架空输电线路雷电绕击与反击的识别

架空输电线路雷电绕击与反击的识别

祝志嘉

国网内蒙古东部电力有限公司赤峰供电公司内蒙古赤峰市 024000

摘要：雷击对输电线路的威胁包括直击、绕击、反击等，基于此，本文重点分析了架空输电线路雷电绕击与反击的识别。

关键词：架空输电线路；绕击；反击；识别

输电线路是电力系统的重要组成部分。运行经验表明，雷击引起的线路跳闸占线路故障总数的很大比例，所以加强输电线路防雷对保证电力系统安全稳定运行具有重要意义。雷电绕击及反击所采用防护手段不同：反击依靠提高线路绝缘水平和降低杆塔接地电阻来提高防雷水平，而绕击依靠提高线路保护角度来降低绕击率。雷电故障类型的识别能为防雷设计提供依据，有针对性的防雷措施能提高线路防雷水平。

一、雷电绕击、反击

输电线路雷击事故由雷电流绕击线路或反击造成。由于引起线路绕击、反击机理不同,其防护措施也完全不同。绕击与雷电流幅值及避雷线保护角有关反击与杆塔地网电阻及雷电流幅值、雷电流最大陡度有关。而输电线路雷电绕击与反击事故的鉴别问题,成为了电力系统研究的焦点问题。

当前，判别绕击方法为：①若绝缘子裙底有沟槽的一面烧伤比裙面无沟槽的一面更严重,则认为雷击放电由导线向横担闪络。②基杆塔的顶相闪络或相邻两基杆塔的顶相闪络；相邻两基杆塔同一相绝缘子发生闪络。③杆塔接地电阻小,即耐雷水平高的线路发生多相闪络。④山区线路或山头高杆塔线路发生一基中相或底相闪络。⑤雷击线路闪络,若线路两侧的变电站母线避雷器均未动作,则可认为绕击引起(若线路一侧或两侧避雷器动作,则一般为强大雷电流造成反击冲击波传至变电站所致)。

由于人为因素影响及绝缘闪络痕迹的复杂性、多样性,就造成了判定的偏差率大。因此迫切需一种科学、可靠、简便、直观的检测方法。

二、输电线路雷击电磁暂态仿真

1、输电线路电磁暂态仿真模型。本文所使用的雷电监测系统在杆塔四个塔脚装设Rogowski线圈，通过专门模块连接，以获得总入地电流。非接触式过电压传感器安装在靠近绝缘子的横担上，用于测量绝缘子串电位差。

基于EMTP-ATP软件，建立110kV输电线路仿真模型，模拟了雷电反击及绕击时绝缘子串两端电位差与杆塔入地电流。考虑到输电线路频变特性，线路采用Jmarti频变模型。为模拟雷电波在输电线路中的传播特性，模型中设置7基110JG3干字型转角塔，档距350m，采用LGJ-240钢芯铝绞线，全线架设2回GJ-50避雷线。线路首端与电源相连，末端通过匹配阻抗接地，以消除线路末端的折反射效应。绝缘子采用压控开关模型，当绝缘子两端电位差超过其冲击闪络电压的50%时，绝缘子闪络。雷电流选用2.6/50 s双指数波，雷电通道波阻抗为300Ω。杆塔采用多波阻抗模型模拟雷电波在杆塔传播时的折反射影响。此外，在模拟计算中，雷击点设置在线路中央杆塔和距其2个档距外杆塔。

2、雷电反击仿真。对被击杆塔绝缘子串两端的过电压波形和杆塔入地电流进行仿真计算，无闪络与闪络情况下，幅值分别为30kA、60kA，雷电流为负极性。

发生反击时，三相电压急剧增加，绝缘子导线侧电位比杆塔侧高；杆塔入地电流在短时间内迅速增加。当绝缘子串发生闪络时，闪络相绝缘子串两端电位差降为0，未故障相与故障相耦合干扰，产生短时高频振荡。绝缘子串闪络后，杆塔入地电流突然下降，这是由于雷电流向导线泄放导致杆塔入地电流分流造成的。

雷击点距设为本基杆塔2个档距，雷电流为负极性，幅值为30kA、60kA，对应绝缘子未闪络及闪络情况。

在过电压波传到本基杆塔前，绝缘子串从导线侧到杆塔侧的工频电压。雷电波侵入时，电压迅速上升，但幅度较低，绝缘子导线侧对地电位高于杆塔侧。三相电压波形在波尾处振荡较大，这是因线路分为若干小段，杆塔采用多波阻抗模型，过电压波在线路和杆塔传播中发生多次折反射造成。当2个档距外杆塔C相绝缘子串发生闪络时，雷电流直接注入导线，导线电位绝对值急剧上升，过电压波通过导线传输到本基杆塔，本基杆塔C相绝缘子串导线侧电位绝对值迅速增加，绝缘子串两端的电位差反向，闪络相过电压幅值远高于未闪络相。雷电暂态过程结束时，C相绝缘子电位差近似于0。

