D=+1，则为本基杆塔反击闪络，若步骤1）中D=-1，则为本基杆塔绕击闪络；

3）计算U1.5ms，若U1.5ms<Uthres，则邻近杆塔因雷击发生闪络。若步骤1）中D=+1，则邻近杆塔发生反击闪络，若步骤1）中D=-1，则邻近杆塔发生绕击闪络；

4）若同时不满足U5us<Uthres及U1.5ms<Uthres条件，则当D=+1时，为反击未故障，当D=-1时，为绕击未故障。

实例说明如下：考虑了不同雷电流波形及幅值、不同雷击点条件下的绕击与反击情况，雷电流幅值60kA及30kA分别对应反击闪络和未闪络情况，雷电流幅值9kA及4kA分别对应绕击闪络和未闪络情况。经步骤1）、2）、3）求得的特征量数值如表2所示，表2反击与绕击特征参数计算结果。本例中阈值Uthres设为0.05。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.架空输电线路雷电绕击与反击识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：通过安装于杆塔横担处的非接触式过电压传感器获取绝缘子串电位差信号，通过安装在杆塔四个塔脚的罗氏线圈获得杆塔总的入地电流信号；

S2：归一化处理绝缘子串电位差和杆塔入地电流信号并计算雷击发生第一时间段内各相绝缘子电位差Uins有效值的第一最小值U1，以及雷击发生第二时间段内各相绝缘子电位差Uins有效值的第二最小值U2；

S3：根据归一化处理绝缘子串电位差及杆塔入地电流信号判断雷击点位置；

S4：当雷击点位置位于杆塔塔顶时，判断第一最小值U1是否小于预设阈值Uthres，如果是，则为本基杆塔反击闪络；

S5：如果否，判断第二最小值U2是否小于预设阈值Uthres，如果是，则为邻近杆塔反击闪络；如果否，则为线路反击未故障；

S6：当雷击点位置位于导线时；判断第一最小值U1是否小于预设阈值Uthres，如果是，则为本基杆塔绕击闪络；

S7：如果否，判断第二最小值U2是否小于预设阈值Uthres，如果是，则为邻近杆塔绕击闪络；如果否，则为线路绕击未故障。

2.根据权利要求1所述的架空输电线路雷电绕击与反击识别方法，其特征在于：所述步骤S3中雷击点的位置是通过以下步骤来判断的：

S31：将Uins沿纵轴平移，使其初始值为零，计算绝缘子电位差Uins波形与时间t轴上雷击发生后第一区时间内围成的第一面积S1；

S32：如果第一面积S1>0，则绝缘子电位差Uins>0，第一方向Di=+1；如果第一面积S1<0，则绝缘子电位差Uins<0，第一方向Di=-1；

其中，第一方向Di为绝缘子串两端电位差Uins的方向；

S33：计算杆塔入地电流Ig波形与时间t轴上雷击发生后第二区时间内围成的第二面积S2；

S34：如果第二面积S2>0，则杆塔入地电流Ig>0，第二方向Dt=+1；如果第二面积S2<0，则杆塔入地电流Ig<0，第二方向Dt=-1；

其中，第二方向Dt为杆塔入地电流Ig的方向；

S35：将第一方向Di与第二方向Dt作积得雷击位置特征值D，如果雷击位置特征值D=-1，则雷击位置位于导线；如果雷击位置特征值D=+1，则雷击位置位于杆塔塔顶。

3.根据权利要求1所述的架空输电线路雷电绕击与反击识别方法，其特征在于：所述各相绝缘子电位差Uins有效值通过以下公式来计算：

$U_{\mathrm{rms}}={\left[\frac{1}{N}\underset{n=k}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U\left(n\right)}^2\right]}^{1/2},$

式中，Urms表示相电压有效值，N表示计算区间内数据点个数，k表示计算区间内第k个数据点，U（n）为计算区间内一个数据点的取值。

4.根据权利要求1所述的架空输电线路雷电绕击与反击识别方法，其特征在于：所述预设阈值Uthres根据具体输电线路参数而定。

5.根据权利要求1所述的架空输电线路雷电绕击与反击识别方法，其特征在于：所述第一时间段内为雷击发生5us后的100us内，所述第二时间段内为雷击发生1.5ms后的1ms内。

6.根据权利要求1所述的架空输电线路雷电绕击与反击识别方法，其特征在于：所述第一区时间为时间t轴上雷击发生后1.5us区间内；所述第二区时间为时间t轴上雷击发生后20us区间内。

Images