配網(wǎng)線路設備雷擊故障定位技術研究

深圳供電局有限公司 許向明

雷擊是配電網(wǎng)嚴重的威脅因素之一。配電網(wǎng)設備多、分布廣，擔任著向各個地區(qū)供電的使命。雷擊配電網(wǎng)產(chǎn)生的強電流可能會直接燒毀配電線路設備，如輸電線、變電站設備等，造成設備損壞。雷擊還可能引起短路，使負載短路或接地短路，給配電網(wǎng)帶來巨大負荷，并可能造成更大范圍的停電。由于嚴重雷擊破壞設備或引發(fā)短路均可能導致部分區(qū)域或整個配電網(wǎng)停電，影響用戶用電。在架空輸電線路中，雷擊線路過電壓是一個常見的關鍵問題。輕型雷擊時，通常伴隨著瞬時的、微秒級的過電壓。當雷電擊中線路時，過電壓可能導致斷路器跳閘，暫時中斷電力傳輸。然而，在保護系統(tǒng)的作用下，雷擊過去，線路可以重新正常運行。但對于重型雷擊，情況比較復雜，可能導致絕緣子閃絡和短路故障，這時跳閘保護是必須的[1]。因此，有效定位雷擊故障對線路和配電網(wǎng)安全運行至關重要，能減少停電時間和維護成本。

本文結合實際，提出了基于互相關算法的雷擊故障定位技術，通過信號處理方法，準確地確定故障位置。通過對仿真結果的分析，證明該方法是正確且有效的。

1 雷擊電流模型

目前，雷電測算一般用羅氏線圈對磁場采樣的方法[2]。羅氏線圈是一種可以檢測磁場變化的傳感器。它由一定數(shù)量的線圈組成，在磁場作用下會產(chǎn)生感應電流。通過測量這些感應電流的強弱和方向，可以反映出磁場在不同時間點的強弱和方向變化。在雷電測算中，會將多個羅氏線圈安裝在不同位置，同時對各個線圈產(chǎn)生的感應電流進行采樣。通過分析不同線圈同一時間點采樣得到的磁場信號，就可以通過三角測量原理推斷出磁場源（雷電）在空間中的位置。通過連續(xù)高速采樣各個線圈產(chǎn)生的磁場信號，并結合三角測量原理，可以追蹤和記錄雷電在空間中的移動軌跡，而實現(xiàn)對雷電的定位和跟蹤[3]。

雷擊電流的極性一般為負極性[4]，負極性過電壓是電力系統(tǒng)的嚴峻問題。這種雷擊類型具有高峰值電流和快速上升，在線路傳播時衰減小。因此，它們對設備危害大，可能導致設備損壞和電力中斷。一般將負極性雷擊作為重要考慮因素。在雷擊分析中，電流幅值、波頭和波尾是關鍵參數(shù)。雷擊電流的幅值表示其最大強度，通常在3～200kA 之間變化。本文參數(shù)波頭取2.6μs，波尾取50μs[5]。

標準雙指數(shù)和Heidler 函數(shù)模型被廣泛應用于描述雷電流特性。標準雙指數(shù)函數(shù)模型是一種用于描述復雜現(xiàn)象的數(shù)學模型。它通常由兩個指數(shù)函數(shù)組成，一個表示增長或衰減的快速部分，另一個表示增長或衰減的緩慢部分，用來擬合實驗數(shù)據(jù)或觀察到的現(xiàn)象。Heidler 函數(shù)模型使用了一種更加復雜的函數(shù)形式，以更準確地模擬雷電放電的特性。這個模型可以更好地捕捉雷電流脈沖的不連續(xù)性和非對稱性，因此在此研究中更為準確。

標準雙指數(shù)函數(shù)模型表達式為：

其中， t 表示時間；I0表示雷電流幅值；η 是幅值修正系數(shù)；β 與α 是波頭常數(shù)與波尾常數(shù)相關系數(shù)。

Heidler 函數(shù)模型表達式為：

其中，c1是波頭常數(shù)；c2是波尾常數(shù)，n 取10。

幅值為5kA、修正系數(shù)為1、波頭、波尾為2.6/50μs 的雷電流波形如圖 1所示。

圖1 兩種函數(shù)下的雷電流波形

2 氧化鋅避雷器模型

電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行對現(xiàn)代社會很重要，氧化鋅避雷器是確保防雷能力的關鍵。避雷器保護級別直接影響其可靠性。因此，避雷器設計必須考慮參數(shù)權衡。其中，短時過電壓能力和能量吸收能力是重要指標，直接影響其性能。避雷器額定參數(shù)需要在保護級別和損耗之間找到平衡，確保系統(tǒng)在雷電中提供邊緣保護而不引入過多損耗。必須研究和優(yōu)化這些關鍵參數(shù)，確保系統(tǒng)在各極端條件下穩(wěn)定運行。

IEEE 氧化鋅避雷器結構如圖 2所示。

圖2 避雷器模型結構

3 互相關算法定義

在信號處理方法中，相關分析是一項關鍵技術，用于評估信號之間的相似性和關聯(lián)程度。互相關函數(shù)則用于衡量不同信號之間的相關性，它能夠揭示信號之間的相互影響和關聯(lián)程度，從而幫助我們理解信號之間的復雜關系。通過運用相關分析技術，可以深入了解信號的特性，為信號處理和數(shù)據(jù)分析提供有力的工具和方法。

