CN115575772A - 一种输电线路雷电绕击与反击的暂态零模量识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种输电线路雷电绕击与反击的暂态零模量识别方法，属于新型电力系统智能制造与继电保护领域。直击雷会对架空线路造成较大的感应过电压，它分为绕击和反击。雷电流绕击与反击对输电线路有不同的影响，需要对其进行正确的识别。因为二者过电压产生的机理不同，电流行波的传播形式也不同，两种情况下产生的暂态电流零模量幅值与三相输电线路电流幅值存在明显的区别。本发明可集成于保护系统中，利用电流幅值分析，根据暂态电流零模量幅值与各相输电线路电流幅值的大小关系来区分绕击与反击故障，不仅可以运用于单回输电线路的雷击类型判别之中，对双回乃至多回输电线路雷击类型均能准确判别。
Description
技术领域
本发明涉及一种输电线路雷电绕击与反击的暂态零模量识别方法，属于新型电力系统智能制造与继电保护领域。
背景技术
雷云放电时会在输电线路上形成雷电过电压，分为直击雷和感应雷过电压。相比于感应雷，直击雷会使过电压达到较大幅值，引起雷击跳闸事故。而直击雷过电压又分为两种为绕击和反击，绕击是雷电绕过避雷线直击输电线路的现象；反击是指雷击杆塔或避雷线，高幅值雷电流流过杆塔对地阻抗使雷击点电位升高而造成绝缘闪络，形成雷电过电压。据统计分析，220kV电压等级以上线路雷击跳闸中绕击率为75%以上，而500kV线路中，其已成为雷击跳闸的最主要因素。由此说明避雷线拦截效率随电压等级增大而升高，且一旦发生绕击，极易发生绝缘闪络，严重威胁着输电线路的安全供电。反击现象与接地电阻的大小有关，受土壤电阻率影响，冲击接地电阻较高，因此输电线路耐雷水平普遍不达标，对雷电反击的防护能力同样不理想。绕击和反击产生的机理不同，过电压程度不同，电流行波的传播形式也不同，因此只有正确判断绕击和反击，才能对交流线路的防雷工作起到积极作用。但现有的对雷电绕击与反击故障的判别方法较少且复杂，实际操作相对困难，并且没有对多回输电线路雷击类型识别的方法，因此亟需一种简单可靠的方法，能够适用于单回输电线路和双回及以上输电线路，在雷击故障后精确地判别出是绕击还是反击，为输电线路的雷击防护针对性分析起到可靠的基础性作用。
发明内容
本发明的目的在于从新型电力系统智能制造与继电保护的角度出发，解决现有的雷电绕击反击识别技术原理复杂、信号处理复杂、可靠性易受影响等不足之处。本发明基于保护装置对雷击故障识别的基础之上，提出通过比较暂态电流零模量幅值与各相电流幅值的方法，识别雷电绕击和反击，其原理清晰直观、所用电气量简单、信号处理过程简单、判别结果可靠，可为输电线路防雷研究提供简单易行的手段，为输电线路新型继电保护提供可靠的雷击辨识方法。
本发明的原理是，绕击是雷电绕过避雷线直击输电线路造成过电压的现象；反击是指雷击杆塔或避雷线，高幅值雷电流流过杆塔对地阻抗使雷击点电位升高而造成绝缘闪络，形成雷电过电压。雷电流是单极性的脉冲波，75％～90％的雷电流是负极性的。
本发明所基于的系统模型如图1所示，雷电流采用双指数模型，杆塔模型如图2所示。以负极性雷为例，单回输电线路中，当发生绕击时，负极性的雷电冲击电流沿着被击相往两端流去，因此被击相冲击电流极性为正（正电荷由母线流向线路）；而另外两相由于正负电荷的感应作用，产生从故障点往两端流的正电荷，因此未被击相冲击电流极性为负，幅值小于被击相。当发生反击时，负极性的雷电冲击电流沿避雷线往两端流去，而三相输电线路由于正负电荷的感应作用，产生从故障点往两端流的正电荷，因此三相输电线路故障电流极性为负（线路流向母线），且大小相近，绕击和反击雷电流形式如图3所示。由对称分量法可知，暂态电流零模量数值上可由三相电流之和来获取。因此，绕击时，三相输电线路电流之和数值上小于被击相电流的幅值，即可看作暂态电流零模量幅值小于输电线路电流幅值，如图4；反击时，三相输电线路电流之和，数值上大于被击相电流的幅值，即可看作暂态电流零模量幅值大于输电线路电流幅值，如图5。