3、雷电绕击仿真。对雷击点位于本基杆塔和2个档距外杆塔进行仿真计算，负极性雷击，幅值为3kA、9kA，分别对应于绝缘子串未闪络与闪络情况。

雷电击中本基杆塔A相导线，A相绝缘子上电压骤升，B、C相与A相过电压耦合，电压升高，出现短时高频振荡，绝缘子串导线侧电位低于杆塔侧。A相绝缘子串闪络后，电位差降至0，表现为接地故障。闪络后，雷电流直接注入杆塔，杆塔入地电流比闪络前耦合电流大幅增加，但入地电流方向不变。此外，当雷击点位于2个档距外时，本基杆塔获得的波形与雷击点位于本基杆塔时相似。

三、反击与绕击识别流程

输电线路雷电绕击与反击识别流程如图1所示。

图1 雷击识别流程图

四、仿真验证

基于上述输电线路仿真模型，对本文提出的识别方法进行了大量EMTP-ATP仿真，验证了其有效性。在模拟中，考虑了不同雷击电流波形和幅值，以及不同雷击点条件下绕击与反击情况。雷电流幅值60kA、30kA分别对应反击闪络及未闪络，雷电流幅值9kA、4kA分别对应绕击闪络及未闪络。

表1所示的特征参数表明，判别结果正确，本文提出的方法能识别110kV输电线路的绕击和反击准备，且不受雷电流波形及雷击点位置影响。

表1 雷电绕击与反击特征参数

五、仿真中的若干问题

1、感应过电压。在主放电过程中，放电通道周围的空间会产生一个强脉冲磁场，磁场中的输电导线会感应出与雷电流极性相反的过电压。本文未对这一过程进行仿真，但不影响识别标准的准确性，其原因为：

1)感应过电压对导线电位有影响：当感应分量绝对值大于耦合分量绝对值时，导线电位为正。此时，杆塔有负雷电流流过其电位为负；当负耦合分量影响大于正感应分量或无感应分量时，导线电位为负，然而，此时流经杆塔的雷电流幅值高，使杆塔侧电位远低于导体侧，且方向保持不变。可见，感应过电压不影响电位差方向，也就是说，它对识别判据无影响。

2)国外学者普遍认为，雷击杆塔时，导线上的静电感应电压相对较小，可忽略不计。国内学者提出，雷击杆塔时，雷电流直接通过架空线及杆塔，雷电流对导线上感应电压的影响通过导线间耦合反映出来，若将雷电通道中电流的电磁感应电压分量包括在内，将导致重复计算雷电能量。因此，在模拟中忽略感应过电压符合实际情况。

2、行波传输中的折反射。在输电线路仿真模型中，多基杆塔将线路分为多段，杆塔采用多波阻抗模型，雷电波会在节点处多次折反射，导致导线电压及杆塔电流波形发生振荡。本文提出的方向判据基于波形和时间轴所包围的区域，波形的振荡会影响区域的极性。为避免折反射波影响，计算面积时只取波前的前1.5 s，仿真结果表明了该方法的可行性及有效性。

3、冲击电晕。雷电冲击波的幅值高，会在导线上产生强烈的冲击电晕，导致雷电波传播中波形畸变及幅值衰减，考虑到本文提出的方向特征量只与波形和时间轴所包围的区域面积有关，而不关注波形形态细节，所以冲击电晕不影响所提方法的最终识别效果。

六、结论

1、当绕击或反击时，绝缘子串电位差方向不同，结合杆塔入地电流的极性，能在在不受雷电流极性影响下判别绕击和反击。

2、本基杆塔绝缘子串闪络时，绝缘子串电位差迅速降至0。当雷电暂态过程结束时，相邻杆塔绝缘子串电位差也降至0。因此，可判断闪络是发生在本基杆塔还是相邻杆塔。相邻杆塔反击闪络前后，本基杆塔同相绝缘子两端的电位差方向发生变化，能用来判断相邻杆塔是否发生反击闪络。

3、本文提出的方法引入了两组特征信号：绝缘子串电位差、杆塔入地电流，共同反映了雷击物理过程，物理概念清晰直观，大量电磁暂态仿真表明，该方法能正确识别故障和无故障情况下的绕击及反击，且不受故障工况影响。

参考文献：

[1]戴斌.架空输电线路雷电过电压识别[J].高电压技术，2015(03)．

[2]杜林.架空输电线路雷电绕击与反击的识别[J].高电压技术，2014(09).