10kV配电线路雷电感应过电压在线监测装置及其应用

10kV配电线路雷电感应过电压在线监测装置及其应用

王富强

620524198809234654               甘肃省天水市武山县   741300

摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，10KV配电线路建设越来越多。雷电感应过电压是引起配电网故障的主要因素之一。为收集配电线路上的感应雷过电压数据，研究其波形特性，以期用于指导架空配电线路的雷电防护，文中采用了一个自供电、无线传输的雷电过电压在线监测装置，接触测量了配电线路中雷电感应过电压信号。通过对某10kV配电线路上雷电感应过电压波形进行观测，并根据波形特征获取过电压相关波形参数。本文首先分析线路过电压在线监测装置原理，其次探讨雷电感应过电压监测，有必要加强线路绝缘水平以提高对雷电过电压的抵御能力。

关键词：配电线路；线路过电压在线监测装置；感应雷过电压

引言

10kV配电线路绝缘水平差、易发生雷击故障，由于位于不同地区配电线路的地闪密度、地形地貌及防雷配置等存在差异，使得采用常规统一防雷措施的防雷策略存在经济性或效果较差的问题。因此，开展配电线路差异化防雷策略综合评估，对提升配电线路运行的安全可靠性具有重要意义。

1线路过电压在线监测装置原理

雷电过电压在线监测装置。详细相关原理介绍可参见文。雷电过电压在线监测装置外部形态功能以支柱绝缘子形式呈现，下端固定在横担支架，上端直接与配电线路相导体引出线用螺栓压紧连接，其内部依据功能可分为分压传感单元和线路取能单元。其中分压传感单元采用电容分压传输原理，由高压陶瓷电容C1、C2串联组成。根据其高耐压，介电常数较高的特点以及考虑到绝缘子实际尺寸大小，高压电容选取在pF级别。进而为了保证分压传感单元输出信号准确、测量精度高，取高压电容C1值为400pF，则低压电容C2为240nF。通过理论计算可得，当分压传感单元接入10kV配电线路正常运行时，该数值能够满足数据采集模块的安全需求。另外为解决数据采集传输装置的供能问题，同样利用封装于支柱绝缘子内部的陶瓷电容C3、C4串联分压，该分压输出的一次电路通过隔离变压器与后续电路进行电气隔离，为满足配网数据采集系统正常工作需求后续电路采用以压敏电阻与气隙放电管组成的过压保护电路，经桥式整流方式将交流电源整流为直流电，再通过开关电源滤波稳压后为负载提供稳定的12V的直流电。最后是电压信号无线监测传输单元，该部分由数据采集模块和无线传输模块组成，传感单元获取的电压数据经由该单元传输至系统后台。以上3个单元互为联系、高度集成，便于安装且实际运行过程中较为可靠。为验证其工作可靠性，在实际运行线路安装运行前对该在线监测装置性能参数进行了检定比对。

2雷电感应过电压监测

2.1绝缘子闪络概率

10kV配电线路绝缘子临界闪络电压(CFO)取118kV。当绝缘子两端过电压达到临界闪络电压118kV时，发生单相绝缘闪络概率最高，随着感应过电压的继续增大，发生单相绝缘闪络的概率减小，两相绝缘闪络的概率增加，在过电压达到129kV时，两相绝缘闪络概率最高。当感应过电压继续增加到150kV以上时，两相绝缘闪络概率下降到零，三相绝缘闪络概率增加到1，意味着当过电压超过150kV时，感应过电压总是会导致线路发生三相闪络。

2.2机器学习模型的选择

一旦数据库形成，就需要使用ML算法，即使用一部分数据(如上所述，称为训练集)来识别预测值和响应之间的规律性。然后，经过训练的模型可使用探索的相关性来预测新案例(测试集)的反应。执行模型搜索过程以选择最合适的ML回归模型。模型搜索过程通过多种回归类型(包括回归树、支持向量机、神经网络和不同的集成方法，如bagging和boosting)反复寻找最佳拟合模型。其中使用XGBoost算法可以获得最佳性能。