如一維數(shù)組x（A）與y（A），互相關性是：

其中，A 為第A 個點；B 為數(shù)組長度；c 為數(shù)組間相位差，c 取0。

x（A）與y（A）均方根分別為：

歸一化后為：

其中，ρx，y是互相關系數(shù)，取值為［1，-1］。

4 仿真實驗

對于雷擊故障，仿真研究可以通過建立電網(wǎng)模型，在計算機環(huán)境中模擬不同強度和位置的雷擊事件對電網(wǎng)的影響。同時，本研究提出的雷擊定位算法，能夠通過多點信號采集和定位計算，準確定位到雷擊的具體坐標，并不受雷擊強弱影響。這為后續(xù)的排障維修工作提供了重要線索，如確定需要檢查或更換的具體設備。同時也為防雷設施的改進提供依據(jù)，如識別危險區(qū)域需要加強防護等。對于普通的設備故障和異常情況，通過建立真實模型進行仿真分析，可以評估不同操作策略下電網(wǎng)的安全性和可靠性，識別潛在的隱患點。這有助于電網(wǎng)規(guī)劃和優(yōu)化運行模式。綜合利用仿真和算法方式，可以從不同角度評估和提升電網(wǎng)的抗風險能力。這將有效減少由于故障導致的停電時間，保障電力供應的穩(wěn)定性，從而提高整個配電網(wǎng)的可靠性水平。配電網(wǎng)仿真結構如圖 3所示。本次仿真實驗使用PSCAD/EMDTC。

圖3 PSCAD 仿真結構

1-8為檢測點；F1、F2為雷擊發(fā)生點。

在仿真結構中，參數(shù)R1=0.14Ω/km，L1=1.04 Mh/km，C1=0.0083μF/km；大電流接地時，R=1Ω，小電流接地時，L=0.27H。

本研究將采樣頻率設為1MHz，并選擇了發(fā)生雷擊前1/4周期和1/2周期的數(shù)據(jù)進行實驗。

5 基于互相關算法的雷擊實驗

互相關系數(shù)是一種用于評估兩個波形之間相似性的互相關算法中的關鍵度量標準。在本研究仿真實驗中，使用了5kA 的輕型雷擊模擬信號。當某條出線遭受雷擊時，雷電流可被視為一股強大的電流源，導致受雷擊的出線與其他出線的電流方向完全相反，進而波形相似度較低。此相似度的分析方法同樣適用于主線和支線上的檢測點。通過計算互相關系數(shù)，能夠明確雷擊事件的發(fā)生位置。這一方法在不同情況下可以減少重復率，因為它充分考慮了雷電流的電流方向和波形相似性的關鍵特征。在進行雷擊定位時，若無支線，可直接完成雷擊定位。若有支線，通過進行互相關算法分析，計算出檢測點之間的互相關系數(shù)。它的大小直接反映了支線與主線之間的關聯(lián)度，當互相關系數(shù)較高時，意味著雷擊事件可能發(fā)生在支線上，反之，則可能發(fā)生在主線上。通過這種分析方法，能夠更加確切地確定雷擊事件的位置，從而提高了定位的準確性。這一方法考慮了支線和主線之間的相互關系，有助于減少雷擊定位的誤判。

通過進行仿真實驗，設立F1、F2點進行雷擊分析，并計算相關系數(shù)。通過這些分析，可以得到不同系統(tǒng)下的雷擊情況以及相關性的量化結果ρx，y，見表 1。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，可以得出以下結論：對F1，大電流接地時，點1與其他點之間的互相關系數(shù)低，即雷擊點在它的出線上；比較ρ1，2與ρ2，3可以知道雷擊在點2與點3之間；對F2，分析互相關系數(shù)ρ1，2與ρ2，3得出雷擊在點1與點 2之間；分析互相關系數(shù)ρ1，4與ρ1，5，ρ1，4大于ρ1，5，點4是雷擊發(fā)生點。此外，如果觀察相關系數(shù)，可以看出小電流接地系統(tǒng)和大電流接地系統(tǒng)的情況非常類似。

表1 檢測點間的電流數(shù)據(jù)互相關系數(shù)

6 結論

經(jīng)過模擬實驗驗證，本研究確認了該方法在雷擊故障定位方面的高準確性。通過仿真實驗在不同條件下的雷擊事件，采集多點電磁脈沖信號，并運用互相關算法進行三角定位計算，結果顯示，該定位方法在不同情況下都能夠精確定位到雷擊發(fā)生的具體位置和時間。通過應用互相關算法，雷擊定位技術能夠在毫秒級別內精確確定雷擊發(fā)生的具體坐標位置。這使一旦發(fā)生雷擊事件，電力系統(tǒng)能夠通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)在極短時間內獲知故障地點信息，從而迅速采取相應的排障維修措施，如調度備用線路，派遣維修人員等，這大大提高了配電網(wǎng)恢復故障的速度。這一高效準確的雷擊定位方法對于增強配電網(wǎng)的抗雷能力和加速恢復過程具有重要意義。同時也縮短了用戶受影響的時間，有利于提高電力供應的可靠性。