CN106918762A - 一种架空输电线路雷击电流监测方法和雷击故障识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型的、易于实现的架空输电线路雷击电流监测方法以及线路雷击故障识别方法。包括：雷击架空输电线路杆塔塔顶和杆塔档距中央地线雷击电流反演算法；雷击故障类型识别方法和线路雷击概率观测和引雷宽度推算方法。本发明提供的技术方案对提升架空输电线路雷电性能及风险评估水平，以及优化线路雷电防护设计和提高线路雷电防护水平，均具有重要应用价值。

Description

一种架空输电线路雷击电流监测方法和雷击故障识别方法

技术领域

本发明涉及电力系统中电网安全与保护应用领域，具体涉及一种架空输电线路雷击电流监测方法和雷击故障识别方法。

背景技术

专门针对雷击架空输电线路的监测工作从上世纪50年代开始展开：为了获得输电线路雷电流幅值分布、线路雷电过电压幅值、击杆率、杆塔分流系数、雷击跳闸等规律，苏联科学院在电力系统中安装了约14万个磁钢记录器及近7000个电花仪，如图1所示的前苏联线路雷电监测方法。三年中，总计得到约1350次雷电流记录，为苏联过电压规程的制订提供了宝贵的资料。其中a)磁钢棒安装示意图；b)悬挂在输电线路上的电花仪；

在上世纪60年代，美国新建设的345kV超高压输电线路发生了很多的雷击跳闸故障，美国爱迪生(E.E.I)公司从1967年开始在高压以及345kV超高压输电线路上安装寻迹器(Pathfinder)以判断线路雷击跳闸的原因，原理是利用安装于线路绝缘子串低压末端上的电流采集环采集电流信号，通过内部逻辑电路来判断电流流向以区分绕击及反击(绕击是导线处于高电位，发生导线对杆塔闪络；反击是杆塔处于高电位，发生杆塔对导线闪络)，如图2所示。寻迹器的使用为实际运行输电线路绕击率的实测提供了监测手段，正是基于寻迹器的监测数据，美国学者提出了电气几何模型，对其中的相关系数的进行了修正取值，并采取了优化地线布置(减小地线保护角)以降低超高压输电线路绕击跳闸率。

图2美国345kV输电线路上安装的寻迹器；

上世纪90年代初，在日本新建成的1000kV特高压交流同塔双回输电线路(降压500kV运行)上发生了多次雷击跳闸故障，其雷击跳闸率远高于500kV线路的水平。为了获取该线路雷击雷电流活动规律，日本1994～1997年在该线路60个杆塔塔顶安装了2.5m长的引雷针,并在引雷针上安装罗氏线圈测量雷击塔顶的雷电流，并采用光纤和无线数据传输手段将罗氏线圈监测到的雷电流实时发送到用户终端，如图3所示；同时在塔顶安装摄像设备对雷击进行拍照，获取了大量的输电线路周围发生雷击的图片，如图4所示。

图3日本特高压线路塔顶安装引雷针及罗氏线圈的现场布置与测量方案图；

(a)雷电绕击导线照片(one photo for the lightning shielding failure)

(b)雷击大地和避雷线照片(one photo for the lightning stroke to ground and to ground wire)

图4日本输电线路雷电监测系统拍摄的雷击照片；

我国雷电监测工作从上世纪60年代开始展开，通过引进吸收前苏联的技术，从1962起，在我国1960年投运的第一条220kV线路——新杭线I回路上，安装了大量磁钢棒，以测量线路雷击雷电流幅值等雷电活动参数，在1962—1988年的2824km·a监测段上共测得了716次雷击记录，据此制定了我国雷电流幅值概率密度分布公式等一系列雷电参数标准，为我国雷电过电压标准的制度以及防雷措施的研究提供了宝贵的运行经验。

