配网线路设备雷击故障定位技术研究

深圳供电局有限公司 许向明

雷击是配电网严重的威胁因素之一。配电网设备多、分布广，担任着向各个地区供电的使命。雷击配电网产生的强电流可能会直接烧毁配电线路设备，如输电线、变电站设备等，造成设备损坏。雷击还可能引起短路，使负载短路或接地短路，给配电网带来巨大负荷，并可能造成更大范围的停电。由于严重雷击破坏设备或引发短路均可能导致部分区域或整个配电网停电，影响用户用电。在架空输电线路中，雷击线路过电压是一个常见的关键问题。轻型雷击时，通常伴随着瞬时的、微秒级的过电压。当雷电击中线路时，过电压可能导致断路器跳闸，暂时中断电力传输。然而，在保护系统的作用下，雷击过去，线路可以重新正常运行。但对于重型雷击，情况比较复杂，可能导致绝缘子闪络和短路故障，这时跳闸保护是必须的[1]。因此，有效定位雷击故障对线路和配电网安全运行至关重要，能减少停电时间和维护成本。

本文结合实际，提出了基于互相关算法的雷击故障定位技术，通过信号处理方法，准确地确定故障位置。通过对仿真结果的分析，证明该方法是正确且有效的。

1 雷击电流模型

目前，雷电测算一般用罗氏线圈对磁场采样的方法[2]。罗氏线圈是一种可以检测磁场变化的传感器。它由一定数量的线圈组成，在磁场作用下会产生感应电流。通过测量这些感应电流的强弱和方向，可以反映出磁场在不同时间点的强弱和方向变化。在雷电测算中，会将多个罗氏线圈安装在不同位置，同时对各个线圈产生的感应电流进行采样。通过分析不同线圈同一时间点采样得到的磁场信号，就可以通过三角测量原理推断出磁场源（雷电）在空间中的位置。通过连续高速采样各个线圈产生的磁场信号，并结合三角测量原理，可以追踪和记录雷电在空间中的移动轨迹，而实现对雷电的定位和跟踪[3]。

雷击电流的极性一般为负极性[4]，负极性过电压是电力系统的严峻问题。这种雷击类型具有高峰值电流和快速上升，在线路传播时衰减小。因此，它们对设备危害大，可能导致设备损坏和电力中断。一般将负极性雷击作为重要考虑因素。在雷击分析中，电流幅值、波头和波尾是关键参数。雷击电流的幅值表示其最大强度，通常在3～200kA 之间变化。本文参数波头取2.6μs，波尾取50μs[5]。

标准双指数和Heidler 函数模型被广泛应用于描述雷电流特性。标准双指数函数模型是一种用于描述复杂现象的数学模型。它通常由两个指数函数组成，一个表示增长或衰减的快速部分，另一个表示增长或衰减的缓慢部分，用来拟合实验数据或观察到的现象。Heidler 函数模型使用了一种更加复杂的函数形式，以更准确地模拟雷电放电的特性。这个模型可以更好地捕捉雷电流脉冲的不连续性和非对称性，因此在此研究中更为准确。

标准双指数函数模型表达式为：

其中， t 表示时间；I0表示雷电流幅值；η 是幅值修正系数；β 与α 是波头常数与波尾常数相关系数。

Heidler 函数模型表达式为：

其中，c1是波头常数；c2是波尾常数，n 取10。

幅值为5kA、修正系数为1、波头、波尾为2.6/50μs 的雷电流波形如图 1所示。

图1 两种函数下的雷电流波形

2 氧化锌避雷器模型

电力系统稳定运行对现代社会很重要，氧化锌避雷器是确保防雷能力的关键。避雷器保护级别直接影响其可靠性。因此，避雷器设计必须考虑参数权衡。其中，短时过电压能力和能量吸收能力是重要指标，直接影响其性能。避雷器额定参数需要在保护级别和损耗之间找到平衡，确保系统在雷电中提供边缘保护而不引入过多损耗。必须研究和优化这些关键参数，确保系统在各极端条件下稳定运行。

IEEE 氧化锌避雷器结构如图 2所示。

图2 避雷器模型结构

3 互相关算法定义

在信号处理方法中，相关分析是一项关键技术，用于评估信号之间的相似性和关联程度。互相关函数则用于衡量不同信号之间的相关性，它能够揭示信号之间的相互影响和关联程度，从而帮助我们理解信号之间的复杂关系。通过运用相关分析技术，可以深入了解信号的特性，为信号处理和数据分析提供有力的工具和方法。

