输电线路雷击仿真与识别方法研究

输电线路雷击仿真与识别方法研究

发表时间：2018-07-05T16:54:45.527Z 来源：《电力设备》2018年第9期作者：刘均鹏王志峰杜磊

[导读] 摘要：高压输电线路是电力系统的重要组成部分，但高压输电线路距离较长，再加上直接暴露在自然环境中，遭受雷击发生故障的概率较大，进而会对供电输电造成影响。

（国网莱芜供电公司山东莱芜 271100）

摘要：高压输电线路是电力系统的重要组成部分，但高压输电线路距离较长，再加上直接暴露在自然环境中，遭受雷击发生故障的概率较大，进而会对供电输电造成影响。本文通过仿真雷击过程和故障的发生，分析雷击故障智能系统识别方法的优缺点，以期能够更合理更准确地了解雷击产生状况和影响，通过更切实可行的防雷措施迅速排查电力故障，为电力运行的安全稳定保驾护航。

关键词：输电线路；雷击仿真；雷击识别；杆塔模型；时域波形法

前言

随着社会经济的快速发展，人们对电力需求不断增长，高压电网建设日益频繁和密集，输电线路覆盖面不断扩大，随之而来的是输电线路中的各种故障也逐渐增多，尤其是雷击事故已经成为威胁电力安全稳定的重要因素。输电线路雷击事故不仅会影响电力的输送，还对区域生活生产，经济发展造成损失，因此模拟雷击故障，收集相关信息，对雷击与短路故障进行系统分析是处理系统故障，加强防雷措施的基本前提。输电线路雷击与短路故障的识别可以保证现场故障查找的针对性，对故障的迅速排除具有重大意义。

1输电线路雷击仿真研究

雷击会对输电线路造成严重的影响和损坏，但雷电是自然产物，存在不确定性和危险性，而且雷电是气象现象，不是确实存在的固体物质，在实际工作中，难以对雷击现象进行确切的分析和研究，这需要借助模拟技术，通过模拟模型仿真再现雷击过程和雷击在输电线路中的状况，通过实验结果来检验现实影响。输电线路雷击仿真研究包括，雷电流模型、杆塔模型、输电线模型、避雷器模型、绝缘子闪络模型和冲击电晕模型等，目前研究主要集中在杆塔模型和输电线模型上。

1.1杆塔模型

电力系统杆塔模型主要分为以下三种模型：

1.1.1集中电感模型

较早的杆塔设计高度一般不高于三十米，而且在计算中常常忽略杆塔上波过程，经过单回输电线路的简单分析后就得到杆塔的集中电感模型，在过去一段时间内，规程模型搭建法一直使用这种简单的计算模型，但也存在一定的问题。比如杆塔被雷电击中时，会产生波的折射、反射，但集中电感模型就不能显示出波的折射、反射，同时也不能体现波带动节点点位的变化效果，难以反映出雷击时绝缘子串上的电压变化特性，所以在具体仿真时会有误差。

1.1.2单一波阻抗模型

随着杆塔高度的加高，集中电感模型已经难以适应较高杆塔的计算，因为较高的杆塔，雷电流从杆塔顶端到底端需要一定的时间，必须考虑波在杆塔内的传播过程。相关数据表明，雷击导致的高压输电线路跳闸率会根据杆塔阻抗的变化而变化，当阻抗±10％时，雷击跳闸率也随之±20％。但需要注意的是，实际杆塔是不均匀不光滑的，因此要根据杆塔的结构来确定取值，将其等效假设为上下匀称的单一波阻抗模型。

1.1.3多波阻抗模型

高压输电线路受到雷击时，雷击产生的过电压波会在杆塔上传播，而杆塔波阻抗会受到离地面具体高度的影响，故在工程上将杆塔拆分为主架、支架和横担三部分，每部分都用无损线路和RL电路并联来进行模拟，记录了行波在杆塔由强变弱的过程，使得模型更加仿真[1]。

1.2输电线模型

电力系统输电线路模型中较为主要的是以下三类模型：

1.2.1 π型等值电路模型

π型等值电路模型可以满足长度为100km至200km的架空线路的计算精度，暂态的计算要L、C决定的截止频率要远远大于线路暂态现象的基本频率才能应用π型等值电路模型，就是将线路平均分为几段，每段线路长为一定值，所以π型电路等效模型主要用于稳态计算和工频范畴的暂态计算。