上世纪80年代末，采用磁钢棒监测线路雷电活动规律这种方法由于需要耗费大量人力，而基层员工又缺乏相应的激励机制，这项基础工作也慢慢停止。与此同时，随着美国雷电定位技术的引进，中国学者更倾向于采用雷电定位系统来监测输电线路雷电活动规律，包括利用雷电定位技术制定区域雷电地闪密度分布图、雷电流概率分布统计规律、线路雷击故障定位等。然而，上世纪70年代美国学者Uman等提出并建立的雷电定位系统。通过对多年的雷电定位系统的运行经验和理论分析研究发现，由于地球表面高度起伏的地形、大气对电磁波的吸收与折射以及土壤电气特性等因素导致雷电辐射出的电磁波在大气传播过程中传播路径、波速发生了改变，而且造成了雷电脉冲的衰减和畸变，目前，雷电定位系统的平均定位误差在0.5km至2km之间，而雷电流的测量误差还无法确定，据此，世界绝大部分国家未采用雷电定位系统的雷电流幅值和波形监测数据。

鉴于雷电定位系统存在的局限性，我国近年来开展了其他一系列输电线路雷击电流监测探索工作，如采用线路两端安装的行波定位装置、故障录波测距装置，主要目的是进行线路雷击故障定位，不能对线路雷击电流进行监测；另外，在线路顶部羊角处安装引雷针并采用罗氏线圈监测塔顶雷击电流，主要是对塔顶雷击电流进行精确和实时监测，也可用于对雷电定位系统测量的雷电流进行标定，如图5所示，该方法不能直接判断线路雷击故障类别；还有在线路绝缘子串低压末端和杆塔地线支架上装设罗氏线圈的输电线路雷击电流实时监测装置，可以实现线路反击和绕击故障判别与线路雷击电流监测，如图6所示，与美国寻迹器的原理相类似，其对线路反击和绕击故障判别功能实现的前提是假设线路雷击闪络是沿绝缘子串发生。

图5线路塔顶安装引雷针及罗氏线圈监测直击塔顶雷电流方案图

图6在中国110kV单回线路上装设的雷击电流实时监测装置现场布置图

近年来，我国许多地区架空输电线路上安设了雷击在线监测装置(采用罗斯线圈测量传感器)，该装置装设在架空线路中间的导线上，每隔20km左右布置一个测点。其能根据测量的雷击电流或其感应电流波形的极性来判断反击和绕击。

图7架空线路中间的导线上安装的雷电流监测装置结构示意图

反击故障时，雷击塔顶致使绝缘子串闪络前，雷电流先流过避雷线，会在输电线路各相上感应出一个与雷电流极性相反的脉冲。闪络后，雷电流流过故障相，且非故障相上继续受到雷电流的感应作用。因此，故障相暂态电流波形包含闪络时刻前感应出的反极性脉冲、闪络时刻后的雷电流前行波，非故障相暂态电流波形仅包含与雷电流极性相反的感应电流。相比之下，绕击时故障相暂态电流为，闪络前流过故障相的雷电流，闪络后流过经故障点杆塔入地的那部分雷电流的反射波，二者极性相同，叠加后不会出现反极性脉冲。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种架空输电线路雷击电流监测方法和雷击故障识别方法，对提升架空输电线路雷电性能及风险评估水平，以及优化线路雷电防护设计和提高线路雷电防护水平，均具有重要应用价值。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种架空输电线路雷击电流监测装置测点布置方法，其改进之处在于，所述方法包括：在架空输电线路两端变电站或开关站处的三相导线布置雷击电流监测装置：所述雷击电流监测装置测量频带为0.1Hz～10MHz；雷击电流监测装置采用两个采样速率的示波器，一个是100ns/点，持续时间500μs；一个是10μs/点，持续时间20ms；触发电压设定为对于为1kHz及以上频率分量的电流达到0.3倍的架空输电线路的运行电压；测量电流通过GPS同步，同步误差在微秒级；

在架空输电线路中间每基杆塔或雷电活动强烈地区(雷电标准有相关准确定义)架空输电线路段上布置雷击电流监测装置，即在杆塔塔顶地线羊角上固定长3m的引雷针，并在引雷针以及每根地线两侧、地线离开杆塔0.5m～1.5m位置处的位置上装设6个(双避雷线架空输电线路)雷电流测量装置测点。

本发明提供一种架空输电线路雷击电流监测装置中杆塔塔顶和杆塔档距中央地线雷击电流反演方法，其改进之处在于，所述方法包括：

根据引雷针监测获得的雷击电流，结合仿真计算不同雷击电流通道波阻抗模型、雷电流幅值、杆塔高度和波阻抗特征的雷击杆塔塔顶后在杆塔测点处的雷击电流波形特征规律，反推获得实际雷击塔顶雷电流的幅值和波形；