2.3感应过电压波形

后台数据为时间与电压的数据组，以时间为横坐标(ms)，电压为纵坐标(kV)，即可得到波形记录时间(60ms)内相电压波形随时间变化的图像。为便于观察此处仅显示利用高通滤波器(Fstop=50Hz，Fpass=1000Hz)滤去电压数据中的工频及以下的低频分量后的电压波形。经滤波处理后的感应雷过电压波振荡频率高，波头时间10μs左右，并在到达正峰值后迅速衰减至零值，整个过程持续时间在5ms以内。总的来说每次雷击事件下观测到的配电线路上感应雷过电压呈现相似的变化过程，在波形达到正峰值之前有一小段逐渐减小的过程，并在减小至第1个负峰之后迅速抬升至第1个正峰值，进而回落到第2个负峰值，正峰值(8.97kV)略高于该负峰值(7.87kV)，此后过电压波将保持相似振荡衰减过程，直至降为零值。但依然可以注意到过电压幅值、波头时间和波形振荡过程均有所差异。波头时间与幅值不同可归结为不同雷击事件时雷电自身参数差异导致，而波形震荡周期、持续时间偏向于认为是由不同雷击事件下线路自身参数和线路绝缘设备状态决定。即波传递过程中，在线路不连续点处发生折反射。Rubinstein也指出在回击过程中的水平电场分量会形成感应过电压的过零振荡波，线路两端没有阻抗匹配的情况下会出现反射波，两种影响共同作用下会形成交替过零振荡的衰减波形。由于10kV配电线路是中性点不接地系统，故波尾衰减振荡现象成因有以下几种可能：线路分支或线路末端连接配电变压器影响、雷击引起的线路短路故障、避雷器动作或架空地线上感应电压波在接地点处发生折反射并耦合感应至相导体上。因此大致可以认为该种感应电压波形衰减振荡情况，随线路变化、每次雷击事件线路绝缘设备状态差别具有较大随机性，该问题应视实际情况作综合考虑，较难去定量解释。波形记录时间内，同样发现了1次雷击事件中多次回击的感应雷过电压波形，但由于监测装置在测量到过电压信号存在并触发记录长达60ms波形后，短时间内无法再次启动并记录过电压波形数据，故其无法表征1次雷击事件完整的回击情况。由于该波形记录时间前后数十秒内均没有其他过压记录，故可以认为该图中出现的第1个电压尖峰是由多重雷电回击过程中的首次回击产生；第2个电压尖峰则由后续回击产生，两者电压波形十分相似，但同样注意到首次回击电压幅值明显高于后续回击。

2.4逐基逐杆安装避雷器与避雷线

在平原地区能使线路雷击跳闸率下降99%，因此即使线路处于强雷区，其雷击跳闸率也能下降至可接受范围，推荐在风险最高的支线或具备特殊保供电需求的支线使用。

2.5绝缘子闪络概率

10kV配电线路绝缘子临界闪络电压(CFO)取118kV。当绝缘子两端过电压达到临界闪络电压118kV时，发生单相绝缘闪络概率最高，随着感应过电压的继续增大，发生单相绝缘闪络的概率减小，两相绝缘闪络的概率增加，在过电压达到129kV时，两相绝缘闪络概率最高。当感应过电压继续增加到150kV以上时，两相绝缘闪络概率下降到零，三相绝缘闪络概率增加到1，意味着当过电压超过150kV时，感应过电压总是会导致线路发生三相闪络。

结语

综上所述，线路雷电感应过电压峰值概率密度区间分布较好地服从对数正态分布特征。随着雷电感应过电压幅值的不断增加，线路发生单相闪络、两相闪络的概率均呈现先增大后减小的特点，发生三相闪络的概率则逐渐增大至100%。同一临界闪络电压情况下，线路发生三相绝缘闪络的风险最高，单相绝缘闪络风险其次，两相绝缘闪络风险最低。不能忽视线路交流电压对线路绝缘闪络风险的影响。

参考文献

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