由此推至双回及多回线路，双回线是指同一杆塔上安装有不一定为相同电压与频率的两个回路的线路，一般地区重要变电站，均采用双回线供电。通俗来说，双回线一相由两根导线组成，即除避雷线之外三相由6根导线并排运行，双回以上的多回输电线路照此类推。当多回输电线路发生绕击时，雷电冲击电流沿着被击相往两端流去，被击相的故障电流为雷电流，而其余回路各相以及此回路另外两相由于相间耦合，产生与被击相极性相反，幅值远小的电流，因此除绕击相所在回路暂态电流零模量幅值小于各相幅值最大值，其余各回的暂态电流零模量幅值均大于各相幅值最大值；当发生反击时，雷电击于杆塔或避雷线，冲击电流沿避雷线往两端流去，各回各相输电线路由于耦合作用，产生与避雷线中雷电冲击电流极性相反，幅值远小的电流，各回的暂态电流零模量幅值均大于各相幅值最大值。要判断多回输电线路的雷击类型，只需通过以上特征：当输电线路发生雷击故障时，只要出现暂态电流零模量幅值小于各相幅值最大值的回路，雷击类型就必定是绕击；若各回的暂态电流零模量幅值均大于各相幅值最大值，则雷击类型就是反击。上述原理可在雷击故障电流信号经过处理之后，由如图6的简单的逻辑运算即可实现。
基于以上原理可知：本发明采用的技术方案是：
一种输电线路雷电绕击与反击的暂态零模量识别方法，首先采集雷击输电线路形成故障后的各回各相电气量信息（所述的电气量信息为电流信息或电压信息，本发明及实施例均以电流为例进行说明，如选用电压信息，则Step2- Step4中的电流均替换为电压），按以下步骤进行识别：
Step1：当雷击输电线路形成故障时，截取各回线路在继电保护装置启动后10ms的各相故障录波数据；
Step2：对各回输电线路的暂态电流零模量幅值和各相电流幅值进行提取，分别为
（其中i表示回数，i=1，2…），再取
中的最大值为
；
具体的，采集暂态电流零模量以及各相电流信号不局限于状态量信号，也可以是有同样特征的故障分量信号或其他形式的电流信号，其电流信号无特定采样率要求，与系统的继电保护元件适配即可。
提取各回线路的暂态电流零模量幅值和各相电流幅值，即提取各回线路故障电流首波头时刻的暂态电流零模量幅值和各相电流的幅值，当同一回线路各相电流幅值时刻不一致时，以幅值最大相时刻为准，提取此刻另外两相电流幅值。
Step3：取各回输电线路
与
之差的单位阶跃函数值
。
具体的，取各回
与
的大小之差的单位阶跃函数值
，当各相电流幅值最大值
大于暂态电流零模量幅值
时，
，反之则
。
Step4：从多回输电线路整体的角度，通过对各回线路的单位阶跃函数值进行逻辑判断，识别雷击类型。
具体的，从多回输电线路整体的角度进行逻辑判断的方法为：对各回线路的单位阶跃函数值
进行逻辑“或”运算，得到结果：
，根据Y的值对多回输电线路雷击类型识别
Step5：通过识别结果确定雷击故障位置。
具体的，当
时，雷击于杆塔或避雷线；当
时，判别为绕击时，绕击所发生的具体线路为：单位阶跃函数值为1的回路中的幅值最大相。
Step6：输出雷击类型判别结果。
本发明的识别系统如图7所示。
本发明的有益效果是：
1）原理直观简单，物理概念清晰，易于实现，适合于实际工程应用；
2）不仅适用于单回输电线路雷击类型的判别，还能用于识别双回乃至多回输电线路的雷击类型；
3）仅需处理和比较雷击后线路的电流幅值信息，无需考虑电流的其余信息以及其余电气量的信息，判据简单，结果可靠，解决了现有方法信号处理量大，判据复杂，难以实际运用于工程等缺陷，为输电线路实际工程防雷提供了简单易行的技术方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对其所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，可以根据这些附图获得所需的信息。
