CN111239543B - 一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法，该方法根据三相输配电线路上安装的若干个分布式电压监测传感器对雷击过电压行波衰减的促进作用，导致雷击过电压陡度的下降速率增强，并通过每一个所述分布式电压监测传感器接收到的雷击过电压信号的波头陡度变化，判断发生雷击故障的位置。本发明利用雷击过电压陡度的变化，具有准确、快速地定位三相输配电线路上的雷击故障位置，很大程度降低了运维输配电线路的作业人员的工作量，并且提升了供电可靠性的优点。

Description

一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法

技术领域

本发明涉及电力系统输配电线路雷电定位技术领域，尤其涉及一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法。

背景技术

输电线路作为电网系统的一个重要组成部分，随着智能电网建设的开展、近年来愈加受到关注与重视。在输电线路杆塔上装设各种状态监测设备是建设智能输电线路的基础性工作，目前各地电网建设也将其作为主要的发展方向。

雷电是危害电力系统安全的主要因素之一，雷电对输电线路安全运行危害极大，常常造成绝缘子闪络事故，雷击输配电线路是造成跳闸的主要原因之一。直击雷过电压是雷云直接击中配电线路、电力塔等电力设备的过电压形式。出现这种形式的原因是雷云本身极强的电流在借助电力设备传到地下后，产生落差很大的电压降，从而出现雷击过电压。特别是在山区郊外及交通不便的地区，给日常运维、查找故障增加了不少困难。雷电引起的过电压，叫做大气过电压。这种过电压危害相当大。大气过电压可分为直接雷过电压和感应雷过电压两种基本形式。雷电的电热效应会产生雷电过电压，引起击穿电气绝缘、绝缘子闪络、开关跳闸和线路停电现象。另外当雷电发生闪击时，由于雷电电流的变化速度极快，在雷电流的通道附近会产生一个巨大的感应电磁场，很容易对建筑物内的电力设备造成干扰，从而使周围的金属物件产生感应电流，继而产生大量热量引起火灾等灾害。

为了能够快速定位到配电线路上的雷击电压位置，提升供电可靠性，现有技术中已经提出了较多雷击过电压的定位方法。

一方面，现有技术公开了一种10kV配电线路雷击故障识别与定位方法，该方法通过在10kV配电线路中选择若干个雷击监测点，在雷击监测点所在的两个杆塔之间构建耦合地线，通过仿真方法获取各个监测点处地线感应电流幅值与雷电流幅值、雷击点距离的关系，构建定位数据库；采用高频电流监测装置获取避雷器或耦合地线在雷击时产生的感应电流，并远传到系统后台；并利用基于雷电电磁信号的雷电定位系统，获取故障时刻的雷电流幅值；将雷电流幅值导入定位数据库中，进行雷击位置模糊定位；根据雷击模糊定位、开关跳闸情况以及线路防雷性能，进行雷击故障位置模糊定位。但是该方法需要构建大量的数据库，操作起来太过复杂，并且对于雷击故障点的定位也不够精确。

另一方面，现有技术中也公开了一种基于准确测量电压的输电线路雷电故障定位方法，该方法通过获取输电线路上待测点的实时电压波形，根据所测电压波形来判断输电线路上待测点的当前电压是否为过电压，如果当前电压为过电压，则从所述输电线路上待测点的两侧分别选取若干个电压采集点，再根据若干个电压采集点的电压值以及位于所测输电线线路上待测点同侧的电压采集点之间的距离，计算得到输电线路电压衰减系数，最后根据所述输电线路电压衰减系数以及位于所述输电线路上待测点两侧的电压采集点之间的距离，计算后确定输电线路雷电故障的位置。但是该方法在确定雷击位置后仍需进行人工测量才能得到线路上各电压采集点位置间的距离，并未引入在线测距技术，耗时耗力，人力成本过高。

此外，现有技术还公开了一种应用卫星定位导航系统传送雷击位置信号的方法，该方法通过将若干已编号的传感器设于电杆、铁塔侧带电输电线路绝缘瓷瓶或带电避雷器或带电断路器或带电刀闸或带电配变上，传感器感应闪电雷击并产生感应电势，而传感器有一信号发送电路，信号发送电路经卫星定位导航系统与终端信号接收设备通讯连接，以确定雷击位置。但是该方法需经过卫星通讯以确定雷击位置，因此定位时间存在的误差及现有通讯水平的限制都会对故障的最终定位造成一定影响，故障定位的精度不够高。

