10 kV運(yùn)行配電線路雷電感應(yīng)過電壓波形在線監(jiān)測

王建國，王守鵬，蔡力，孔爭，樊亞東

(武漢大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

雷電過電壓是配電線路故障及電氣設(shè)備損壞的主要因素之一[1-2]。配電線路一般自身絕緣水平比較低，通常無避雷線保護(hù)，且配電線路走廊密集、靠近用戶側(cè)，發(fā)生故障會直接影響用戶用電，因此配電線路雷電過電壓帶來的危害不容忽視[3]。

目前，對雷電過電壓的研究大多是利用ATP-EMTP等軟件進(jìn)行仿真建模分析，計(jì)算雷電過電壓[4]。另外，Borghetti通過實(shí)驗(yàn)室縮比模型模擬線路環(huán)境，研究配電線路雷電感應(yīng)過電壓[5]。

雖然仿真和縮比模型可以反映雷電過電壓機(jī)理、影響因素和傳播過程，但其局限性明顯。實(shí)際配電線路遠(yuǎn)比仿真模型復(fù)雜，配電線路周圍的環(huán)境也并非理想環(huán)境，配電線路雷電感應(yīng)過電壓觀測仍具有重要意義。

國外學(xué)者在80年代便開展了配電線路過電壓觀測方面的研究。1982年，Eriksson觀測了9.9公里長的單回配電線路的雷電感應(yīng)過電壓，指出線路絕緣配合必須考慮感應(yīng)過電壓的影響[6]。日本橫山茂觀測了820 m不帶電的配電線路雷電感應(yīng)過電壓，指出感應(yīng)過電壓極性與雷電流極性相反[7-8]。Master和Michishita等人也觀測了幾百米長度測試線路的感應(yīng)電壓，積累了寶貴數(shù)據(jù)[9-10]。

90年代美國Uman等人開展了近距離配電線路感應(yīng)過電壓的研究，分析了感應(yīng)過電壓特點(diǎn)[11-13]。Barker等人針對一條不帶電線路進(jìn)行了觀測，他們發(fā)現(xiàn)幅值幾千安到幾十千安的電流在線路上引起感應(yīng)過電壓的幅值從8 ～100 kV不等[14]。Rachidi等人對比了感應(yīng)過電壓的計(jì)算結(jié)果和觀測結(jié)果[15]，得到了較好的一致性。

國內(nèi)配電線路過電壓觀測雖然起步較晚，但近些年進(jìn)展明顯。周蜜等人觀測了220 V低壓線路自然閃電引起的感應(yīng)過電壓，研究了SPD對過電壓波形的影響[16]。蔡力等觀測了廣州從化地區(qū)火箭引雷及其配電線路感應(yīng)過電壓，結(jié)合雷電定位系統(tǒng)研究了雷電距離與感應(yīng)過電壓的關(guān)系[17]。重慶大學(xué)開展了110 kV變電站過電壓在線監(jiān)測研究等[18-19]。

本文主要介紹配電線路過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)，并分析2016年7月、8月和2017年7月佛山10 kV富油甲線實(shí)測過電壓波形特征及參數(shù)統(tǒng)計(jì)，可為配電線路的雷電防護(hù)提供參考。

1 配電線路過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)

配電線路過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)是用于監(jiān)測配電線路相導(dǎo)線過電壓的系統(tǒng)，系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高速采樣技術(shù)、圖形化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等技術(shù)構(gòu)造，用于配電線路雷電過電壓、內(nèi)部過電壓及電磁暫態(tài)的觀測，具有高速采集、大容量記錄存儲、數(shù)據(jù)傳輸、圖形化顯示、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)分析及報(bào)表生成等功能，如圖1所示。

圖1 配電線路過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)硬件

配電線路過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝在配電線路桿塔上，由就地觀測站以及遠(yuǎn)端服務(wù)器組成。就地觀測站由高壓側(cè)分壓器、傳輸電纜、工控機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集卡、通信模塊、太陽能供電電池板、蓄電池組等組成，觀測站主要由高壓側(cè)分壓器(分別接A、B或C相)經(jīng)同軸電纜接入工控機(jī)的采集卡中。

太陽能電池板經(jīng)控制器接入蓄電池組和負(fù)載(通信模塊和工控機(jī))。工控機(jī)在軟件控制下，將采集的過電壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端主服務(wù)器。遠(yuǎn)端主服務(wù)器可以對就地觀測站的監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)配置，并能實(shí)時(shí)獲得線路過電壓數(shù)據(jù)。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理圖

10 kV配電線路過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的波形響應(yīng)、記錄和遠(yuǎn)程傳輸特性，能夠在野外環(huán)境下長期穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)采樣頻率為10 MS/s(每秒10 M個(gè)采樣點(diǎn))，這是因?yàn)榕潆娋€路過電壓包括雷電過電壓和內(nèi)部過電壓，雷電過電壓波頭較陡，需要較高的采樣頻率和頻率響應(yīng)，而內(nèi)過電壓頻譜較寬，通常幾十到幾千赫茲，在較高的頻率下完整采集一個(gè)周期則需要較大的存儲深度。

