CN103235213B - 一种输电线路雷电反击和雷电绕击的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种输电线路雷电反击和绕击的识别方法，用以识别行波保护以及故障测距时的雷电干扰,包括步骤：首先根据三相行波极性的异同来识别输电线路反击，进一步通过比较线路绕击和故障时，行波能量变化差异，提出基于短视窗内行波修正能量比的输电线路绕击识别方法。本发明识别依据明确，能够准确的辨识出输电线路雷击干扰，并判断类型。

Description

一种输电线路雷电反击和雷电绕击的识别方法

技术领域

本发明涉及输电线路雷击干扰识别技术领域，具体是一种输电线路雷电反击和雷电绕击的识别方法。

背景技术

输电线路在运行的过程中极易受到雷击干扰，据统计雷击跳闸占线路跳闸次数的40%左右。此时故障测距装置如何实现对干扰信号的有效辨识是故障测距系统可靠运行的前提。若雷击引起线路绝缘闪络时，对雷击类型进行有效识别，可以为后续检修工作提供指导性意见。

输电线路的非正常运行状态都可认为是线路受到干扰而引起的，由于输电线路三相之间存在相互耦合关系，当干扰从不同地方注入时，其ABC三相线路上感应的暂态电流行波信号存在一定的规律。输电线路在不同干扰类型下，其ABC三相线路上暂态行波极性、故障能量持续时间等都有一定的差异，下面对这些特征进行研究。

1、行波极性差异

若把输电线路ABC三相看成一个整体，则可将干扰信号分为从外部注入和内部注入两类，其示意图如图1所示。第一类为干扰从内部注入，如图1中1号标记点所示，此类干扰影响输电线路一相或者几相，如线路绕击、开关操作等。另一类为干扰从外部注入，如图1中2号标记点所示，此类干扰先影响输电线路周围大地或者避雷线，由于电磁感应在输电线路上引起的干扰，如反击、雷击避雷线档距中央等。为了分析输电线路非故障暂态信号与输电线路故障暂态信号的差异，将输电线路故障同样归入干扰从内部注入，系统单相接地故障表示为如1号标记点所示，相间故障表示为如图1中3号标记点所示。系统其它故障如：多相接地和多相短路可由上述表示方法组合而成。

a)线路反击时行波极性分析

当线路反击时，由高电压基本理论可知，线路上感应电压可表示为：

U_gd＝ah_d(1-k)          (1)

式(1)中：a为感应过电压系数(kV/m)，h_d为导线平均高度，k为导线与避雷线之间耦合系数(0＜k＜1)。

当雷击避雷线中央时，设雷击点K的电压为U_k，在线路上的感应电压U可表示为

U＝(1-k)U_k            (2)

由式(1)和(2)可知，无论线路反击还是雷击避雷线中央，ABC三相输电线路上的感应电压极性相同，即暂态电压行波和暂态电流行波的极性相同。

b)绕击及故障时行波极性分析

当干扰从线路内部注入时，此时有线路故障和绕击两种情况，线路绕击从本质上来说也是线路故障，因此只需对线路故障作出分析即可。

由于输电线路三相之间存在耦合，在分析其关系时通常采用相模变化将其变为3个独立的模量来分析，采用凯伦布尔(Karenbauer)变换可得到暂态电流行波的零模分量I₀、一模分量I₁、二模分量I₂。由于各行波模量在沿线传播的过程中各自衰减情况不一样，其中地模衰减较快，而线模衰减较慢，若设故障电流行波经故障点传播至某一检测点Y时，地模分量的衰减系数为α₁，线模分量的衰减系数为α₂，则有0＜α₁＜α₂＜1。此时由凯伦布尔反变换可得到ABC三相电流的表达式如式(3)所示

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{YA}}\\ I_{\mathrm{YB}}\\ I_{\mathrm{YC}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -2& 1\\ 1& 1& -2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1{I}_0\\ {\mathrm{\α}}_2{I}_1\\ {\mathrm{\α}}_2{I}_2\end{array}\right]---\left(3\right)$

输电线路故障分为单相接地故障、相间短路、两相接地故障和三相短路故障四种情况，由故障边界条件可求的故障时暂态电流行波的零模分量I₀、一模分量I₁、二模分量I₂的值，并由式(3)可求出检测点Y处ABC三相线路上的暂态电流值为I_YA、I_YB和I_YC。

1)单相接地故障(A相)

A相接地故障时，其电流边界条件为，

$\left\{\begin{array}{c}{I}_A\≠0\\ I_B=0\\ I_C=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