图1为交流系统模型；
图2为杆塔模型；
图3为绕击和反击雷电流形式；
图4为绕击时暂态电流零模量与各相电流；
图5为反击时暂态电流零模量与各相电流；
图6为逻辑电路图；
图7为输电线路雷电绕击与反击识别流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步的说明。
实施例1：当输电线路发生雷击故障时，利用本发明所述方法和系统可以准确识别雷电绕击与反击，输电线路雷电绕击与反击识别流程如图7所示。
一种输电线路雷电绕击与反击的暂态零模量识别方法，首先采集雷击输电线路形成故障后的各回各相电气量信息（所述的电气量信息为电流信息或电压信息，本发明及实施例均以电流为例进行说明，如选用电压信息，则Step2- Step4中的电流均替换为电压），按以下步骤进行识别：
Step1：当雷击输电线路形成故障时，截取各回线路在继电保护装置启动后10ms的各相故障录波数据；
Step2：对各回输电线路的暂态电流零模量幅值和各相电流幅值进行提取，分别为
（其中i表示回数，i=1，2…），再取
中的最大值为
；
具体的，采集暂态电流零模量以及各相电流信号不局限于状态量信号，也可以是有同样特征的故障分量信号或其他形式的电流信号，其电流信号无特定采样率要求，与系统的继电保护元件适配即可。
提取各回线路的暂态电流零模量幅值和各相电流幅值，即提取各回线路故障电流首波头时刻的暂态电流零模量幅值和各相电流的幅值，当同一回线路各相电流幅值时刻不一致时，以幅值最大相时刻为准，提取此刻另外两相电流幅值。
Step3：取各回输电线路
与
之差的单位阶跃函数值
。
具体的，取各回
与
的大小之差的单位阶跃函数值
，当各相电流幅值最大值
大于暂态电流零模量幅值
时，
，反之则
。
Step4：从多回输电线路整体的角度，通过对各回线路的单位阶跃函数值进行逻辑判断，识别雷击类型。
具体的，从多回输电线路整体的角度进行逻辑判断的方法为：对各回线路的单位阶跃函数值
进行逻辑“或”运算，得到结果：
，根据Y的值对多回输电线路雷击类型识别
Step5：通过识别结果确定雷击故障位置。
具体的，当
时，雷击于杆塔或避雷线；当
时，判别为绕击时，绕击所发生的具体线路为：单位阶跃函数值为1的回路中的幅值最大相。
绕击相的故障电流为雷电冲击电流，其余各回各相的故障电流仅为感应电流，其极性均与绕击相相反，大小远小于绕击相，暂态电流零模量可由三相电流之和得到，因此除绕击相所在回路暂态电流零模量幅值小于各相幅值最大值、单位阶跃函数值为1，其余各回暂态电流零模量幅值均大于各相幅值最大值、单位阶跃函数值为0，因此，当判断为雷电绕击时，只需在单位阶跃函数值为1的回路中找出各回各相中第一记录值最大相，即为绕击相。
Step6：输出雷击类型判别结果。
下面结合具体数据进行实例说明：
按照图1所示交流系统模型，通过仿真软件PSCAD/EMTDC和Matlab，以三组实施例验证本发明的可靠性，图1中：Em：M端发电机；Tm：M端变压器；M：母线M；En：N端发电机；Tn：N端变压器；N：母线N。
实例一：
单回输电线路，110kV，80km，在距首端30km处发生幅值为20kA的雷电绕击（A相）。
绕击（A相）故障发生后，截取10ms的A、B、C三相故障录波数据，通过小波变换模极大值提取数据窗内的暂态电流零模量幅值
和各相电流幅值最大值
，求其差的单位阶跃函数值
，“与”运算后得
，判别结果为绕击，进一步，单位阶跃函数值为1的回路即本回路，幅值最大相为A相，因此输出结果为A相绕击。
实例二：
