变电站输电系统雷击与故障的识别方法

宋晓星，全 琴，贾 凤，许子宽

（1.河北工程大学水电学院，河北 邯郸 056038；2.北京清流技术股份有限公司，北京 100053）

0 引 言

我国输电线路大多分布在深山野外，穿越的地形复杂，输电线路故障发生频率很高。其中因雷击造成的线路故障占很大比例，约占总故障次数的40%～70%[1]。当发生雷击干扰时，输电线路上的行波测距装置可能会发生误动，所以有必要进行雷击识别，以精确定位故障[2]。

参考文献[3]提出了“波形一致性系数”的观点，它使用误差幅度来识别故障行波和非故障行波。这种观点是一个相对较新的概念，但其缺点是数据窗口比行波更长。本文在已有雷击判据的基础上提出了一种非故障雷击与故障的积分识别判据。利用PSCAD建模仿真，其结果表明了该判据的准确性和可靠性。

1 输电线路雷击故障仿真

1.1 雷电流波形

雷电流的波形和幅值大小受很多条件的影响。但实际线路在受到不同雷击时，脉冲波都是单极性的，经过多次观测拟合出一条近似于双指数的曲线，如图1所示。

该波形的双指数函数为：

其中，IL为雷电流的幅值，A为修正系数，α和β为衰减系数，本文用此波形作为雷电流的仿真。

图1 1.2/50 μs雷电流波形

1.2 仿真模型

本文用PSCAD仿真软件搭建220 kV输电线路模型，如图2所示。

图2 220 kV输电系统模型图

由图2可知，CS为母线对地杂散电容，f为线路上的故障点，F1和F2为线路的避雷器，TP为安全保护装置，K、M及N分别为母线名称。

本文所仿真的输电线路长度为100 km，采用频率相关模型，整个输电线路采用双避雷线。杆塔采用分段波阻抗模型，输电系统的避雷器采用IEEE推荐的非线性模型。用本文提到的标准雷电波模型，雷电通道波阻抗通道为300 Ω。

1.3 线路扰动时的波形特征

利用图1提到的模型进行仿真，假设在线路55 km处发生非故障性雷击、故障性雷击及普通短路故障。因为输电线路之间的电磁耦合作用，可用克拉克变换对线路解耦，并对线模分量进行提取，分析得到波形。

（1）非故障雷击时，暂态电流行波在时间轴零点时刻正负交替变换，行波在传播时能量不断减小，幅值逐渐变小。

（2）雷击故障时，暂态电流波形于初始时刻在零轴交替出现，高频分量较丰富，极短时间后，波形总体是单调趋势。

（3）短路故障时，波形基本没有高频分量，且很快偏向坐标轴零轴一侧。

2 非故障性雷击与故障的识别

研究表明，雷击不发生故障时，波形在时间轴上近似对称性分布；故障性雷击时，波形在时间轴上的分布是单调的。由这些特征构造积分识别判据。分别对时间轴上方和下方的暂态电流波形进行积分运算：

其中，t0为发生扰动时刻，τ为积分时间窗，U+、U-为时间轴上方、下方的积分值。因为雷击故障和非雷击故障的波形不同，所以定义如下识别判据：

其中，u0为u+和u-的平均值，由仿真模拟得到距离测点55 km处，发生雷击干扰后的波形信号，通过计算得到判据特征值，如表1所示。

表1 雷击干扰线路后的特征值

由表1可知，发生非故障性雷击时，正负积分值比较接近，且φ值远远小于1；当发生雷击故障时，正负积分值相差很大，φ值远大于1。因此，设定阈值为1，当φ＞1时，判定为故障；当φ＜1时，判定为非故障性雷击。

3 结 论

快速准确地识别雷击干扰是行波保护的前提。本文详细介绍了发生雷击干扰时的波形特征，并提出了利用积分比值识别非故障性雷击和故障的判据。仿真结果表明，对于短路故障和非故障雷击，此判据具有很高的灵敏性和可靠性。