输电线路雷电过电压识别研究

刘雨晴 刘虹利 李荷薇（西华大学电力系统研究室）

输电线路雷电过电压识别研究

刘雨晴 刘虹利 李荷薇
（西华大学电力系统研究室）

摘 要：输电线路高效、稳定地传输电能是保证电网安全稳定运行的必不可少的环节，但由于输电线路输送距离长，线路走廊和离地高度大等原因，线路遭受雷击的概率很大，因此雷击过电压对电网的安全稳定运行有着很大的影响。根据输电线路和杆塔特点，利用ATP-EMTP软件对输电线路上的感应、反击、绕击雷过电压进行仿真。通过分析这三种过电压的波形特征，引入相似度、三相相间峰值比最大值、小波能量、模极大值极性等特征量，并结合支持向量机进行识别。大量的仿真和实例表明此方法效果良好。

关键词：感应雷电过电压；反击雷电过电压；绕击雷电过电压；相似度；支持向量机

0　引言

随着国民经济的快速发展，电网建设也随之加快，但我国幅员辽阔，能源分布极不均匀，2/3以上的水和煤资源都集中在西部地区，而负荷中心大多都覆盖在相对发达的中东部地区，东西部距离太远，发展长距离、大容量的特高压输电技术势在必行。总结国内外的特高压输电运行经验，雷击引起的线路跳闸一直是影响特高压电网发展的主要原因之一，严重影响了电网的安全稳定运行，给国民经济和人民生活带来严重的损失。因此，输电线路的防雷研究成了电力系统研究的焦点问题。长期以来，为了减少输电线路的雷击事故，提高可靠性，人们采取了各种综合防雷措施，但电力系统的雷击事故依然严峻。根据电网故障分类统计表明，在我国高压线路跳闸率比较高的地区，由雷击引起的跳闸次数占了总次数的40%～70%，尤其是在多雷、高土壤电阻率、地理位置偏、地形复杂的区域，输电线路上由雷击引起的事故率更高，究其原因是没能准确识别雷击过电压形式，因此准确地识别雷击过电压对提高输电线路的安全性有着深远的意义。

本文通过对感应雷过电压、反击雷过电压、绕击雷过电压波形特征进行分析研究，提取了时域上的相似度、相间峰值比最大值特征值以及时频域上的小波能量特征值来识别感应雷过电压和直击雷过电压，在此基础上，对反击、绕击雷过电压进行clarke变换，求取零模分量[1]，对其波头进行小波变换，利用模极大值极性和避雷器连续放电时间来识别反击、绕击雷过电压。

1　输电线路电磁暂态仿真模型

本文基于电磁暂态仿真软件ATP−EMTP对输电线路上发生的感应、反击、绕击雷过电压进行了仿真。输电线路采用JMARTI频率特性架空线模型。全长10km，模拟220kV架空输电线路。全线架设一回避雷线。仿真输电线路终端采用匹配电阻模拟负荷，输电线路终端采用波阻抗接地。模拟雷电波采用1.2/50μs双指数波形，雷电通道波阻抗为300Ω，采样频率为200MHz。

1.1 杆塔及线路模型

图1为ATP环境下建立的输电线路上雷电侵入波仿真模型，分别表示出了雷击杆塔顶（雷电反击）、雷击输电线路（雷电绕击）不同位置的情况，图2为普通杆塔波阻抗模型。

1.2 绝缘子闪络判据

通过比较绝缘子串所加电压和标准波形下的伏秒特性值对绝缘子闪络进行判断。如图3所示，当绝缘子串上的过电压波与伏秒特性曲线相交即可发生闪络，当绝缘子串上的过电压波伏秒特性曲线不相交即不闪络。

图1　ATP环境下建立的输电线路雷电侵入波仿真模型

图2　杆塔波阻抗模型

图3　绝缘子闪络判据

2　雷电过电压的特征提取及识别研究

2.1 感应雷和直击雷过电压的识别

本文对输电线路上雷击出现的不同位置导致的不同类型过电压，包括感应、反击、绕击雷电过电压进行了仿真，在母线处获得的波形图如图4所示。

从图4a可以看出感应雷过电压波头比较平缓，三相变化趋势基本一致，波形相似。而图4b、图4c中的反击和绕击雷过电压则大不一样，波头较陡，三相不存在这种相似性，这是因为出现反击和绕击时，故障相电压随着雷电流的增大而升高并且绝缘子串闪络，呈现接地故障形式，这时故障相电压在电流注入后波头发生剧烈震荡，经过一段时间后衰减至0，非故障相随故障相短时震荡后恢复常态[3]。从图4d波形展开图看出反击雷过电压波波头时间与标准雷电波接近，约为2.5μs，波尾经过数个振荡周波后幅值骤降，产生的负的幅值超过了波峰值。图4e的绕击雷过电压波波头时间也约为2.5μs，与标准雷电波接近，与反击雷过电压不同的是，当幅值陡增之后，迅速下降衰减为零，波尾一直保持这种状态。鉴于波形特征，可引入波形相似度，另附加三相相间峰值比和小波能量来进行识别感应雷和直击雷过电压。

