輸電線路雷電過電壓識別研究

劉雨晴 劉虹利 李荷薇（西華大學電力系統(tǒng)研究室）

輸電線路雷電過電壓識別研究

劉雨晴 劉虹利 李荷薇
（西華大學電力系統(tǒng)研究室）

摘 要：輸電線路高效、穩(wěn)定地傳輸電能是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的必不可少的環(huán)節(jié)，但由于輸電線路輸送距離長，線路走廊和離地高度大等原因，線路遭受雷擊的概率很大，因此雷擊過電壓對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有著很大的影響。根據(jù)輸電線路和桿塔特點，利用ATP-EMTP軟件對輸電線路上的感應、反擊、繞擊雷過電壓進行仿真。通過分析這三種過電壓的波形特征，引入相似度、三相相間峰值比最大值、小波能量、模極大值極性等特征量，并結(jié)合支持向量機進行識別。大量的仿真和實例表明此方法效果良好。

關(guān)鍵詞：感應雷電過電壓；反擊雷電過電壓；繞擊雷電過電壓；相似度；支持向量機

0　引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)也隨之加快，但我國幅員遼闊，能源分布極不均勻，2/3以上的水和煤資源都集中在西部地區(qū)，而負荷中心大多都覆蓋在相對發(fā)達的中東部地區(qū)，東西部距離太遠，發(fā)展長距離、大容量的特高壓輸電技術(shù)勢在必行?？偨Y(jié)國內(nèi)外的特高壓輸電運行經(jīng)驗，雷擊引起的線路跳閘一直是影響特高壓電網(wǎng)發(fā)展的主要原因之一，嚴重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，給國民經(jīng)濟和人民生活帶來嚴重的損失。因此，輸電線路的防雷研究成了電力系統(tǒng)研究的焦點問題。長期以來，為了減少輸電線路的雷擊事故，提高可靠性，人們采取了各種綜合防雷措施，但電力系統(tǒng)的雷擊事故依然嚴峻。根據(jù)電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計表明，在我國高壓線路跳閘率比較高的地區(qū)，由雷擊引起的跳閘次數(shù)占了總次數(shù)的40%～70%，尤其是在多雷、高土壤電阻率、地理位置偏、地形復雜的區(qū)域，輸電線路上由雷擊引起的事故率更高，究其原因是沒能準確識別雷擊過電壓形式，因此準確地識別雷擊過電壓對提高輸電線路的安全性有著深遠的意義。

本文通過對感應雷過電壓、反擊雷過電壓、繞擊雷過電壓波形特征進行分析研究，提取了時域上的相似度、相間峰值比最大值特征值以及時頻域上的小波能量特征值來識別感應雷過電壓和直擊雷過電壓，在此基礎(chǔ)上，對反擊、繞擊雷過電壓進行clarke變換，求取零模分量[1]，對其波頭進行小波變換，利用模極大值極性和避雷器連續(xù)放電時間來識別反擊、繞擊雷過電壓。

1　輸電線路電磁暫態(tài)仿真模型

本文基于電磁暫態(tài)仿真軟件ATP?EMTP對輸電線路上發(fā)生的感應、反擊、繞擊雷過電壓進行了仿真。輸電線路采用JMARTI頻率特性架空線模型。全長10km，模擬220kV架空輸電線路。全線架設(shè)一回避雷線。仿真輸電線路終端采用匹配電阻模擬負荷，輸電線路終端采用波阻抗接地。模擬雷電波采用1.2/50μs雙指數(shù)波形，雷電通道波阻抗為300Ω，采樣頻率為200MHz。

1.1 桿塔及線路模型

圖1為ATP環(huán)境下建立的輸電線路上雷電侵入波仿真模型，分別表示出了雷擊桿塔頂（雷電反擊）、雷擊輸電線路（雷電繞擊）不同位置的情況，圖2為普通桿塔波阻抗模型。

1.2 絕緣子閃絡(luò)判據(jù)

通過比較絕緣子串所加電壓和標準波形下的伏秒特性值對絕緣子閃絡(luò)進行判斷。如圖3所示，當絕緣子串上的過電壓波與伏秒特性曲線相交即可發(fā)生閃絡(luò)，當絕緣子串上的過電壓波伏秒特性曲線不相交即不閃絡(luò)。