因此，提出一种操作计算更简单，定位故障准确度更高，能大量节省人力成本，提高配电线路检修效率的雷击故障定位的方法成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法，以解决现有技术中存在的操作计算不够简单，人力成本消耗过大，定位故障的精度较低，配电线路检修效率过低的问题。

一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法，所述方法根据三相输配电线路上安装的若干个分布式电压监测传感器对雷击过电压行波衰减的促进作用，导致雷击过电压陡度的下降速率增强，并通过每一个所述分布式电压监测传感器接收到的雷击过电压信号的波头陡度变化，判断发生雷击故障的位置。所述方法具体包括以下步骤：

在所述三相输配电线路上设置若干个所述分布式电压监测传感器，实时监测三相输配电线路电压情况；

向所述三相输配电线路注入幅值为U₀的电压信号，测试所述三相输配电线路上每一个所述分布式电压监测传感器的基准值，为故障定位提供基准参数；

选取所述注入电压信号的位置x处的所述分布式电压监测传感器以及与其相邻的位置y处和位置z处的两个所述分布式电压监测传感器，并开始记录每一个所述分布式电压监测传感器的特征量；

以发生雷击时刻为起始时刻，计算每一个所述分布式电压监测传感器的电压波头陡度；

根据所述电压波头陡度，计算并记录所述注入电压信号传播的陡度衰减系数；

当所述三相输电线路出现雷击过电压时，计算每个所述分布式电压监测传感器的雷击过电压波头陡度，距离雷击点最近的所述分布式电压监测传感器检测到的陡度最大，记最大雷击过电压波头陡度及相应的位置，并分别找出该位置两侧的雷击过电压波头陡度；

根据所述雷击过电压波头陡度，计算并记录雷击过电压信号传播的陡度衰减系数；

将所述注入电压信号传播的陡度衰减系数和所述雷击过电压信号传播的陡度衰减系数相比较，判断雷击点的区段；

计算所述雷击点距离其两侧所述分布式电压监测传感器的距离，判断所述雷击点的精确位置；

所述注入电压信号U₀为初始电压信号，所述位置x、y、z为所述三相输配电线路上的任意三个相邻的所述分布式电压监测传感器，所述位置x与位置y之间的距离为a，所述位置x与位置z之间的距离为b。

上述技术方案中，所述分布式电压监测传感器实时监测线路电压情况，当在两个电压监测周期内所监测到的电压幅值最小值超过系统额定电压幅值的4倍时，判断三相输配电线路出现了雷击情况，所述分布式电压监测传感器开始记录下该监测周期及其后一个监测周期内的电压波形等特征量。

可选的，所述分布式电压监测传感器记录的特征量包括电压波形、电压波头的幅值及其相对应的时刻。

上述技术方案中，所述电压波形通过所述分布式电压监测传感器采集，所述电压波头的幅值及其相对应的时刻通过后台系统获取。

可选的，所述电压波头陡度的计算方式如下：

其中，D_x、D_y、D_z分别为位置x、y、z处的电压波头陡度，U_x为位置x处的分布式电压监测传感器在t_x时刻采集到的电压波头的幅值，U_y为位置y处的分布式电压监测传感器在t_y时刻采集到的电压波头的幅值，U_z为位置z处的分布式电压监测传感器在t_z时刻采集到的电压波头的幅值。

可选的，所述注入电压信号传播的陡度衰减系数包括所述注入电压信号从位置x传播到位置y处的陡度衰减系数γ以及所述注入电压信号从位置x传播到位置z处的陡度衰减系数δ。

可选的，所述注入电压信号传播的陡度衰减系数的计算方式如下：

其中，a为位置x与位置y之间的距离，b为位置x与位置z之间的距离。

可选的，所述判断雷击点区段的判断过程如下：

记最大雷击过电压波头陡度D_x'及相应的位置x，找出位置x两侧位置y处的雷击过电压波头陡度D_y'以及位置z处的雷击过电压波头陡度D_z'；

计算所述雷击过电压信号从位置x处传播到位置y的所述雷击过电压信号传播的陡度衰减系数γ'，所述雷击过电压信号从位置x处传播到位置z处的所述雷击过电压信号传播的陡度衰减系数δ'；

将所述雷击过电压信号传播的陡度衰减系数γ'和δ'与所述注入电压信号传播的陡度衰减系数γ和δ进行比较，若γ'≠γ，δ'＝δ，则雷击点位于位置x与位置y之间；反之，雷击点位于位置x与位置z之间；