由凯伦布尔(Karenbauer)变换可得到零模分量I₀、一模分量I₁、二模分量I₂的对应关系如式(5)所示。

I₀＝I₁＝I₂＝I_A/3           (5)

将式(5)代入式(3)可得在检测点Y处三相线路上的暂态电流如式(6)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{YA}}=\frac{I_A}{3}({\mathrm{\α}}_1+2{\mathrm{\α}}_2)\\ I_{\mathrm{YB}}=\frac{I_A}{3}({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)\\ I_{\mathrm{YC}}=\frac{I_A}{3}({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)\end{array}\right.---\left(6\right)$

因为α₁＜α₂，所以I_YB和I_YC同号，且I_YB和I_YA异号。

2)相间短路(AB相)

AB相间短路时，其电流边界条件为

$\left\{\begin{array}{c}{I}_A=-I_B\\ I_C=0\end{array}---\left(7\right)\right.$

由凯伦布尔(Karenbauer)变换可得到零模、一模、二模的对应关系如式(8)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_0=0\\ I_1={2I}_A/3\\ I_2=I_A/3\end{array}\right.---\left(8\right)$

将式(8)代入式可得在检测点Y处三相线路上的暂态电流如式(9)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{YA}}=I_A\\ I_{\mathrm{YB}}=-I_A\\ I_{\mathrm{YC}}=0\end{array}---\left(9\right)\right.$

由式(9)可知，I_YB和I_YA异号。

3)两相接地故障(AB相)

AB两相接地故障时，其电流边界条件为，

I_C＝0         (10)

由凯伦布尔(Karenbauer)变换可得到零模、一模、二模的对应关系如式(11)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_0=\frac{I_A+I_B}{3}\\ I_1=\frac{I_A-I_B}{3}\\ I_2=I_A/3\end{array}\right.---\left(11\right)$

将式(11)代入式可得在检测点Y处三相线路上的暂态电流如式(12)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{YA}}=\frac{I_A({\mathrm{\α}}_1+{2\mathrm{\α}}_2)+I_B({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)}{3}\\ I_{\mathrm{YB}}=\frac{I_A({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)+I_B({\mathrm{\α}}_1+{2\mathrm{\α}}_2)}{3}\\ I_{\mathrm{YC}}=\frac{(I_A+I_B)({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)}{3}\end{array}\right.---\left(12\right)$

式(12)中将I_YAI_YBI_YC三者相加有

I_YA+I_YB+I_YC＝α₁(I_A+I_B)        (13)

对比式(12)和式(13)可知，与三者之和符号相反，因此由式(13)可判定I_YA、I_YB中必定有一个与I_YC异号。

4)三相短路故障

三相相接地故障时，其电流边界条件为，

${\stackrel{\·}{E}}_A={\stackrel{\·}{U}}_A,{\stackrel{\·}{E}}_B={\stackrel{\·}{U}}_B,{\stackrel{\·}{E}}_C={\stackrel{\·}{U}}_C---\left(\text{14}\right)$

由于故障前三相电压向量和为零，因此故障后叠加故障分量之间向量和也为零，由凯伦布尔(Karenbauer)变换可得到零模、一模、二模电流的对应关系如式(15)所示。

$\left\{\begin{array}{c}\\ I_0=0\\ I_1=\frac{I_A-I_B}{3}\\ I_2=\frac{I_A-I_C}{3}\end{array}\right.---\left(15\right)$

将式(15)代入式可得在检测点Y处三相线路上的暂态电流如式(16)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{YA}}=\frac{{\mathrm{\α}}_2({2I}_A-I_B-{|I}_C)}{3}\\ I_{\mathrm{YB}}=\frac{{\mathrm{\α}}_2({2I}_B-I_A-I_C)}{3}\\ I_{\mathrm{YC}}=\frac{{\mathrm{\α}}_2({2I}_C-I_B-I_A)}{3}\end{array}\right.---\left(16\right)$

式(16)中I_YAI_YBI_YC三者相加有

I_YA+I_YB+I_YC＝0        (17)