監(jiān)測系統(tǒng)的測量誤差經(jīng)過高電壓試驗(yàn)進(jìn)行了校準(zhǔn)，與高電壓試驗(yàn)大廳測量系統(tǒng)進(jìn)行比對，沖擊電壓測量幅值響應(yīng)誤差為2.1%。

1.2 系統(tǒng)軟件

配電線路過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)采集軟件是基于圖形化編程語言環(huán)境開發(fā)的，監(jiān)測軟件包括就地觀測站軟件和主服務(wù)器接收軟件。

就地觀測站監(jiān)測軟件實(shí)現(xiàn)過電壓波形的自動采集，保存達(dá)到觸發(fā)電平的過電壓信號，在與主服務(wù)器連接的狀態(tài)下實(shí)時(shí)傳輸給遠(yuǎn)端主服務(wù)器。傳輸完成后，數(shù)據(jù)會自動刪除，使就地監(jiān)測裝置保持良好的硬盤存儲空間及運(yùn)行速度，軟件界面如圖3。

圖3 就地觀測站軟件界面

主服務(wù)器軟件能夠同時(shí)接收來自多個(gè)就地觀測站的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲并顯示在主界面上。主服務(wù)器會根據(jù)連接的就地觀測站名稱，在指定路徑下自動建立相應(yīng)的文件夾，主服務(wù)器接收軟件主界面可以對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行任意通道查看、局部波形展開等操作，軟件界面如圖4。

圖4 主服務(wù)器接收軟件界面

2 雷電感應(yīng)過電壓觀測結(jié)果

2.1 觀測線路

為驗(yàn)證過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，在廣東電網(wǎng)公司佛山供電局10 kV富油甲線開展了雷電過電壓波形觀測。10 kV富油甲線與富油乙線同桿架設(shè)，架空線路全長1 544 m，電纜全長1 860 m，10 kV專用變壓器4臺。

10 kV富油甲線由24基桿塔組成，其中鐵塔6基，水泥桿18基，富油甲線無支線。配電線路過電壓監(jiān)測裝置安裝在5號耐張桿塔上，如圖5所示，方框代表鐵塔，圓圈代表水泥桿。變電站與1號鐵塔以及24號鐵塔與配電房之間為電纜。

圖5 富油甲線位置

10 kV富油甲線和富油乙線互相平行，線間距約為1 m，兩者都是三相導(dǎo)線垂直排布，其中A相位于最上方，C相位于最下方，導(dǎo)線間隔約為0.7 m，兩條線路均沒有架設(shè)避雷線，且沒有安裝避雷器。

富油甲線處在丘陵與平原交界處，周圍地勢變化大，周圍自然雷擊概率較大，觀測時(shí)間選在雷電活動較為頻繁的夏季。觀測對象為10 kV富油甲線最上方的A相和最下方的C相。

2.2 觀測數(shù)據(jù)

過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)分別在2016年8月、9月和2017年7月連續(xù)運(yùn)行，在3次雷暴過程期間記錄到17次感應(yīng)雷過電壓，3個(gè)月記錄的總回?fù)舸螖?shù)為80次，如表1所示。記錄時(shí)間表述方式是，20160815184127是在線監(jiān)測系統(tǒng)于2016年8月15日18點(diǎn)41分27秒記錄到過電壓。

表1 富油甲線過電壓記錄情況

表1可以看到，17次觀測結(jié)果中，回?fù)舸螖?shù)最少的是1次，次數(shù)最多的是10次，平均次數(shù)為4.7次。最大過電壓幅度最大值為23.54 kV，其中最小值為1.33 kV, 平均值為4.94 kV。

2.3 感應(yīng)過電壓波形

以2017年7月26日18點(diǎn)02分42秒記錄到的一次過電壓為例，富油甲線觀測到的過電壓最大幅值可以達(dá)到23.54 kV(如圖6)。

圖6是采用50 Hz陷波技術(shù)濾去了50 Hz工頻電壓波形的雷電感應(yīng)電壓序列波形，可以看到，A、C相雷電感應(yīng)過電壓有明顯的序列特征，每一次過電壓對應(yīng)自然雷電的一次回?fù)暨^程，A、C兩相每次回?fù)魧?yīng)的感應(yīng)電壓脈沖具有近似相同的發(fā)生時(shí)間和回?fù)魰r(shí)間間隔，時(shí)間間隔從最小幾十毫秒到最大數(shù)百毫秒。

圖6 濾除工頻后三相電壓波形

圖7、圖8分別為A相和C兩相對應(yīng)每次回?fù)舻倪^電壓放大波形圖，可以看到，兩相感應(yīng)出的過電壓波形具有類似的特征，表現(xiàn)為波頭時(shí)間短，從0電平迅速上升到峰值，首次回?fù)粽逯捣謩e為14.39 kV和14.14 kV，首次回?fù)糌?fù)峰值在7.68 kV和7.48 kV。波形到達(dá)峰值后，表現(xiàn)為雙極性高頻振蕩，再并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l振蕩，最終衰減到0電平附近。