1.2.2 Bergeron模型

数值计算的运算快、操作方便、考虑全面等优势，让它成为计算过电压的主要手段。编程计算通常采用的方法是Bergeron数值计算方法，就是把集中参数元件按数值的要求化为相应的等效计算电路，以便用常见的集中参数的数值解法来计算输电线路上的波过程。

1.2.3 J.Marti模型

由于雷击产生的过电压波中含有大量的谐波，尤其瞬间状态下，会有大量的高次谐波，而输电线路参数会随着频率的变化而变化，所以在仿真中应考虑频率对输电线路的影响，不少仿真常采用J.Marti模型。具体操作是在EMTP中选择LCC模型，并将其设置为“JMARTI”，然后通过设置杆塔尺寸和线路参数进行操作[2]。

2输电线路雷击识别方法研究

2.1时域波形法

当线路发生短路故障时，暂态电流故障行波波头的波动不是很激烈，但会随着时间的推移，总体呈增加趋势，所以可以根据是否引起绝缘子闪络，来判断是否为非雷击故障还是雷击故障：如果是非雷击故障，那么录波器所得时域暂态电流行波波形会慢慢衰减直至没有；如果是雷击故障时，暂态电流行波初始呈现雷击电流特征，但最终会出现逐步增长趋势。该方法可准确区分非雷击故障与雷击故障，但是在受到母线结构与导线周围噪声强度的影响时，可能效果较差。

2.2幅值法

幅值法就是利用电流在不同情况下的幅值变化，来判断非雷击故障与故障，但只能对非故障雷击与故障进行区分，不能具体确定该故障是雷击导致还是普通短路导致的。该种方法与时域波形法不同的是，增幅法不受周围噪音强度的干扰，但是收到故障初相角、冲击电晕

以及雷电流幅值的影响，而且，不少人员是利用经验来进行判别工作，缺乏理论依据和标准规则，所以该方法存在一定的主观性和随机性。

2.3模极大值法

输电线路遭受雷击时会导致电流突变，高幅值的雷电流会在雷击点产生幅值很大的行波源；而产生短路的点位处的电流行波幅值较小，所以可以利用初始行波比值来表述非故障雷击电流行波与故障行波之间的不同，进而判别非雷击故障与故障。这种方法的精确度较高，准确性较强，而且受其他因素的影响较小，缺点是确定模极大值存在一定难度。

2.4小波能量谱法

雷电流中的高频分量较多，受雷电流幅值与波形的影响，电流频域能量在0-100k Hz之间；而短路故障电流中的低频分量较多，受过渡电阻与故障初相角的影响，频域能量仅仅在0-10k Hz之间[3]。小波能量谱法就是利用不同扰动下，故障电流在不同频段的能量分布差异来进行故障判断。小波能量谱方法是从频域角度出发，不会受到噪声和故障类型的干扰，但信号时频变换时有可能产生频谱泄漏或混叠导致误判，并且高频暂态分量受故障初始相角影响严重，所以这种识别方法在判断中也存在一定的漏洞和失误。 3结语

综上所述，雷击是造成高压输电线路短路的主要原因之一，为降低雷击跳闸率，需对雷击故障进行充分的分析和检测，通过一系列措施，提高线路绝缘水平来提高输电线路的耐雷水平。在高压电网大规模建设的大环境下，输电线路雷击事故愈发频繁，雷击引起的停电事故对系统造成的影响也越发严重。雷击与短路故障的识别区分对有针对性的完成现场故障排查，有目的性的完善线路防护措施具有重要意义。现有的输电线路雷击建模方法纷繁复杂，大部分识别判据只能完成特定故障的区分，缺乏系统的识别方法。上文在选择合理模块完成仿真模型搭建的同时，对扰动信号时频域特征进行了分析，提出了基于相关向量机的多特征量雷击故障智能系统识别方法参考文献

[1]梁泽慧.输电线路雷击仿真与识别方法研究[D].北京，华北电力大学，2014.

[2]江祖伊.高压输电线路雷击过电压的识别研究[D].广西，广西大学，2017.

[3]闫红伟.输电线路雷击故障的仿真与识别方法研究[D]. 北京，华北电力大学，2015.

[4]王琪.雷击架空输电线路暂态电流行波仿真与模式识别方法研究[D].重庆大学，2014