对于两杆塔档距中央地线雷击电流，根据地线两端监测的雷电流波形，结合仿真计算将地线均匀分段、不同幅值雷电流击于分段的中央位置时两端雷电流监测装置测点的雷电流特征规律，反推获得雷击点和雷击电流的幅值大小；所述地线至少分5段，且每段长度不超过50m。

本发明提供一种架空输电线路雷击电流监测装置的雷击故障类型识别方法，其改进之处在于，所述方法通过判断雷击电流监测装置中流经杆塔塔顶、档距中央的地线和绕击导线的雷击电流实现，包括：

a.雷击杆塔塔顶，在杆塔塔顶引雷针上流过了雷电流，该电流经地线和杆塔塔身流入大地，地线杆塔两侧测点上流经的雷电流方向相反，雷击电流为流经引雷针测点的雷击电流；

b.雷击档距中央的地线，在杆塔塔顶引雷针上没有雷击电流流过，即为0，而流经地线杆塔两侧测点上的雷电流方向相同；

c.雷击绕击导线，当发生绕击导线雷击闪络时，在引雷针测点上流过的雷击电流为0，而流经地线杆塔两侧测点上的雷电流方向相反；

根据每基杆塔上安装的雷电流监测装置测点上的雷电流幅值和极性方向特征，判断雷击塔顶、档距中央的地线还是绕击导线，获得雷击故障类型识别；所述雷击故障类型是识别雷击是直击塔顶、避雷线或雷电绕击导线引起的雷电绕击故障(前者未必引起故障，就能测出来；后者必须发生了雷电绕击导线，并雷击导线电流达到一定幅值，引起了跳闸故障，才能可靠监测出来)。

进一步地，架空输电线路两端三相导线上的雷电流监测装置测点上的一相电流波形上有负极性脉冲，其它两相出现了相反极性的脉冲，则判断在该相上遭受了雷电绕击；如果一相电流波形上有正极性脉冲，其它两相出现了相反极性的脉冲，则在该相上遭受了雷电反击。

本发明提供一种架空输电线路雷击概率观测和引雷宽度推算方法，其改进之处在于：收集整理上述雷电流监测装置线路两端和杆塔上测量获得的雷击电流次数，进而获得架空输电线路雷击概率；雷击概率的定义是每一年、单位长度(如：每一百公里)线路遭受雷击的次数。根据上述监测获得的一年内遭受雷击的次数，除以线路或线路某区段的长度，获得了雷击概率；

将观测获得的架空输电线路雷击概率除以雷电定位系统获得的架空输电线路地闪密度，进而获得该架空输电线路的引雷宽度；地闪密度是指该地区或地域每一年、单位面积上发生地闪雷击的次数。雷电放电分云闪(云层间放电)和地闪(云对大地放电)两类；

通过三条以上不同高度和两避雷线间距的架空输电线路引雷宽度运行数据对比，拟合出引雷宽度与杆塔高度以及两避雷线间距的关系式。(这个关系式只有真正积累了运行观察数据才能获得，这条只是说所做工作的一个步骤，就是要去积累不同杆塔或线路高度线路引雷宽度的运行数据，根据三个点数据能够拟合出一条曲线的原理获得关系式。)

本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

1、本发明提供的一种架空输电线路雷击电流监测方法和雷击故障识别方法，充分发掘了雷击地线上雷电流的参数信息，而对于我国一般110kV架空线路而言，雷击地线的概率远高于绕击导线的概率，所以获得雷击地线上的雷电流幅值、波形和雷击地线次数，对研究线路雷电活动具有相对于其它监测方法不可比拟的优势。

2、该方法提供的雷电反击和绕击识别方法简单有效，而且还可以将杆塔上测量的数据与线路两端测量的数据进行比对分析，提高了其可靠性。

3、实现了从实测的角度获得线路遭受雷击的概率、线路引雷宽度及影响因素等关键参数、规律及公式，这也是其它监测方法所无法具备的功能。

附图说明

图1是前苏联线路雷电监测方法的磁钢棒安装示意图；

图2是美国345kV输电线路上安装的寻迹器示意图；

图3是日本特高压线路塔顶安装引雷针及罗氏线圈的测量方案图；

图4是日本输电线路雷电监测系统拍摄的雷击大地和避雷线照片示意图；

图5是线路塔顶安装引雷针及罗氏线圈监测直击塔顶雷电流方案图；

图6是在中国110kV单回线路上装设的雷击电流实时监测装置现场布置图；

图7是实测绕击与反击波形图，其中(a)为绕击典型实测波形图；(b)为反击典型实测波形图；

图8是本发明提供的雷击电流分布规律示意图；其中(a)为雷击塔顶时雷电流的分布规律示意图；(b)为雷击地线时雷电流的分布规律示意图；(c)为雷击导线发生闪络时雷电流分布规律示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