其中，D_x'、D_y'、D_z'与D_x、D_y、D_z的计算方法相同，γ'、δ'与γ、δ的计算方法相同。

可选的，所述雷击点距离其两侧所述分布式电压监测传感器的距离的计算过程如下：

记雷击点为o，若雷击点位于位置x与位置y之间，则满足下列方程，

l_ox+l_oy＝a，D_y'+γl_oy＝D_x'+δl_ox，

其中，l_ox为雷击点o距离位置x的距离，l_oy为雷击点o距离位置y的距离；

若雷击点位于位置x与位置z之间，则满足下列方程，

l_ox+l_oz＝b，D_x'+γl_ox＝D_z'+δl_oz，

其中，l_ox为雷击点o距离位置x的距离，l_oz为雷击点o距离位置z的距离。

可选的，所述雷击点o位于位置x与位置y之间时，所述雷击点o距离位置x与位置y的距离计算方式如下：

l_oy＝a-l_ox。

可选的，所述雷击点o位于位置x与位置z之间时，所述雷击点o距离位置x与位置z的距离计算方式如下：

l_oz＝b-l_ox。

本发明的一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法，相较于现有技术而言，具有如下有益效果：

(1)本发明依据三相输配电线路上安装的分布式电压监测传感器对雷击过电压信号行波衰减的促进作用，雷击过电压陡度的下降速率增强，在通过每个分布式电压监测传感器接收到的过电压信号的波头陡度变化对发生雷击故障的位置进行快速准确地定位，大大降低了三相输配电线路运维人员的工作量，节省了人力成本，提升了供电可靠性。

(2)本发明利用雷击过电压陡度的变化得出三相输配电线路上的雷击位置，能够使得故障定位更具有针对性、有效性，提高了雷击故障定位的精度，检修故障效率更高，也进一步提升了电网智能化水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明雷击点处于位置x与位置y之间的原理示意图；

图3为本发明雷击点处于位置x与位置z之间的原理示意图；

图4为本发明实现过程的流程图。

具体实施方式

参见图1至图4，为本发明提供的一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法得整体结构示意图和原理图，以三相输配电线路上存在雷击过电压情况为前提，根据本发明以三相输配电线路上安装的若干个分布式电压监测传感器对雷击过电压行波衰减的促进作用，导致雷击过电压陡度的下降速率增强，并通过每一个所述分布式电压监测传感器接收到的雷击过电压信号的波头陡度变化，判断发生雷击故障的位置的方法进行雷击故障的定位；所述方法具体包括以下步骤：

在所述三相输配电线路上设置若干个所述分布式电压监测传感器，实时监测三相输配电线路电压情况；

向所述三相输配电线路注入幅值为U₀的电压信号，测试所述三相输配电线路上每一个所述分布式电压监测传感器的基准值，为故障定位提供基准参数；

选取所述注入电压信号的位置x处的所述分布式电压监测传感器以及与其相邻的位置y处和位置z处的两个所述分布式电压监测传感器，并开始记录每一个所述分布式电压监测传感器的特征量；

以发生雷击时刻为起始时刻，计算每一个所述分布式电压监测传感器的电压波头陡度；

根据所述电压波头陡度，计算并记录所述注入电压信号传播的陡度衰减系数；

当所述三相输电线路出现雷击过电压时，计算每个所述分布式电压监测传感器的雷击过电压波头陡度，距离雷击点最近的所述分布式电压监测传感器检测到的陡度最大，记最大雷击过电压波头陡度及相应的位置，并分别找出该位置两侧的雷击过电压波头陡度；

根据所述雷击过电压波头陡度，计算并记录雷击过电压信号传播的陡度衰减系数；

将所述注入电压信号传播的陡度衰减系数和所述雷击过电压信号传播的陡度衰减系数相比较，判断雷击点的区段；

计算所述雷击点距离其两侧所述分布式电压监测传感器的距离，判断所述雷击点的精确位置；

所述注入电压信号U₀为初始电压信号，所述位置x、y、z为所述三相输配电线路上的任意三个相邻的所述分布式电压监测传感器，所述位置x与位置y之间的距离为a，所述位置x与位置z之间的距离为b。

上述技术方案中，所述分布式电压监测传感器实时监测线路电压情况，当在两个电压监测周期内所监测到的电压幅值最小值超过系统额定电压幅值的4倍时，判断三相输配电线路出现了雷击情况，所述分布式电压监测传感器开始记录下该监测周期及其后一个监测周期内的电压波形等特征量。