时域特征量波形相似度能够很好地反应过电压波形在时域里的特征信息，是反应过电压性质的重要特证指标之一[4]。

图4　雷电过电压波形

相似度表征波形各相的相似程度，S越大，表明相似度越高。

分别计算感应、反击、绕击雷过电压相间相似度，得到几组三相平均值，如表1所示。

表1　感应雷与直击雷的波形相似度

由表1可知，感应雷波形相间相似度较大，都在0.7以上，反击雷和绕击雷相间相似度较小，约为0.4。由此可以作为很好地区分感应雷和直击雷的特征量。

除了相似度以外，引入另一个特征量，三相相间峰值比最大值Kpmax式中，Kpmax反应三相电压的不平衡程度，数值越接近1，各相电压幅值差异越小[5]。分别计算感应雷、反击雷、绕击雷过电压的相间峰值比最大值，得到以下几组数据，如表2所示。

表2　感应雷与直击雷的相间峰值比最大值

由表中数据可以看出感应雷的相间峰值比都接近1，最大的也在1.5左右。而反击雷都是大于3，绕击雷更甚。由此可以很好地区分感应雷和直击雷。

除了时域上对电压波形进行特征提取之外，也可利用小波时频理论对感应、直击雷过电压零序电压波形进行特征提取。根据对仿真波形的观察，选用db4小波对零序电压进行多尺度一维离散小波分解[6]，分解为多个高低频子频带，计算某个子频带的小波能量Ei，把其作为特征量式中，i为小波分解尺度。

取30组感应、反击、绕击雷过电压特征值样本导入到支持向量机程序中进行识别，能够准确无误地分辨出来，识别率为100%。由此看出特征值的提取方法有效，能够识别出感应和直击雷过电压。

2.2 反击雷和绕击雷过电压的识别

由于反击和绕击雷电过电压波形大体变化趋势一致，从波形上很难区分两者，但两者的波头有些差异，因此从波头极性及避雷器动作时间等方面进行识别。本文采用小波模极大值的方法提取波头特征。

小波模极大值即电压信号经小波变换后的局部极值点，定义为式中，φs(x)为小波，f (x)为电压信号，Wsf (x)为电压信号小波函数，若式（5）成立，则在x0的某一邻域范围内，x0为小波变换的模极大值点，Wsf (x)为小波变换的模极大值。小波变换的模极大值点与电压信号的突变点是一一对应的，突变点的变化方向对应模极大值的极性，突变点的变化强度对应模极大值的大小[7]。因此可以通过小波变换后的模极大值的极性和强度表征突变点的变化。进而判断两种过电压波头极性和避雷器放电持续时间。

对电压零模分量波头进行小波变换，再取模极大值，波头的变化趋势不同导致反击和绕击雷过电压波的模极大值极性不同。

对于反击过电压，当绝缘子闪络时，导线电位先上升再下降，模极大值表现为一正一负两种极性，由于正的幅值大于负的幅值，所以第一个极值点表现为正极性[8]。绕击过电压则不同，由于导线电压与雷电流的近似线性关系，绕击过电压随雷电流的增大迅速下降，第一个极值点表现为负极性。从图5a、5b中看出，两种过电压在t1、t2时刻都有急剧变化，t1时，雷电波被避雷器截断，因此电压急剧下降，同时避雷器开始放电，对应的模极大值点为k2；t2时，避雷器放电结束，电压回升，对应的模极大值为k3。从t1到t2这段时间t即为避雷器的放电时间。

通过多组波形数据仿真实验，得到大量的数据表明反击雷过电压k1为正，t＞70，绕击雷过电压k1为负，t＜50。取30组反击、绕击雷过电压特征值样本导入到支持向量机程序中进行识别，能够准确无误地分辨出来，识别率为100%。由此看出特征值的提取方法有效，能够识别出反击和绕击雷过电压。

图5　反击雷和绕击雷的波头特征比较

3　结束语

本文利用ATP−EMTP软件对输电线路上发生的感应、反击、绕击雷过电压进行了仿真，得到它们的过电压波形，通过观察分析发现各自的波形特点：感应雷过电压三相波形变化趋势一致，相似度极高，且波头平缓，在线路的传输过程中幅值发生衰减，波头波尾时间变长；反击和绕击雷过电压与感应雷过电压差别较大，首先波头陡，其次三相波形差别也大，二者的差异主要体现在波头和波尾上。

基于这些波形特征，提出了利用波形相似度等特征量来识别感应雷与反击、绕击雷过电压，利用能反应波头特征的模极大值极性和避雷器放电时间来识别反击、绕击雷过电压。

最后将几十组波形数据导入支持向量机程序，能够准确地识别出，验证了特征量的有效性，表明该方法是可行的。

参考文献

[1] 谢博. 输电线路雷电过电压的识别分类方法研究[D].重庆: 重庆大学, 2010.

[2] 束洪春, 张广斌, 孙士云, 等. ±800kV直流输电线路雷电绕击与反击的识别方法[J]. 中国电机工程学报, 2009(7): 13-19.

[3] 司马文霞, 谢博, 杨庆, 等. 特高压输电线路雷电过电压的分类识别方法[J]. 高电压技术, 2010(2): 306-312.

[4] 何正友, 罗国敏, 杨建维. 基于小波能谱矩阵相似度的电力暂态信号识别[J]. 电力科学与技术学报, 2007(3): 12-17.

[5] 李欣. 电力系统过电压分层模式识别及其应用研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2012.

[6] 戴斌. 多方法融合的电力系统过电压分层模式识别研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2010.

[7] 杜林, 陈寰, 陈少卿, 等. 架空输电线路雷电绕击与反击的识别[J]. 高电压技术, 2014(9): 2885-2893.

[8] 郭宁明, 覃剑, 陈详训. 雷击对行波故障测距的影响及识别[J]. 电力系统自动化, 2008(5): 79-75.

收稿日期：（2015-05-11）