为了充分发掘架空输电线路雷击电流的参数特性，本专利新型的、系统实现的架空输电线路雷击电流监测方法以及线路雷击故障识别方法。同时雷击架空输电线路杆塔塔顶和杆塔档距中央地线雷击电流反演推算、雷击故障类型识别、线路雷击概率观测与引雷宽度修订等目的。

本发明的技术方案是：一种架空输电线路雷击电流监测装置测点布置方法，在架空线路两端，三相导线布置雷电流监测装置：装置测量频带为0.1Hz～10MHz；采用两个采样速率的示波器，一个是100ns/点，持续时间500μs，一个是10μs/点，持续时间20ms；触发电压设定为对于为1kHz及以上频率分量的电流达到0.3倍的线路运行电压；测量电流通过GPS同步，同步误差在微秒级。在架空线路中间每基杆塔或易遭受雷击的线路段上布置雷击电流监测装置，即在杆塔顶部地线羊角上固定一个长3m左右的引雷针，并在引雷针以及每根地线两侧、靠近杆塔的位置上共装设6个(双避雷线架空线路)雷电流测量装置测点。

一种雷击架空输电线路杆塔塔顶和两杆塔档距中央地线雷击电流反演算法，雷击塔顶雷电流反演，可根据引雷针监测获得的雷电流，考虑不同雷电流通道波阻抗模型、雷电流幅值、杆塔高度和波阻抗特征的雷击塔顶后的电流波形特征规律，获得雷击电流的幅值和波形。对于两杆塔档距中央地线雷击电流，可根据地线两端监测的雷电流波形，然后考虑将地线均匀分段(至少分5段，且每段长度不超过50m)、不同幅值雷电流击于分段的中央位置时两端雷电流监测测点出的雷电流特征规律，反推获得雷击点和雷击电流的幅值大小。

一种雷击故障类型识别方法，雷击塔顶，在塔顶引雷针上流过了雷电流，该电流经地线和塔身流入大地，地线杆塔两侧测点上流经的雷电流方向相反，雷击电流就是流经引雷针测点的雷电流；b.雷击地线，在塔顶引雷针上没有雷电流流过，即为0，而流经地线杆塔两侧测点上的雷电流方向相同；c.雷击导线，当发生绕击导线雷击闪络时，在引雷针测点上流过了雷击电流也为0，而流经地线杆塔两侧测点上的雷电流方向相反。根据每基杆塔上安装的雷电流监测装置测点上的雷电流幅值和极性方向特征，就能判断雷击塔顶、档距中央的地线还是绕击导线。从而获得雷击故障类型识别方法。本发明提供的雷击电流分布规律示意图；其中(a)为雷击塔顶时雷电流的分布规律示意图；(b)为雷击地线时雷电流的分布规律示意图；(c)为雷击导线发生闪络时雷电流分布规律示意图。

雷击点不同时雷电流在引雷针、地线上分布差异如下表1所示：

表1 雷击点不同时雷电流在引雷针、地线上分布差异

雷击线路的位置	雷电流在引雷针、地线上分布
		塔顶引雷针
地线
		雷击导线并闪络

如上所述的一种雷击故障类型识别方法，架空线路两端三相导线上的雷电流监测装置测点上的一相电流波形上有负极性脉冲，其它相出现了相反极性的脉冲，则在该相上遭受了雷电绕击。如果一相电流波形上有正极性脉冲，其它相出现了相反极性的脉冲，则在该相上遭受了雷电反击。