在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述分布式电压监测传感器记录的特征量包括电压波形、电压波头的幅值及其相对应的时刻。

上述技术方案中，所述电压波形通过所述分布式电压监测传感器采集，所述电压波头的幅值及其相对应的时刻通过后台系统获取。

在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述电压波头陡度的计算方式如下：

其中，D_x、D_y、D_z分别为位置x、y、z处的电压波头陡度，U_x为位置x处的分布式电压监测传感器在t_x时刻采集到的电压波头的幅值，U_y为位置y处的分布式电压监测传感器在t_y时刻采集到的电压波头的幅值，U_z为位置z处的分布式电压监测传感器在t_z时刻采集到的电压波头的幅值。

在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述注入电压信号传播的陡度衰减系数包括所述注入电压信号从位置x传播到位置y处的陡度衰减系数γ以及所述注入电压信号从位置x传播到位置z处的陡度衰减系数δ。

参见图2和图3在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述注入电压信号传播的陡度衰减系数的计算方式如下：

其中，a为位置x与位置y之间的距离，b为位置x与位置z之间的距离。

在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述判断雷击点区段的判断过程如下：

记最大雷击过电压波头陡度D_x'及相应的位置x，找出位置x两侧位置y处的雷击过电压波头陡度D_y'以及位置z处的雷击过电压波头陡度D_z'；

计算所述雷击过电压信号从位置x处传播到位置y的所述雷击过电压信号传播的陡度衰减系数γ'，所述雷击过电压信号从位置x处传播到位置z处的所述雷击过电压信号传播的陡度衰减系数δ'；

将所述雷击过电压信号传播的陡度衰减系数γ'和δ'与所述注入电压信号传播的陡度衰减系数γ和δ进行比较，若γ'≠γ，δ'＝δ，则雷击点位于位置x与位置y之间；反之，雷击点位于位置x与位置z之间；

其中，D_x'、D_y'、D_z'与D_x、D_y、D_z的计算方法相同，γ'、δ'与γ、δ的计算方法相同。

参见图2和图3，在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述雷击点距离其两侧所述分布式电压监测传感器的距离的计算过程如下：

记雷击点为o，若雷击点位于位置x与位置y之间，则满足下列方程，

l_ox+l_oy＝a，D_y'+γl_oy＝D_x'+δl_ox，

其中，l_ox为雷击点o距离位置x的距离，l_oy为雷击点o距离位置y的距离；

若雷击点位于位置x与位置z之间，则满足下列方程，

l_ox+l_oz＝b，D_x'+γl_ox＝D_z'+δl_o，，

其中，l_ox为雷击点o距离位置x的距离，l_oz为雷击点o距离位置z的距离。

参见图2，在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述雷击点o位于位置x与位置y之间时，所述雷击点o距离位置x与位置y的距离计算方式如下：

l_oy＝a-l_ox。

参见图3，在上述具体实施方式的基础上，进一步地，所述雷击点o位于位置x与位置z之间时，所述雷击点o距离位置x与位置z的距离计算方式如下：

l_oz＝b-l_ox。

本发明提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本发明总的构思下的几个示例，并不构成本发明保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本发明方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法，其特征在于，所述方法根据三相输配电线路上安装的若干个分布式电压监测传感器对雷击过电压行波衰减的促进作用，导致雷击过电压陡度的下降速率增强，并通过每一个所述分布式电压监测传感器接收到的雷击过电压信号的波头陡度变化，判断发生雷击故障的位置；

所述方法具体包括以下步骤：

在所述三相输配电线路上设置若干个所述分布式电压监测传感器，实时监测三相输配电线路电压情况；

向所述三相输配电线路注入幅值为U₀的电压信号，测试所述三相输配电线路上每一个所述分布式电压监测传感器的基准值，为故障定位提供基准参数；

选取所述注入电压信号的位置x处的所述分布式电压监测传感器以及与其相邻的位置y处和位置z处的两个所述分布式电压监测传感器，并开始记录每一个所述分布式电压监测传感器的特征量；

以发生雷击时刻为起始时刻，计算每一个所述分布式电压监测传感器的电压波头陡度,所述电压波头陡度的计算方式如下：

其中，D_x、D_y、D_z分别为位置x、y、z处的电压波头陡度，U_x为位置x处的分布式电压监测传感器在t_x时刻采集到的电压波头的幅值，U_y为位置y处的分布式电压监测传感器在t_y时刻采集到的电压波头的幅值，U_z为位置z处的分布式电压监测传感器在t_z时刻采集到的电压波头的幅值；