圖1　ATP環(huán)境下建立的輸電線路雷電侵入波仿真模型

圖2　桿塔波阻抗模型

圖3　絕緣子閃絡(luò)判據(jù)

2　雷電過電壓的特征提取及識別研究

2.1 感應雷和直擊雷過電壓的識別

本文對輸電線路上雷擊出現(xiàn)的不同位置導致的不同類型過電壓，包括感應、反擊、繞擊雷電過電壓進行了仿真，在母線處獲得的波形圖如圖4所示。

從圖4a可以看出感應雷過電壓波頭比較平緩，三相變化趨勢基本一致，波形相似。而圖4b、圖4c中的反擊和繞擊雷過電壓則大不一樣，波頭較陡，三相不存在這種相似性，這是因為出現(xiàn)反擊和繞擊時，故障相電壓隨著雷電流的增大而升高并且絕緣子串閃絡(luò)，呈現(xiàn)接地故障形式，這時故障相電壓在電流注入后波頭發(fā)生劇烈震蕩，經(jīng)過一段時間后衰減至0，非故障相隨故障相短時震蕩后恢復常態(tài)[3]。從圖4d波形展開圖看出反擊雷過電壓波波頭時間與標準雷電波接近，約為2.5μs，波尾經(jīng)過數(shù)個振蕩周波后幅值驟降，產(chǎn)生的負的幅值超過了波峰值。圖4e的繞擊雷過電壓波波頭時間也約為2.5μs，與標準雷電波接近，與反擊雷過電壓不同的是，當幅值陡增之后，迅速下降衰減為零，波尾一直保持這種狀態(tài)。鑒于波形特征，可引入波形相似度，另附加三相相間峰值比和小波能量來進行識別感應雷和直擊雷過電壓。

時域特征量波形相似度能夠很好地反應過電壓波形在時域里的特征信息，是反應過電壓性質(zhì)的重要特證指標之一[4]。

圖4　雷電過電壓波形

相似度表征波形各相的相似程度，S越大，表明相似度越高。

分別計算感應、反擊、繞擊雷過電壓相間相似度，得到幾組三相平均值，如表1所示。

表1　感應雷與直擊雷的波形相似度

由表1可知，感應雷波形相間相似度較大，都在0.7以上，反擊雷和繞擊雷相間相似度較小，約為0.4。由此可以作為很好地區(qū)分感應雷和直擊雷的特征量。

除了相似度以外，引入另一個特征量，三相相間峰值比最大值Kpmax式中，Kpmax反應三相電壓的不平衡程度，數(shù)值越接近1，各相電壓幅值差異越小[5]。分別計算感應雷、反擊雷、繞擊雷過電壓的相間峰值比最大值，得到以下幾組數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2　感應雷與直擊雷的相間峰值比最大值

由表中數(shù)據(jù)可以看出感應雷的相間峰值比都接近1，最大的也在1.5左右。而反擊雷都是大于3，繞擊雷更甚。由此可以很好地區(qū)分感應雷和直擊雷。

除了時域上對電壓波形進行特征提取之外，也可利用小波時頻理論對感應、直擊雷過電壓零序電壓波形進行特征提取。根據(jù)對仿真波形的觀察，選用db4小波對零序電壓進行多尺度一維離散小波分解[6]，分解為多個高低頻子頻帶，計算某個子頻帶的小波能量Ei，把其作為特征量式中，i為小波分解尺度。

取30組感應、反擊、繞擊雷過電壓特征值樣本導入到支持向量機程序中進行識別，能夠準確無誤地分辨出來，識別率為100%。由此看出特征值的提取方法有效，能夠識別出感應和直擊雷過電壓。

2.2 反擊雷和繞擊雷過電壓的識別

由于反擊和繞擊雷電過電壓波形大體變化趨勢一致，從波形上很難區(qū)分兩者，但兩者的波頭有些差異，因此從波頭極性及避雷器動作時間等方面進行識別。本文采用小波模極大值的方法提取波頭特征。