一种线路雷击概率观测和引雷宽度推算方法，收集整理上述线路两端和杆塔上测量获得的雷击电流次数，就可获得线路雷击概率；将观测获得的线路雷击概率除以雷电定位系统获得的该线路地闪密度，就可以获得该线路的引雷宽度；通过三条以上不同高度和两避雷线间距的架空线路引雷宽度运行数据对比，可拟合出引雷宽度与杆塔高度以及两避雷线间距的关系式。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种架空输电线路雷击电流监测装置测点布置方法，其特征在于，所述方法包括：在架空输电线路两端变电站或开关站处的三相导线布置雷击电流监测装置：所述雷击电流监测装置测量频带为0.1Hz～10MHz；雷击电流监测装置采用两个采样速率的示波器，一个是100ns/点，持续时间500μs；一个是10μs/点，持续时间20ms；触发电压设定为对于为1kHz及以上频率分量的电流达到0.3倍的架空输电线路的运行电压；测量电流通过GPS同步，同步误差在微秒级；

在架空输电线路中间每基杆塔或雷电活动强烈地区架空输电线路段上布置雷击电流监测装置，即在杆塔塔顶地线羊角上固定长3m的引雷针，并在引雷针以及每根地线两侧、地线离开杆塔0.5m～1.5m位置处的位置上装设6个雷电流测量装置测点。

2.一种架空输电线路雷击电流监测装置中杆塔塔顶和杆塔档距中央地线雷击电流反演方法，其特征在于，所述方法包括：

根据引雷针监测获得的雷击电流，结合仿真计算不同雷击电流通道波阻抗模型、雷电流幅值、杆塔高度和波阻抗特征的雷击杆塔塔顶后在杆塔测点处的雷击电流波形特征规律，反推获得实际雷击塔顶雷电流的幅值和波形；

对于两杆塔档距中央地线雷击电流，根据地线两端监测的雷电流波形，结合仿真计算将地线均匀分段、不同幅值雷电流击于分段的中央位置时两端雷电流监测装置测点的雷电流特征规律，反推获得雷击点和雷击电流的幅值大小；所述地线至少分5段，且每段长度不超过50m。

3.一种架空输电线路雷击电流监测装置的雷击故障类型识别方法，其特征在于，所述方法通过判断雷击电流监测装置中流经杆塔塔顶、档距中央的地线和绕击导线的雷击电流实现，包括：

a.雷击杆塔塔顶，在杆塔塔顶引雷针上流过了雷电流，该电流经地线和杆塔塔身流入大地，地线杆塔两侧测点上流经的雷电流方向相反，雷击电流为流经引雷针测点的雷击电流；

b.雷击档距中央的地线，在杆塔塔顶引雷针上没有雷击电流流过，即为0，而流经地线杆塔两侧测点上的雷电流方向相同；

c.雷击绕击导线，当发生绕击导线雷击闪络时，在引雷针测点上流过的雷击电流为0，而流经地线杆塔两侧测点上的雷电流方向相反；

根据每基杆塔上安装的雷电流监测装置测点上的雷电流幅值和极性方向特征，判断雷击塔顶、档距中央的地线还是绕击导线，获得雷击故障类型识别；所述雷击故障类型是识别雷击是直击塔顶、避雷线或雷电绕击导线引起的雷电绕击故障。

4.如权利要求3所述的雷击故障类型识别方法，其特征在于，架空输电线路两端三相导线上的雷电流监测装置测点上的一相电流波形上有负极性脉冲，其它两相出现了相反极性的脉冲，则判断在该相上遭受了雷电绕击；如果一相电流波形上有正极性脉冲，其它两相出现了相反极性的脉冲，则在该相上遭受了雷电反击。

5.一种架空输电线路雷击概率观测和引雷宽度推算方法，其特征在于：收集整理上述雷电流监测装置线路两端和杆塔上测量获得的雷击电流次数，进而获得架空输电线路雷击概率；雷击概率的定义是每一年、单位长度线路遭受雷击的次数；根据上述监测获得的一年内遭受雷击的次数，除以线路或线路某区段的长度，获得了雷击概率；

将观测获得的架空输电线路雷击概率除以雷电定位系统获得的架空输电线路地闪密度，进而获得该架空输电线路的引雷宽度；地闪密度是指该地区或地域每一年、单位面积上发生地闪雷击的次数；雷电放电包括云闪和地闪；

通过三条以上不同高度和两避雷线间距的架空输电线路引雷宽度运行数据对比，拟合出引雷宽度与杆塔高度以及两避雷线间距的关系式。