10 kV 配电架空线路雷击过电压辨识及故障定位

柏衡祁，刘玉婷

（国网湖南省电力有限公司祁东县供电分公司，湖南 祁东 421600）

0 引 言

10 kV配电网作为现代电力系统的重要组成部分，虽然电压等级不高，但是分布较为广泛，且绝缘水平一般，易受到雷击而发生绝缘子闪络的问题，使得配电网无法正常、稳定运行。其中，感应雷引发的故障最多，占总雷击故障的90%左右。现代电力领域运营时，应注重10 kV 配电线路的防雷击的管控。目前，常见的防雷策略以引导为主，如加设空底线、布置避雷针等，虽然具有一定效果，但是依然可能出现雷击过电压的现象。因此，在传统防雷策略的基础上，还应准确地辨识雷击过电压，并确定出故障具体位置，以此进一步提升配电网运行稳定性。

1 静电分量与电磁分量分析

感应过电压包含静电感应分量与电磁感应分量2个部分。将雷云看作负极性，先导放电时，配电架空线路在静电感应的作用下，受正电荷电场强度Ex吸引，使正电荷不断向先导通道移动，从而出现束缚电荷。这时，负电荷间产生一定的排斥力，使其向两侧移动，进而输送到大地。相对于主放电来说，先导放电速度略低，因此束缚电荷的聚集速率也较慢，电流密度较低，而电压波u计算公式为

式中：i表示电流波；Z表示波阻抗值。因为i很小，得出的u值也不是很大，可将其忽略，所以整个线路中的电压可看做恒定值[1]。进入主放电环节后，由于先导通道负电荷的抵消速度非常快，使电荷量迅速减少，场强不断变弱，从而降低对束缚电荷的吸引力，以此形成了向两侧传输的电压波。这一阶段，发展速度非常快，电压波的峰值很高，为感应过电压的静电分量。同时，主放电时，会产生一定的雷电流冲击能量，在该能量的作用下，使放电通道出现较强的脉冲磁场，并与大地连接后，形成一个完整的回路，在该回路中即可出现感应电势，也就是感应过电压的电磁感应分量[2]。

2 基于小波雷击过电压辨识

2.1 感应过电压计算模型

2.1.1 模型构建

感应雷过电压先导通道原理如图1 所示。其中：O为原点，即雷击点；y表示架空线某点A 与大地间的距离；h'表示迎面先导长度；H表示云层与大地的距离；y'表示下行先导λy'段到大地间的高度；S表示雷击点与线路检测点的横向距离；h表示架空线与大地间的距离；dy'和dy''均表示电流元。因此，在点A与大地之间的垂直面上，可推导出场强分量Ey,A[3]。

图1 感应雷过电压先导通道原理

假设，当雷电击落在线路周边的大地时，并未出现迎面先导，即h'=0。这时，则存在H≫S,H≫h。 当0 ≪y≪h时，则得到

式中：ε0表示真空环境中的磁导率；λ表示衰减常数。

这种情况下，需要计算出线路中的静电感应分量峰值Ue。若S≥65 条件下，则可认为S≫H，同时雷电主放电电流I=λv。在主放电过程中，电流在谷值与幅值之间逐渐改变，并非瞬间将所有电荷释放，因而用在上述静电分量公式中添加一个修正系数ke，即可推导出过电压静电分量极限值，具体为

按照上述相同原理，能够推导出感应过电压的电磁分量极限值Um，公式为

最后，将2 个分量相加到一起，即可得到感应过电压的总值，若S＜65，则表示S≫h，由此，可整理为

假设，雷电击落到架空线路塔顶处，这时S很小，无限接近于0，因此不能采用式（1）～式（4）进行计算。当塔顶出现落雷时，于塔顶处出现迎面先导，若按照式（5）将h看作保持不变，则会导致感应雷过电压计算值远远低于实际值。因此，在塔顶遭雷击时，主要参数条件为：S=0，H≫h，0 ≪y≪h，按照上述相同原理，可推导出静电分量极限值公式，添加修正系数后，整理可以得到感应雷电过电压公式为

2.1.2 模型验证

选取传统感应雷过电压计算公式作为对比方法，对改进的感应雷击过电压数值计算模型应用效果进行验证。仿真分析结果如图2 所示。由图2 可知，2 种方法得到的结果基本相同，差异并不是很大，由此表明改进的感应雷击过电压数值计算模型可得到较为精确的感应雷过电压结果。

图2 仿真分析结果

2.2 基于感应过电压计算模型的雷击过电压辨识方法

以改进的感应雷击过电压数值模型为基础，融合Daubechies（db）小波函数提出了一种雷击过电压辨识函数。信号波形由诸多不同类型信号构成，其中大部分为低频信号，并伴有少量高频信号。这些高频信号丢失后，对信号分解并无较大干扰，但小波包分解后，能够以小波分解为基础，进一步对高频信号分解，从而使得分析结果更加全面与准确。假设有一个信号x(t)，在通过j层小波包分解后，能够得到

式中：xij(t)表示小波包函数；j表示尺度；k表示位置；i表示频率；Ψj,k,i(t)表示正交基函数。若m≠n，则

进一步推导后，即可得到总能量公式，具体为

3 基于雷击过电压监测的雷击故障点定位

3.1 10 kV 配电架空线路雷击过电压监测

选择一条长度为15 km 的10 kV 配电架空线路作为研究对象，分析文章的改进模型与识别算法。实验过程中，在线路上分别选择4 个测量点，用于采集线路中出现的过电压信号，以此为基础，对比各点的感应雷过电压情况。该线路结构原理如图3 所示。通过检测结果的观察与分析可知，在雷电流幅值I0、雷击点与线路检测点的横向距离S、架空线与大地间距h发生改变后，线路中产生的雷击过电压也将会出现明显改变。由此表明，可按照改进的感应雷击过电压数值模型与雷击过电压识别算法对10 kV 配电架空线路雷击过电压进行监测。

图3 10 kV 配电架空线路结构原理

3.2 10 kV 配电架空线路雷击故障点定位

在上述配电线路的基础上，进一步分析雷击故障点定位。雷击故障的瞬间，绝缘子出现闪络现象，导致在故障点的周围，将会出现更加相似的电压波形。因此，分析过程中，只需要推导出相关系数ρ，即可达到定位故障点的位置。感应雷过电压相关系数ρ计算结果如表1 所示。由表1 可知，ρ2,3数值最高，表明点位2 与点位3 间最可能出现故障。

表1 感应雷过电压相关系数ρ 计算结果

4 结 论

利用改进的感应雷过电压数值计算模型，结合基于Daubechies（db）小波函数提出了一种雷击过电压辨识函数，可较为精确的推导出10 kV 架空线路中雷击过电压的具体数值，并判断可能出现故障的点位，为整个配电线路安全、稳定的运行提供支持。