應(yīng)該注意的是，由于高頻振蕩的特點(diǎn)，富油甲線測量到的過電壓正峰、負(fù)峰幅值都很大，不能忽視。這也就意味著，負(fù)極性雷擊放電過程中，不僅是會產(chǎn)生正極性過電壓，隨著振蕩也會出現(xiàn)負(fù)極性過電壓。

從圖7中可以看到，除第一次回?fù)敉?，同一次閃電過程的不同回?fù)舢a(chǎn)生的過電壓波形是很相似的，只是在幅值上不同。

富油甲線的觀測結(jié)果表明，首次回?fù)舢a(chǎn)生的過電壓一般是最大的，這可能是由于自然雷電中首次回?fù)舻睦纂娏饕话愫艽蟆?/p>

圖8是C相感應(yīng)電壓觀測結(jié)果，與圖7中A相結(jié)果比較，可以看到，首次回?fù)鬉、C相感應(yīng)電壓波形高度類似，后續(xù)回?fù)魞上喔袘?yīng)電壓波形近似，差別在首峰后的振蕩幅度稍有差異，波形是相似的。

注意到富油甲線的觀測結(jié)果中，感應(yīng)電壓的衰減過程并不是完全單調(diào)衰減的，在衰減過程中會出現(xiàn)電壓幅值的突然抬升，但是抬升后的電壓幅值一般不會超過首個(gè)正峰值，如圖7和圖8，6次回?fù)糁蠥相和C相過電壓衰減過程中的第3個(gè)周波都出現(xiàn)了電壓抬升，這可能與線路上某一基桿塔的塔底反射波疊加有關(guān)。

圖7 A相電壓波形

圖8 C相電壓波形

表2為20170726180242過電壓記錄的正峰值、負(fù)峰值、波頭時(shí)間、間隔時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可以看到，首次過電壓幅度最大，A相正峰值略微大于C相。后續(xù)過電壓的正峰值是C相遠(yuǎn)大于A相，對比其他結(jié)果后發(fā)現(xiàn)A相和C相過電壓并沒有絕對的大小關(guān)系，部分記錄顯示也存在后續(xù)過電壓A相大于C相的情況。負(fù)峰值方面也是如此，負(fù)峰值和正峰值具有一定關(guān)系，正峰值越大，負(fù)峰值越大。首次過電壓的波頭時(shí)間比后續(xù)過電壓的波頭時(shí)間要長很多，A相的波頭時(shí)間要略長于C相，兩相的間隔時(shí)間一致。

表2 20170726180242過電壓參數(shù)

富油甲線感應(yīng)過電壓的分析表明，配電線路的雷電感應(yīng)過電壓比理論計(jì)算出的數(shù)值低得多[13]，感應(yīng)過電壓的定量觀測給配電線路雷電過電壓危害的評估提供了觀測基礎(chǔ)。

3 結(jié) 論

1)自主開發(fā)了配電線路過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)觀測系統(tǒng)就地高速采集、存儲和遠(yuǎn)程傳輸，能夠在野外環(huán)境下長期穩(wěn)定運(yùn)行，采樣頻率為10 MS/s，沖擊電壓測量幅值響應(yīng)誤差為2.1%。

2)在10 kV配電線路開展了雷電感應(yīng)過電壓觀測，2年3個(gè)月在線運(yùn)行實(shí)測在3次雷暴過程期間記錄到17次感應(yīng)雷過電壓，3個(gè)月記錄的總回?fù)舸螖?shù)為80次，回?fù)舸螖?shù)最少的是1次，次數(shù)最多的是10次，平均次數(shù)為4.7次。最大過電壓幅度最大值為23.54 kV，其中最小值為1.33 kV, 平均值為4.94 kV。

3)報(bào)道了10 kV配電線路感應(yīng)過電壓波形序列特征，每一次過電壓脈沖對應(yīng)自然雷電的一次回?fù)暨^程，A、C兩相每次回?fù)魧?yīng)的感應(yīng)電壓脈沖具有近似相同的發(fā)生時(shí)間和回?fù)魰r(shí)間間隔。

4)報(bào)道了富油甲線兩相雷電過電壓對應(yīng)于每次回?fù)舻牟ㄐ翁卣?，表現(xiàn)為波頭時(shí)間短，迅速上升到峰值，然后雙極性高頻振蕩，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l振蕩，最終衰減到0，首次回?fù)舻恼⒇?fù)峰幅值都較大。

5)富油甲線觀測結(jié)果表明，各相過電壓幅值不存在絕對的大小關(guān)系，一次過程中的首次回?fù)暨^電壓幅值明顯大于后續(xù)過電壓幅值，首次過電壓的波頭時(shí)間比后續(xù)過電壓長。