由式(17)可知I_YAI_YBI_YC三者必定有一个与另外两个符号相反。

因此，当输电线路内部故障时，ABC三相线路上的暂态电流行波极性必定有一相与另外两相相反，并且在线路上任意位置的检测点都有同样的结论。

由上分析可知，当输电线路反击或者雷击避雷线档距中央时，线路上三相暂态电流行波极性相同，当线路内部故障时，线路上三相暂态电流行波极性必定有一个与另外两个相反。

2、行波能量比差异

输电线路绕击时，一般只引起单相故障，因此输电线路绕击的识别主要考虑其和线路单相接地故障的识别。雷电绕击线路和线路单相故障时，都可等效为输电线路正常运行时，在故障相叠加一过渡电阻为R，电流为I的等效电流源，如图2所示。绕击时，电流源I为雷电流，R为雷电通道波阻抗。输电线路单相故障时，电流源I为等效注入电流，R为故障过渡电阻。因此需从电流源I的特性中寻找绕击和线路故障的差异。

若设A相线路单相故障或绕击后电流为I_A(t)，正常运行时A相电流为I_nrmlA(t)，记为正常工频分量，故障或绕击后叠加在正常电流I_nrmlA(t)上的干扰电流为I_interA(t)，记为干扰分量，由叠加原理可知

I_A(t)=I_nrmlA(t)+I_interA(t)        (18)

由于电力系统中负荷变化相对缓慢，正常运行时可认为在相邻两个周波内，对应相位上的电流瞬时值相同，此时可根据故障前一个周波的电流数据，获取线路故障以后故障电流I_A(t)中的正常工频分量流I_nrmlA(t)。

干扰分量I_interA(t)在线路绕击未闪络、绕击闪络和线路故障时其值都不一样。若设雷电电流行波为I_lghtA(t)，故障电流产生的电流行波为I_trnsA(t)。线路发生绕击时，无论闪络与否，故障相上的干扰分量都经历电流迅速上升，随之急剧下降的过程；而线路故障时，干扰分量I_interA(t)先急速上升至故障电流行波I_trnsA(t)，随之按照正弦衰减规律变化。如图3所示。

图3中，当线路发生雷击闪络时，在雷电电流行波作用的过程中，干扰分量I_interA(t)幅值先急剧增加，随之迅速减小，最后当雷电电流行波消失后，其值大致按照正弦衰减规律变化。而当线路故障时，在故障电流行波作用的过程中，干扰分量I_interA(t)快速上升至某特定值，随后故障电流行波消失后大致按照正弦衰减规律变化。因此可根据行波作用过程及其消失后的一个时窗内，线路上干扰电流I_interA(t)的能量变化规律来判断线路绕击和线路故障。

当采样点数为N时，行波s(t)在一定时间内的能量由式（19）表示。

$E=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|s\left(t_k\right)\right|}^2---\left(19\right)$

设行波持续时间为Δt，定义行波能量比ROD为检测装置在行波持续的Δt时间内行波能量E₁，与行波消失后的Δt时间内行波能量E₂之比，如式(20)所示

$\mathrm{ROD}=\frac{E_1}{E_2}---\left(20\right)$

1)线路绕击未闪络

当线路绕击未闪络时，干扰分量I_interA(t)可表示为如式(21)所示

I_interA(t)=I_lghtA(t)        (21)

由式(21)可知在雷电行波作用期间，I_interA(t)能量E₁由雷电电流行波决定，而当雷电行波消失后，I_interA(t)的能量E₂在很短的视窗内变化很小，因此行波能量比ROD为无穷大。

2)线路故障

输电线路发生故障时，其故障暂态电流由工频故障电流I_fltA和故障行波电流I_trnsA(t)相加构成，其中I_trnsA(t)持续时间极短，通常为数十μs，在上述时间范围内，工频故障电流I_fltA几乎不变，为方面分析将工频故障电流I_fltA的起始时刻定义为故障行波电流的终止时刻。若设I_trnsA(t)的起始时刻为τ₂，终止时刻为τ₃，则I_interA(t)可表示为如式(22)所示。

I_interA(t)=I_trnsA(t)u(t-τ₂)+I_fltA(t)u(t-τ₃)        (22)

由于故障电流行波持续时间Δt很短，故在电流行波开始后的2Δt时间范围内，可近似认为I_interA(t)呈线性，此时有故障行波持续时间内的能量E₁与故障电流行波消失后Δt时间内的能量E₂近似相等，因此行波能量比ROD为1左右的一个有限数。

3)线路绕击闪络

线路绕击闪络时，若设I_lghtA(t)的起始时刻为τ₁，I_trnsA(t)的起始时刻为τ₂，终止时刻为τ₃，则I_interA(t)可表示为如式(23)所示。

I_interA(t)=I_lghtA(t)u(t-τ₁)+I_trnsA(t)u(t-τ₂)+I_fltA(t)u(t-τ₃)        (23)

