10kV配电架空线路雷击过电压辨识及故障定位

四川水电投资经营集团开江明月电力有限公司 马 钒

1 配电线路雷击故障分析

10kV 架空线路顾名思义就是架在空中的绝缘线路，由电杆与金属构架作为支撑。其绝缘性能在裸导线与电缆线路之间，相对于地下电缆来讲，架空线路不需要开挖动土，故其投入成本较低，因此，架空线路被广泛应用于10kV 配电网中[1]。随着架空线路建设数量的逐渐攀升，由之造成的问题也日益增多，其中以雷击过电压导致的断线故障最为常见。

当遭遇雷击过电压时，瞬时雷电流峰值非常大，加之工频电压的影响，会产生较多的电弧能量，但电弧又不能在绝缘导线上滑行，故会聚集在架空线路的某处进行燃烧，最终导致架空线路断线故障发生[2]。如图1所示。

图1 架空线路断线分析示意图

在雷击过电导致架空线路断线故障之后，架空线路的外表绝缘层不能彻底被熔化炭化，铝芯线会由于架空线路的拉力而被动进入绝缘层，且导线断线后还存在不接地的概率性，严重时会导致人员触电的重大安全事故。

2 雷击过电压故障的分类

2.1 直击雷故障

直击雷过电压是由于当雷电直接击中10kV 配电网时产生的过电压称直击雷过电压，根据雷击对象的不同主要分为两种，一种是雷电直接击中配电网的导线，导致配网线路发生过电压的情况，第二种是雷电直接击中10kV 配电网杆塔或避雷线，造成杆塔电位与配网线路电位差值较高而导致绝缘子闪络产生过电压的情况。

2.2 感应雷故障

与直击雷过电压不同，感应雷过电压不会直接击中配电网系统。据相关资料表明，10kV 配电网由于被周围建筑物和绿化树木的遮挡，较少受到雷电直击，但通常在雷电云的对大地释放余电环节中，闪电快速通道附近剧变的电磁场与周围的10kV 配网线路产生耦合效应，继而造成感应过电压，一般10kV 配电网的感应过电压大部分都在300kV 以下，但具体数值未能确定，主要是由于雷击现象随机概率大，加之设备配置的局限性，导致数据收集困难，无法实现数据的精确化分析，这也使计算结果呈现多样性。

3 基于小波包分解的雷击过电压辨识

本文采用小波包频带分布特性，将感应雷过电压、直击雷过电压导致的配电线路电流所呈现的能量分布进行分析，获得10kV 配电线路中电流低频能量和高频能量的比值情况，搭建Q值（判别系数），从而实现感应雷过电压、直击雷过电压的辨识[3]。如图2所示，假如Q在0～1.5，则识别为直击雷过电压，假如Q在5以上，则认定为感应雷过电压。

图2 架空线路雷击过电压辨识流程图

4 基于雷击过电压监测的雷击故障点定位

4.1 10kV 架空线路雷击过电压监测

由于篇幅有限，本文只针对感应雷过电压进行论证，在辨识感应雷过电压的前提下，再进一步对雷击故障点实施定位，本文以长为15km 的10kV 配电架空线路为例进行说明，如图3所示，在采样线路上标注4个监测点，获取每个监测点的过电压信号，比较分析不同测点处的感应雷过电压[4]。

图3 采样线路图

第一，当雷击点与配电线路的水平距离L为60m，塔杆高度T为15m 时，感应雷电流幅值分别取I=10kA、I=30kA 时，监测点1～4处的A 相雷击过电压波形如图4、图5所示。

图4 I=10kA 监测点1～4处雷击过电压波形图

图5 I=30kA 监测点1～4处雷击过电压波形图

第二，当感应雷电流I为30kA、塔杆高度T为15m 时，雷击点与配电线路的水平距离L分别取L=30m、L=60m 时，监测点1～4处的A相雷击过电压波形如图6、图7所示。

图6 L=30m 监测点1～4处雷击过电压波形图

图7 L=60m 监测点1～4处雷击过电压波形图

第三，当感应雷电流I为30kA、雷击点与配电线路的水平距离L为60m 时，塔杆高度分别取T=30m、T=60m 时，监测点1～4处的A相雷击过电压波形如图8、图9所示。

图9 T=15m 监测点1～4处雷击过电压波形图

4.2 10kV 配电网架空线路雷击过电压故障点定位

如上文所述，在10kV 配电网采样线路上标注四个监测点，通过对1～4每个监测点的雷击过电压进行监测获得相应信号后，再针对监测点1及监测点2，监测点2及监测点3，监测点3及监测点4分别做进一步分析。

当配网雷击故障发生时，由于配网线路电位差值较高而导致绝缘子闪络，离雷击故障点近的两侧，雷击过电压波形相似度比其余测点高，所以，下文将对各个相邻监测点之间实施相关系数P的计算，借助比较监测点之间的波形相似度诊断配网雷击故障点的具体位置。详细计算结果见表1至表3。

表1 不同雷电流下各测点处感应雷过电压波形相关系数

表2 不同水平距离下各测点处感应雷过电压波形相关系数

表3 不同塔杆高度下各测点处感应雷过电压波形相关系数

分析表1至表3的数据发现，当配电网发生雷击故障时，离雷击故障点近的两侧，雷击过电压波形相似度较高，通常在0.9左右；通过对比电流值发现，当雷击电流值较低时，雷击故障发生的可能性相对较小；在电流I、雷击点与配电线路的水平距离L、塔杆高度T等不同的情况下，当雷击过电压故障发生时，监测点2到监测点3之间的P值最大，因此，诊断在监测点2到监测点3之间存在雷击故障，总之，当监测点之间的波形相关系数最高时，波形相似度也最大，产生故障的概率也最大。

本文从雷击故障造成的架空线路断线分析入手，介绍了雷击过电压故障的分类，然后借助分类研究了基于小波包分解的雷击过电压辨识，最后对10kV 配电网架空线路雷击过电压进行监测和故障定位，一定程度上降低了雷击故障影响，保证了10kV 配电网的安全可靠运行，确保了居民的正常安全用电，实现了电力部门经济效益与服务质量的双赢。