根据所述电压波头陡度，计算并记录所述注入电压信号传播的陡度衰减系数，所述注入电压信号传播的陡度衰减系数的计算方式如下：

其中，D_x、D_y、D_z分别为位置x、y、z处的电压波头陡度，a为位置x与位置y之间的距离，b为位置x与位置z之间的距离；

当所述三相输电线路出现雷击过电压时，计算每个所述分布式电压监测传感器的雷击过电压波头陡度，距离雷击点最近的所述分布式电压监测传感器检测到的陡度最大，记最大雷击过电压波头陡度及相应的位置，并分别找出该位置两侧的雷击过电压波头陡度；

根据所述雷击过电压波头陡度，计算并记录雷击过电压信号传播的陡度衰减系数；

将所述注入电压信号传播的陡度衰减系数和所述雷击过电压信号传播的陡度衰减系数相比较，判断雷击点的区段；

计算所述雷击点距离其两侧所述分布式电压监测传感器的距离，判断所述雷击点的精确位置；

所述注入电压信号U₀为初始电压信号，所述位置x、y、z为所述三相输配电线路上的任意三个相邻的所述分布式电压监测传感器，所述位置x与位置y之间的距离为a，所述位置x与位置z之间的距离为b；所述注入电压信号传播的陡度衰减系数包括所述注入电压信号从位置x传播到位置y处的陡度衰减系数γ以及所述注入电压信号从位置x传播到位置z处的陡度衰减系数δ。

2.根据权利要求1所述的一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法，其特征在于，所述分布式电压监测传感器记录的特征量包括电压波形、电压波头的幅值及其相对应的时刻。

3.根据权利要求1所述的一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法，其特征在于，所述判断雷击点区段的判断过程如下：

记最大雷击过电压波头陡度D_x'及相应的位置x，找出位置x两侧位置y处的最大雷击过电压波头陡度D_y'以及位置z处的最大雷击过电压波头陡度D_z'；

计算所述雷击过电压信号从位置x处传播到位置y的所述雷击过电压信号传播的陡度衰减系数γ'，所述雷击过电压信号从位置x处传播到位置z处的所述雷击过电压信号传播的陡度衰减系数δ'；

将所述雷击过电压信号传播的陡度衰减系数γ'和δ'与所述注入电压信号传播的陡度衰减系数γ和δ进行比较，若γ'≠γ，δ'＝δ，则雷击点位于位置x与位置y之间；反之，雷击点位于位置x与位置z之间；

其中，D_x、D_y、D_z分别为位置x、y、z处的电压波头陡度，D_x'、D_y'、D_z'与D_x、D_y、D_z的计算方法相同，γ'、δ'与γ、δ的计算方法相同。

4.根据权利要求3所述的一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法，其特征在于，所述雷击点距离其两侧所述分布式电压监测传感器的距离的计算过程如下：

记雷击点为o，若雷击点位于位置x与位置y之间，则满足下列方程，

l_ox+l_oy＝a，D_y'+γl_oy＝D_x'+δl_ox，

其中，l_ox为雷击点o距离位置x的距离，l_oy为雷击点o距离位置y的距离；

若雷击点位于位置x与位置z之间，则满足下列方程，

l_ox+l_oz＝b，D_x'+γl_ox＝D_z'+δl_oz，

其中，γ为注为入电压信号从位置x传播到位置y处的陡度衰减系数，δ为注入电压信号从位置x传播到位置z处的陡度衰减系数，记最大雷击过电压波头陡度D_x'及相应的位置x，找出位置x两侧位置y处的最大雷击过电压波头陡度D_y'以及位置z处的最大雷击过电压波头陡度D_z'，l_ox为雷击点o距离位置x的距离，l_oz为雷击点o距离位置z的距离。

5.根据权利要求4所述的一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法，其特征在于，所述雷击点o位于位置x与位置y之间时，所述雷击点o距离位置x与位置y的距离计算方式如下：

l_oy＝a-l_ox。

6.根据权利要求5所述的一种基于雷击过电压陡度传变特性的故障定位方法，其特征在于，所述雷击点o位于位置x与位置z之间时，所述雷击点o距离位置x与位置z的距离计算方式如下：

l_oz＝b-l_ox。

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