在[τ₁，τ₂]区间，干扰电流I_interA(t)随雷电行波的增加而增加，在τ₂时刻，线路发生闪络，产生故障电流行波I_trnsA(t)，由于故障电流行波极性与雷电电流行波极性相反，此时干扰电流I_interA(t)在雷电行波作用的过程中，能量值E₁由雷电行波及故障行波决定。在故障电流行波消失后，I_interA(t)将以正弦衰减规律缓慢变化，因此在故障行波消失后Δt时间范围内，I_interA(t)的能量E₂非常小，因此行波能量比ROD同样为远大于1的一个正数。

由上述分析可知，线路绕击时，无论是否发生闪络，其行波能量比ROD都是一个远大于1的正数，甚至为无穷数，而线路故障时行波能量比为1左右的一个有限数。

根据上述行波极性以及能量比的分析信息，可以准确辨识输电线路雷电反击和绕击。雷击干扰的有效识别对于故障测距、行波保护有着至关重要的意义。经检索文献发现昆明理工大学束洪春在中国电机工程学报杂志上发表“±800kV直流输电线路雷电绕击与反击的识别方法”一文，提出利用故障暂态分量和非故障暂态分量在检测后3ms内变化趋势不同，提出了“波形一致性系数”的方法进行雷击干扰识别。上述方法针对直流线路但不适用于交流线路。现有的雷击干扰识别方法主要依据故障前后电流的变化或者暂态行波的高低频能量差异以及零模线模的变化趋势。当雷击线路并未造成故障，或者造成的短路故障较弱时，现有方法很容易造成误判。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在针对当前雷击类型判断不准确的问题，提出基于雷电行波时域特征的雷击类型识别方法，实现对雷击类型的准确识别。

本发明所述的一种输电线路反击和绕击识别方法，包括以下步骤：

步骤S1，对输电线路三相电流中的工频分量进行过滤，检测其极性，若三相电流行波极性相同，则可以辨别输电线路发生雷电反击；若三相电流有一相极性与其他两相相反，则输电线路发生绕击或者线路故障；

步骤S2，计算行波修正能量比；

步骤S3，当行波修正能量比大于3时，则输电线路发生雷电绕击，当行波修正能量比为1附近的有限正数时，则输电线路发生线路故障。

当故障点或者雷击点在靠近线路末端时，此时首个行波与线路末端的反射波叠加在一起将导致行波持续时间变长。当输电线路较短时，折反射序列之间的间隔时间较短，可能小于行波持续时间，此时上述判断规则可能会失效。由于行波持续时间大多为数十μs，在此时间段内故障电流可认为是线性，此时能量值的大小与行波持续时间呈正比，因此可用能量值除以行波持续时间，从而消除行波持续时间差异和行波序列之间间隔差异给判断规则带来的影响，基于此，定义修正行波能量比MROD如式(24)所示。

$\mathrm{MROD}=\frac{E_1\mathrm{\Δ}{t}_2}{E_2\mathrm{\Δ}{t}_1}---\left(24\right)$

式(24)中，Δt₁=t₂-t₁，Δt₂=t₃-t₂。

由式(24)可知，确定MROD的关键在于t₁、t₂、t₃的确定，由式(6)可知当A相发生故障或者绕击时，在BC两相都可检测到与A相电流行波相对应的电流行波，并与A相中电流行波的起始时刻和终止时刻相同，因此可采用非故障相电流行波的起始和终止时刻分别作为t₁和t₂。若设第一个电流行波消失至第二个行波到达时的时间间隔为Δt_trvl，则第二个时间窗的终点t₃可由式(25)确定。

t₃=t₂+min(Δt_trvl,Δt₁)        (25)

综上分析，可得到线路绕击和线路故障识别步骤如下：

①根据非故障相前两个电流行波确定电流行波的起始时刻t₁、终止时刻t₂和第一个电流行波消失至第二个行波到达时的时间间隔Δt_trvl。

②由式(25)确定t₃。

③分别在区间[t₁，t₂]、[t₂，t₃]内，求取I_interA(t)的能量E₁、E₂。

④根据式(24)求的行波修正能量比MROD，进一步判断是线路故障还是线路绕击。由于线路故障时的行波能量比为1左右的正数，故MROD的阈值取3即可有效区分绕击和故障线路。

与现有技术相比，本发明通过输电线路三相电流行波的极性差异以及能量比，辨识出雷电反击和绕击，以便快速的决定保护的动作或者故障测距装置的运行。本发明的识别方法选择依据明确，经仿真实验表明此方法正确可靠，具备较好的应用前景。