单回输电线路，110kV，80km，在距首端30km处发生幅值为20kA的雷电反击。
反击故障发生后，截取10ms的A、B、C三相故障录波数据，通过小波变换模极大值提取数据窗内的暂态电流零模量幅值
和各相电流幅值最大值
，求其差的单位阶跃函数值
，“与”运算后得
，判别结果为反击，雷击位置为杆塔或避雷线。
实例三：
双回，500kV线路，500km，在第一回线路距首端200km处发生幅值为50kA的雷电绕击（B相）。
绕击故障发生后，截取各回线路10ms的各相故障录波数据，通过小波变换模极大值提取各回的暂态电流零模量幅值
，
和各相电流幅值最大值
，
，求各回的单位阶跃函数值
，
，逻辑运算
，判别结果为绕击，进一步，单位阶跃函数值为1的回路第一回，幅值最大相为B相，因此输出结果为第一回线路B相发生绕击。
实例四：
双回，500kV线路，500km，在第二回线路距首端150km处发生幅值为50kA的雷电反击。
反击故障发生后，截取各回线路10ms的各相故障录波数据，通过小波变换模极大值提取各回的暂态电流零模量幅值
，
和各相电流幅值最大值
，
，求各回的单位阶跃函数值
，
，逻辑运算
，判别结果为反击，进一步得出雷击位置为杆塔或避雷线。
由上述结果以及其余大量仿真实验表明，本发明不仅适用于对单回的各种电压等级输电线路雷击类型的判断，而且对双回乃至多回的各种电压等级输电线路的雷击类型也能准确判断。因此本发明可较好的应用于工程实际中。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种输电线路雷电绕击与反击的暂态零模量识别方法，其特征在于：采集雷击输电线路形成故障后的各回各相电气量信息，按以下步骤进行识别：
Step1：当雷击输电线路形成故障时，截取各回线路在继电保护装置启动后5ms～10ms的各相故障录波数据；
Step2：对各回输电线路的暂态电流零模量幅值和各相电流幅值进行提取，分别为
，其中i表示回数，i=1，2…，再取
中的最大值为
；
Step3：取各回输电线路
与
之差的单位阶跃函数值
；
Step4：从多回输电线路整体的角度，通过对各回线路的单位阶跃函数值进行逻辑判断，识别雷击类型；
Step5：通过雷击类型识别结果确定雷击故障位置；
Step6：输出雷击类型识别结果及故障位置。
2.根据权利要求1所述的输电线路雷电绕击与反击的暂态零模量识别方法，其特征在于：所述的电气量信息为电流信息或电压信息，Step2- Step4中的电流可替换为电压。
3.根据权利要求1所述的输电线路雷电绕击与反击的暂态零模量识别方法，其特征在于：Step2具体包括：
提取各回线路的暂态电流零模量幅值和各相电流幅值，即提取各回线路故障电流首波头时刻的暂态电流零模量幅值和各相电流的幅值，当同一回线路各相电流幅值时刻不一致时，以幅值最大相时刻为准，提取此时刻另外两相电流幅值。
4.根据权利要求1所述的输电线路雷电绕击与反击的暂态零模量识别方法，其特征在于：Step3具体包括：
取各回
与
的大小之差的单位阶跃函数值
，当各相电流幅值最大值
大于暂态电流零模量幅值
时，
，反之则
。
5.根据权利要求4所述的输电线路雷电绕击与反击的暂态零模量识别方法，其特征在于：Step4具体包括：
从多回输电线路整体的角度进行逻辑判断的方法为：对各回线路的单位阶跃函数值
进行逻辑“或”运算，得到结果：
，根据Y的值对多回输电线路雷击类型识别
。
6.根据权利要求5所述的输电线路雷电绕击与反击的暂态零模量识别方法，其特征在于：Step5具体包括：
当
时，雷击于杆塔或避雷线；当
时，判别为绕击，绕击所发生的具体线路为：单位阶跃函数值为1的回路中的幅值最大相。
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