CN110927529B - 一种输电线路雷电流的故障类型判断方法 - Google Patents

Abstract

一种输电线路雷电流的故障类型判断方法，涉及输电线路雷击故障识别技术领域。本发明的目的是为了在现有电网运行中，准确判断出故障类型。本发明通过安装在塔顶的传感器进行直击雷的直接测量，通过安装在三相线路的传感器对沿线路传波的雷电流进行间接测量，对直接测量的精确全波形雷电参数和大范围间接测量的关键参数进行数据累积，通过分析测量数据，对杆塔故障类型进行判断。

Description

一种输电线路雷电流的故障类型判断方法

技术领域

本发明属于输电线路雷击故障识别技术领域。

背景技术

雷电是自然界频繁发生的一种强电磁现象，影响区域很大。输电线路是电网的重要组成部分，其分布范围达数千千米，极易遭受雷击。根据国内外运行经验表明，雷击已成为造成高压输电线路跳闸的主要原因，已严重影响了电网的安全和可靠运行。

发明内容

本发明的目的是为了在现有电网运行中，准确判断出故障类型，现提供一种输电线路雷电流的故障类型判断方法。

一种输电线路雷电流的故障类型判断方法，包括以下步骤：

步骤一：实时采集塔顶部和三相线路上的雷电流，当杆塔被雷击时，执行步骤二；

步骤二：判断A时刻是否采集到塔顶部的雷电流，是则判定A时刻雷击杆塔，然后执行步骤三，否则判定A时刻雷电绕击线路，然后执行步骤四；

步骤三：判断A时刻I₁与I_2i的方向是否相同，是则判定三相线路中第i相线路发生反击闪络，否则判定三相线路中第i相线路未发生闪络；

步骤四：判断A+1时刻是否采集到塔顶部的雷电流，是则执行步骤五，否则执行步骤六；

步骤五：判断A+1时刻I₁与I_2i的方向是否相反，是则判定三相线路中第i相线路未被雷击且未发生闪络，否则判定三相线路中第i相线路发生绕击闪络；

步骤六：判断A+1时刻I_2i是否超出设定阈值I_T，是则判定三相线路中第i相线路发生绕击，但未发生闪络，否则判定三相线路中第i相线路未被雷击且未发生闪络；

上述I₁为杆塔顶部雷电流传感器所采集的电流，I_2i为三相线路中第i相线路上的传感器所采集的电流，i＝a,b,c，A为当前时刻，A的初始值为0。

上述方法还包括初始步骤：

分别在杆塔顶部和三相线路的a,b,c相线路上各设置一个雷电流传感器，利用雷电流传感器分别采集各自所在位置的雷电流。

上述雷电流传感器为直通型雷电流光学电流传感器。

上述设定阈值I_T为：

I_T＝2kπaH

其中，H为雷电流磁场强度，k为系数，取值为1.5，a为雷电流采集点到雷电流所在导线的距离。

因此，应用可靠的雷电流传感技术设计一种有效的雷电监测方法，加强电网的雷电流监测，为雷电防护提供真实有效的监测数据，对减少雷害事故，保证电网安全供电具有极其重要的意义。在线路发生故障后，能够迅速进行雷电流的测量、数据的累积和故障类型的判断输电线路雷电流。

本发明的有益效果为：通过安装在塔顶的传感器进行直击雷的直接测量，通过安装在三相线路的传感器对沿线路传波的雷电流进行间接测量，对直接测量的精确全波形雷电参数和大范围间接测量的关键参数进行数据累积，通过分析测量数据，对杆塔故障类型进行判断。该输电线路雷电流的在线监测方法不仅能降低时间成本，测得精确的雷电流波形，而且能大量节省巡线的人力和物力，减轻巡线人员繁重的体力劳动。从技术上保证电网的安全、稳定和经济运行，具有巨大的社会和经济效益。

附图说明

图1为本发明所述故障类型判断方法的流程图；

图2为传感器的位置示意图；

图3为法拉第磁旋光效应原理图。

具体实施方式

闪络是指固体绝缘子周围的气体或液体电介质被击穿时，沿固体绝缘子表面放电的现象。其放电时的电压称为闪络电压。发生闪络后，电极间的电压迅速下降到零或接近于零。闪络通道中的火花或电弧使绝缘表面局部过热造成炭化，损坏表面绝缘。杆塔是架空配电线路中的基本设备之一。当发生雷击后，杆塔及其架设的输电线路中容易出现闪络现象。本发明给出以下实施方式具体判断雷击后发生闪络的类型。

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种输电线路雷电流的故障类型判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