附图说明

图1是输电线路干扰注入示意图，图中，Earth为地面，A、B、C为三相线路，I_scr为干扰电流信号；

图2是线路绕击和单相接地故障模型；

图3（a）是雷击故障行波图

图3（b）是线路故障行波图；

图4是实施例1检测得的电流波形；

图5是实施例2检测得的电流波形。

具体实施方式

下面给出本发明的两个较佳实施例，并予以详细描述。

两个实施例均用于双电源系统线路，其长度为210km。

实施例1

步骤S1，将输电线路三相电流除去工频分量，根据三相线路极性辨别输电线路是否发生雷电反击。

本实施例中检测得的行波波形经过初步处理以后，如图4所示。由于三相电流行波极性均为正，故输电线路干扰来自于线路外部，即输电线路发生雷电反击，识别结束。

实施例2

步骤S1，将输电线路三相电流除去工频分量，根据三相线路极性辨别输电线路是否发生雷电反击。

本实施例中检测得的行波波形经过初步处理以后，如图5所示。由于A相极性为正，B、C两相极性为负，三相极性不相同，则说明输电线路并未发生雷电反击，线路干扰来源于内部，有可能是A相线路发生绕击或者发生线路故障。

步骤S2，计算行波修正能量比；

具体步骤如下：

①根据非故障相前两个电流行波确定电流行波的起始时刻t₁、终止时刻t₂和第一个电流行波消失至第二个行波到达时的时间间隔Δt_trvl。

本实施例中非故障相为B、C两相，由其电流行波得出t₁=0.325132，t₂＝0.325318，由此可得，Δt₁＝0.000186，且Δt_trvl＝0.000216。

②由式(25)确定t₃=t₂+Δt₁＝0.325504，Δt₂＝Δt₁。

③分别在区间[t₁，t₂]、[t₂，t₃]内，求取I_interA(t)的能量得E₁=6932.409、E₂=18.911。

步骤S3，根据电流行波修正能量比辨识输电线路是否发生雷电绕击：当行波修正能量比大于3时，则输电线路发生雷电绕击，当行波修正能量比为1附近的有限正数时，则输电线路发生线路故障。

根据式(24)求的行波修正能量比MROD，进一步判断是线路故障还是线路绕击。由于本实施例中Δt₂＝Δt₁，MROD=ROD=E₁/E₂=366.581，由此可知线路A相发生绕击。

综上所述，本发明为解决行波保护和故障测距中雷击干扰问题，在分析输电线路电流行波极性差异以及行波修正能量比的基础上，利用雷电行波时域特征，准确辨别雷电反击和绕击，为进一步故障定位打下了基础。经仿真实验表明，此识别方法准确率较高，具有很好的应用前景。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种输电线路雷电反击和雷电绕击的识别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1，对输电线路三相电流中的工频分量进行过滤，检测三相电流行波极性，若三相电流行波极性相同，则输电线路发生雷电反击，识别结束；

若三相电流行波有一相极性与其他两相相反，则输电线路未发生雷电反击，发生雷电绕击或者发生线路故障，进入步骤S2；

步骤S2，计算行波修正能量比，具体步骤如下：

①根据非故障相前两个电流行波确定电流行波的起始时刻t₁、终止时刻t₂和第一个电流行波消失至第二个电流行波到达时的间隔时间Δt_trvl；

②计算第二个时间窗Δt₂的终点t₃，公式如下：

t₃＝t₂+min(Δt_trvl,Δt₁)         (25)；

③分别在区间[t₁，t₂]、[t₂，t₃]内，计算干扰电流I_interA(t)的能量E₁、E₂，

公式如下：

$E=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|s\left(t_k\right)\right|}^2;---\left(19\right)$

其中，N为采样点数，s(t)为行波一定时间内的能量，E₁为行波持续的[t_1，t₂]时间内行波能量，E₂为行波持续的[t₂，t₃]时间内行波能量；

④计算行波修正能量比MROD，公式如下：

$\mathrm{MROD}=\frac{E_1{\mathrm{\Δt}}_2}{E_2{\mathrm{\Δt}}_1}---\left(24\right)$

其中，Δt₁＝t₂-t₁，Δt₂＝t₃-t₂；

步骤S3，当行波修正能量比大于3时，则输电线路发生雷电绕击，当行波修正能量比为1附近的有限正数时，则输电线路发生线路故障。