如一维数组x（A）与y（A），互相关性是：

其中，A 为第A 个点；B 为数组长度；c 为数组间相位差，c 取0。

x（A）与y（A）均方根分别为：

归一化后为：

其中，ρx，y是互相关系数，取值为［1，-1］。

4 仿真实验

对于雷击故障，仿真研究可以通过建立电网模型，在计算机环境中模拟不同强度和位置的雷击事件对电网的影响。同时，本研究提出的雷击定位算法，能够通过多点信号采集和定位计算，准确定位到雷击的具体坐标，并不受雷击强弱影响。这为后续的排障维修工作提供了重要线索，如确定需要检查或更换的具体设备。同时也为防雷设施的改进提供依据，如识别危险区域需要加强防护等。对于普通的设备故障和异常情况，通过建立真实模型进行仿真分析，可以评估不同操作策略下电网的安全性和可靠性，识别潜在的隐患点。这有助于电网规划和优化运行模式。综合利用仿真和算法方式，可以从不同角度评估和提升电网的抗风险能力。这将有效减少由于故障导致的停电时间，保障电力供应的稳定性，从而提高整个配电网的可靠性水平。配电网仿真结构如图 3所示。本次仿真实验使用PSCAD/EMDTC。

图3 PSCAD 仿真结构

1-8为检测点；F1、F2为雷击发生点。

在仿真结构中，参数R1=0.14Ω/km，L1=1.04 Mh/km，C1=0.0083μF/km；大电流接地时，R=1Ω，小电流接地时，L=0.27H。

本研究将采样频率设为1MHz，并选择了发生雷击前1/4周期和1/2周期的数据进行实验。

5 基于互相关算法的雷击实验

互相关系数是一种用于评估两个波形之间相似性的互相关算法中的关键度量标准。在本研究仿真实验中，使用了5kA 的轻型雷击模拟信号。当某条出线遭受雷击时，雷电流可被视为一股强大的电流源，导致受雷击的出线与其他出线的电流方向完全相反，进而波形相似度较低。此相似度的分析方法同样适用于主线和支线上的检测点。通过计算互相关系数，能够明确雷击事件的发生位置。这一方法在不同情况下可以减少重复率，因为它充分考虑了雷电流的电流方向和波形相似性的关键特征。在进行雷击定位时，若无支线，可直接完成雷击定位。若有支线，通过进行互相关算法分析，计算出检测点之间的互相关系数。它的大小直接反映了支线与主线之间的关联度，当互相关系数较高时，意味着雷击事件可能发生在支线上，反之，则可能发生在主线上。通过这种分析方法，能够更加确切地确定雷击事件的位置，从而提高了定位的准确性。这一方法考虑了支线和主线之间的相互关系，有助于减少雷击定位的误判。

通过进行仿真实验，设立F1、F2点进行雷击分析，并计算相关系数。通过这些分析，可以得到不同系统下的雷击情况以及相关性的量化结果ρx，y，见表 1。

根据表1的数据，可以得出以下结论：对F1，大电流接地时，点1与其他点之间的互相关系数低，即雷击点在它的出线上；比较ρ1，2与ρ2，3可以知道雷击在点2与点3之间；对F2，分析互相关系数ρ1，2与ρ2，3得出雷击在点1与点 2之间；分析互相关系数ρ1，4与ρ1，5，ρ1，4大于ρ1，5，点4是雷击发生点。此外，如果观察相关系数，可以看出小电流接地系统和大电流接地系统的情况非常类似。

表1 检测点间的电流数据互相关系数

6 结论

经过模拟实验验证，本研究确认了该方法在雷击故障定位方面的高准确性。通过仿真实验在不同条件下的雷击事件，采集多点电磁脉冲信号，并运用互相关算法进行三角定位计算，结果显示，该定位方法在不同情况下都能够精确定位到雷击发生的具体位置和时间。通过应用互相关算法，雷击定位技术能够在毫秒级别内精确确定雷击发生的具体坐标位置。这使一旦发生雷击事件，电力系统能够通过远程监控系统在极短时间内获知故障地点信息，从而迅速采取相应的排障维修措施，如调度备用线路，派遣维修人员等，这大大提高了配电网恢复故障的速度。这一高效准确的雷击定位方法对于增强配电网的抗雷能力和加速恢复过程具有重要意义。同时也缩短了用户受影响的时间，有利于提高电力供应的可靠性。