初始步骤：分别在杆塔顶部和三相线路的a,b,c相线路上各设置一个雷电流传感器，雷电流传感器用于采集各自所在位置的雷电流；

步骤一：实时采集塔顶部和三相线路上的雷电流，当杆塔被雷击时，执行步骤二；

步骤二：判断A时刻是否采集到塔顶部的雷电流，是则判定A时刻雷击杆塔，然后执行步骤三，否则判定A时刻雷电绕击线路，然后执行步骤四；

步骤三：判断A时刻I₁与I_2i的方向是否相同，是则判定三相线路中第i相线路发生反击闪络，否则判定三相线路中第i相线路未发生闪络；

步骤四：判断A+1时刻是否采集到塔顶部的雷电流，是则执行步骤五，否则执行步骤六；

步骤五：判断A+1时刻I₁与I_2i的方向是否相反，是则判定三相线路中第i相线路未被雷击且未发生闪络，否则判定三相线路中第i相线路发生绕击闪络；

步骤六：判断A+1时刻I_2i是否超出设定阈值I_T，设定阈值I_T为：

I_T＝2kπaH

其中，H为雷电流磁场强度，k为系数，取值为1.5，a为雷电流采集点到雷电流所在导线的距离，

是则判定三相线路中第i相线路发生绕击，但未发生闪络，否则判定三相线路中第i相线路未被雷击且未发生闪络。

上述I₁为杆塔顶部雷电流传感器所采集的电流，I_2i为三相线路中第i相线路上的传感器所采集的电流，i＝a,b,c，A为当前时刻，A的初始值为0。

具体的，本实施方式中雷电流传感器为直通型雷电流光学电流传感器。实际应用时，利用四个直通型雷电流光学电流传感器分别采集杆塔顶部和三相线路的a,b,c相线路四个位置的雷电流，能够以较少的传感材料实现传感离散环路的构成，能够实现高效的满足其在监测系统中布置时输电线路对绝缘的距离要求。且监测位置的光源及调制后的输出光通过光纤传输，能够做到无源传感，避免了雷电流对传感装置电源的影响。

如图2和图3所示，位于杆塔顶部的传感器进行直击雷的直接测量。安装在三相线路上的传感器，基于对雷电信号在传播媒介的传播特性，通过对传播到监测位置的雷电流进行反演，进而对沿线路传波的雷电流进行间接测量。

具体的，我国对输电线路中绕击耐雷水平的规定如表1所示，由规定可见雷电绕击线路且不发生闪络的电流都较低，因此可通过合理设置磁场强度的值对故障相和非故障相进行判断。

表1 DL/T620-1997规定的绕击耐雷水平

根据下式可知磁场与电流之间的关系：

又由于设定磁场强度H^*＝kH，则有

则设定阈值I_T的表达式为：

I_T＝2kπaH，

其中，H为雷电流磁场强度，k为系数，取值为1.5，a为雷电流采集点到雷电流所在导线的距离。

进一步的，传感器对雷电流进行测量时，当一束线偏振光沿着与磁场平行方向传过磁光材料时，在磁场的作用下线偏振光通过磁光材料中的一段距离后，其偏振面将发生相对于原偏振面的偏转，偏振光偏转角

为：

其中，V为光纤材料的费尔特(Verdet)常数(rad/Tm)，它与磁光材料本身有关；l为线偏振光所通过的磁光材料中的磁场路径长度(m)；H为磁场强度(A/m)。

雷电流I在空间任意一点Q处产生的磁场强度H_Q的大小可表示为：

其中，r₀为Q点到载流导线的垂直距离(m)。

进一步的，经过一段光程后总法拉第旋转角

为：

其中，β为磁光材料对导体的张角，L为磁光材料的长度。

以磁场为中介能够得到偏振光偏转角与雷电流的关系。但由于目前没有高精度测量偏振面旋转角的检测器，通常是利用马吕斯定律将线偏振光角度变化的信息转化成光强变化的信息，然后通过光电转换，将光信号变为电信号，并作放大处理从而正确反应电流信息。根据马吕斯定律，直线偏振光通过检偏器后，其透射光强J_o满足下式：