小波模極大值即電壓信號經(jīng)小波變換后的局部極值點，定義為式中，φs(x)為小波，f (x)為電壓信號，Wsf (x)為電壓信號小波函數(shù)，若式（5）成立，則在x0的某一鄰域范圍內(nèi)，x0為小波變換的模極大值點，Wsf (x)為小波變換的模極大值。小波變換的模極大值點與電壓信號的突變點是一一對應的，突變點的變化方向?qū)O大值的極性，突變點的變化強度對應模極大值的大小[7]。因此可以通過小波變換后的模極大值的極性和強度表征突變點的變化。進而判斷兩種過電壓波頭極性和避雷器放電持續(xù)時間。

對電壓零模分量波頭進行小波變換，再取模極大值，波頭的變化趨勢不同導致反擊和繞擊雷過電壓波的模極大值極性不同。

對于反擊過電壓，當絕緣子閃絡(luò)時，導線電位先上升再下降，模極大值表現(xiàn)為一正一負兩種極性，由于正的幅值大于負的幅值，所以第一個極值點表現(xiàn)為正極性[8]。繞擊過電壓則不同，由于導線電壓與雷電流的近似線性關(guān)系，繞擊過電壓隨雷電流的增大迅速下降，第一個極值點表現(xiàn)為負極性。從圖5a、5b中看出，兩種過電壓在t1、t2時刻都有急劇變化，t1時，雷電波被避雷器截斷，因此電壓急劇下降，同時避雷器開始放電，對應的模極大值點為k2；t2時，避雷器放電結(jié)束，電壓回升，對應的模極大值為k3。從t1到t2這段時間t即為避雷器的放電時間。

通過多組波形數(shù)據(jù)仿真實驗，得到大量的數(shù)據(jù)表明反擊雷過電壓k1為正，t＞70，繞擊雷過電壓k1為負，t＜50。取30組反擊、繞擊雷過電壓特征值樣本導入到支持向量機程序中進行識別，能夠準確無誤地分辨出來，識別率為100%。由此看出特征值的提取方法有效，能夠識別出反擊和繞擊雷過電壓。

圖5　反擊雷和繞擊雷的波頭特征比較

3　結(jié)束語

本文利用ATP?EMTP軟件對輸電線路上發(fā)生的感應、反擊、繞擊雷過電壓進行了仿真，得到它們的過電壓波形，通過觀察分析發(fā)現(xiàn)各自的波形特點：感應雷過電壓三相波形變化趨勢一致，相似度極高，且波頭平緩，在線路的傳輸過程中幅值發(fā)生衰減，波頭波尾時間變長；反擊和繞擊雷過電壓與感應雷過電壓差別較大，首先波頭陡，其次三相波形差別也大，二者的差異主要體現(xiàn)在波頭和波尾上。

基于這些波形特征，提出了利用波形相似度等特征量來識別感應雷與反擊、繞擊雷過電壓，利用能反應波頭特征的模極大值極性和避雷器放電時間來識別反擊、繞擊雷過電壓。

最后將幾十組波形數(shù)據(jù)導入支持向量機程序，能夠準確地識別出，驗證了特征量的有效性，表明該方法是可行的。

參考文獻

[1] 謝博. 輸電線路雷電過電壓的識別分類方法研究[D].重慶: 重慶大學, 2010.

[2] 束洪春, 張廣斌, 孫士云, 等. ±800kV直流輸電線路雷電繞擊與反擊的識別方法[J]. 中國電機工程學報, 2009(7): 13-19.

[3] 司馬文霞, 謝博, 楊慶, 等. 特高壓輸電線路雷電過電壓的分類識別方法[J]. 高電壓技術(shù), 2010(2): 306-312.

[4] 何正友, 羅國敏, 楊建維. 基于小波能譜矩陣相似度的電力暫態(tài)信號識別[J]. 電力科學與技術(shù)學報, 2007(3): 12-17.

[5] 李欣. 電力系統(tǒng)過電壓分層模式識別及其應用研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2012.

[6] 戴斌. 多方法融合的電力系統(tǒng)過電壓分層模式識別研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2010.

[7] 杜林, 陳寰, 陳少卿, 等. 架空輸電線路雷電繞擊與反擊的識別[J]. 高電壓技術(shù), 2014(9): 2885-2893.

[8] 郭寧明, 覃劍, 陳詳訓. 雷擊對行波故障測距的影響及識別[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2008(5): 79-75.

收稿日期：（2015-05-11）