J_o＝J_i cos²α

其中，J_i是偏振光的光强，α是线偏振光的方位与检偏器方位的夹角。

当磁场作用下起偏后的线偏振光发生方位角的旋转后，通过法拉第旋光元件和检偏器的光强

为：

输出光强对法拉第旋转角的检测灵敏度能够表示为：

通常法拉第旋转角比较小，为获取最大的灵敏度，应令α＝±45°，此时将得到两个输出光强，分别为：

进一步的，将两路光经过两个光电检测器后的电信号，分别相加和相减，再相除便得到光电转换的输出u_o为

由上式可见，通过上述光路处理后可以去除光强波动的影响。

下面以a相导线故障为例进行具体分析：

雷击杆塔未出现闪络现象时，雷电流的泄放由两部分构成：大部分雷电流沿着杆塔流向大地；少量雷电流由避雷线传出。杆塔顶部监测点处于二者分流之前，因此其磁感应强度波形与雷电流波形相同，且极性也与雷电流极性相同。当有雷电流自塔顶沿着避雷线向相邻杆塔传播时，由于导线和避雷线之间存在互感和线间电容，避雷线上的电流行波将会在三相导线上耦合出极性相反且幅值较小的电流，对应在三个位于三相线路上的传感器测得的磁场强度波形相似且极性与a相线路监测点相反。

随着雷击杆塔电流的增加，作用在绝缘子两端的电压会增加，当a相绝缘子发生闪络后，与未闪络时相比，杆塔雷电流会向该相导线分流，a相线路监测点的位置处于分流之前，因此其磁感应强度波形与雷电流波形相同，且极性也与雷电流极性相同。闪络相a相有雷电流流入，其探测点的磁场波形与雷电流相同，且极性相同。未闪络相上存在由避雷线和被击线路耦合的电流，二者对应的探测点磁场波形相似、幅值较小且与雷电流极性相反。

当输电线路的避雷线屏蔽保护失效时，雷电流可能绕过避雷线直接击于导线，并沿着导线传播。此时杆塔顶部监测点的磁场强度由流经杆塔上的雷电流感应而来，而流经杆塔的雷电流是由避雷线感应被击相电流后的感应电流在杆塔上的分流电流，因此幅值及其微弱且波形畸变严重。被击相a相的磁场波形幅值最高且与雷电流波形相同，b,c两相线路监测点的测量结果为被击相的耦合电流产生的，因此二者磁场波形相似、幅值较小且与雷电流极性相反。

当雷电绕击线路且绝缘子两端电压高于临界击穿电压并维持一段时间后，线路将发生闪络故障，雷电流由被击相向杆塔和避雷线泄放，此时杆塔顶部监测点的磁场强度由流经杆塔上的雷电流感应而来，其波形与雷电流波形相似且极性相反，由于绝缘子闪络分流，a相线路监测点磁场波形幅值较小与雷电流极性相同，b,c两相线路监测点的测量结果为被击相和泄放到避雷线的雷电流的耦合电流共同产生的，因此二者磁场波形相似且与雷电流极性相反。

Claims (4)

1.一种输电线路雷电流的故障类型判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：实时采集塔顶部和三相线路上的雷电流，当杆塔被雷击时，执行步骤二；

步骤二：判断A时刻是否采集到塔顶部的雷电流，是则判定A时刻雷击杆塔顶部，然后执行步骤三，否则判定A时刻雷电绕击线路，然后执行步骤四；

步骤三：判断A时刻I₁与I_2i的方向是否相同，是则判定三相线路中第i相线路发生反击闪络，否则判定三相线路中第i相线路未发生闪络；

步骤四：判断A+1时刻是否采集到塔顶部的雷电流，是则执行步骤五，否则执行步骤六；

步骤五：判断A+1时刻I₁与I_2i的方向是否相反，是则判定三相线路中第i相线路未被雷击且未发生闪络，否则判定三相线路中第i相线路发生绕击闪络；

步骤六：判断A+1时刻I_2i是否超出设定阈值I_T，是则判定三相线路中第i相线路发生绕击，但未发生闪络，否则判定三相线路中第i相线路未被雷击且未发生闪络；

上述I₁为杆塔顶部雷电流传感器所采集的电流，I_2i为三相线路中第i相线路上的传感器所采集的电流，i＝a,b,c，A为当前时刻，A的初始值为0。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路雷电流的故障类型判断方法，其特征在于，还包括初始步骤：

分别在杆塔顶部和三相线路的a,b,c相线路上各设置一个雷电流传感器，利用雷电流传感器分别采集各自所在位置的雷电流。

3.根据权利要求2所述的一种输电线路雷电流的故障类型判断方法，其特征在于，雷电流传感器为直通型雷电流光学电流传感器。

4.根据权利要求1所述的一种输电线路雷电流的故障类型判断方法，其特征在于，设定阈值I_T为：

I_T＝2kπaH

其中，H为雷电流磁场强度，k为系数，取值为1.5，a为雷电流采集点到雷电流所在导线的距离。

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