10 kV 配電架空線路雷擊過電壓辨識(shí)及故障定位

柏衡祁，劉玉婷

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司祁東縣供電分公司，湖南 祁東 421600）

0 引 言

10 kV配電網(wǎng)作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要組成部分，雖然電壓等級(jí)不高，但是分布較為廣泛，且絕緣水平一般，易受到雷擊而發(fā)生絕緣子閃絡(luò)的問題，使得配電網(wǎng)無法正常、穩(wěn)定運(yùn)行。其中，感應(yīng)雷引發(fā)的故障最多，占總雷擊故障的90%左右。現(xiàn)代電力領(lǐng)域運(yùn)營時(shí)，應(yīng)注重10 kV 配電線路的防雷擊的管控。目前，常見的防雷策略以引導(dǎo)為主，如加設(shè)空底線、布置避雷針等，雖然具有一定效果，但是依然可能出現(xiàn)雷擊過電壓的現(xiàn)象。因此，在傳統(tǒng)防雷策略的基礎(chǔ)上，還應(yīng)準(zhǔn)確地辨識(shí)雷擊過電壓，并確定出故障具體位置，以此進(jìn)一步提升配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 靜電分量與電磁分量分析

感應(yīng)過電壓包含靜電感應(yīng)分量與電磁感應(yīng)分量2個(gè)部分。將雷云看作負(fù)極性，先導(dǎo)放電時(shí)，配電架空線路在靜電感應(yīng)的作用下，受正電荷電場強(qiáng)度Ex吸引，使正電荷不斷向先導(dǎo)通道移動(dòng)，從而出現(xiàn)束縛電荷。這時(shí)，負(fù)電荷間產(chǎn)生一定的排斥力，使其向兩側(cè)移動(dòng)，進(jìn)而輸送到大地。相對(duì)于主放電來說，先導(dǎo)放電速度略低，因此束縛電荷的聚集速率也較慢，電流密度較低，而電壓波u計(jì)算公式為

式中：i表示電流波；Z表示波阻抗值。因?yàn)閕很小，得出的u值也不是很大，可將其忽略，所以整個(gè)線路中的電壓可看做恒定值[1]。進(jìn)入主放電環(huán)節(jié)后，由于先導(dǎo)通道負(fù)電荷的抵消速度非常快，使電荷量迅速減少，場強(qiáng)不斷變?nèi)酰瑥亩档蛯?duì)束縛電荷的吸引力，以此形成了向兩側(cè)傳輸?shù)碾妷翰?。這一階段，發(fā)展速度非?？?，電壓波的峰值很高，為感應(yīng)過電壓的靜電分量。同時(shí)，主放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的雷電流沖擊能量，在該能量的作用下，使放電通道出現(xiàn)較強(qiáng)的脈沖磁場，并與大地連接后，形成一個(gè)完整的回路，在該回路中即可出現(xiàn)感應(yīng)電勢(shì)，也就是感應(yīng)過電壓的電磁感應(yīng)分量[2]。

2 基于小波雷擊過電壓辨識(shí)

2.1 感應(yīng)過電壓計(jì)算模型

2.1.1 模型構(gòu)建

感應(yīng)雷過電壓先導(dǎo)通道原理如圖1 所示。其中：O為原點(diǎn)，即雷擊點(diǎn)；y表示架空線某點(diǎn)A 與大地間的距離；h'表示迎面先導(dǎo)長度；H表示云層與大地的距離；y'表示下行先導(dǎo)λy'段到大地間的高度；S表示雷擊點(diǎn)與線路檢測點(diǎn)的橫向距離；h表示架空線與大地間的距離；dy'和dy''均表示電流元。因此，在點(diǎn)A與大地之間的垂直面上，可推導(dǎo)出場強(qiáng)分量Ey,A[3]。

圖1 感應(yīng)雷過電壓先導(dǎo)通道原理

假設(shè)，當(dāng)雷電擊落在線路周邊的大地時(shí)，并未出現(xiàn)迎面先導(dǎo)，即h'=0。這時(shí)，則存在H?S,H?h。 當(dāng)0 ?y?h時(shí)，則得到

式中：ε0表示真空環(huán)境中的磁導(dǎo)率；λ表示衰減常數(shù)。

這種情況下，需要計(jì)算出線路中的靜電感應(yīng)分量峰值Ue。若S≥65 條件下，則可認(rèn)為S?H，同時(shí)雷電主放電電流I=λv。在主放電過程中，電流在谷值與幅值之間逐漸改變，并非瞬間將所有電荷釋放，因而用在上述靜電分量公式中添加一個(gè)修正系數(shù)ke，即可推導(dǎo)出過電壓靜電分量極限值，具體為

按照上述相同原理，能夠推導(dǎo)出感應(yīng)過電壓的電磁分量極限值Um，公式為

最后，將2 個(gè)分量相加到一起，即可得到感應(yīng)過電壓的總值，若S＜65，則表示S?h，由此，可整理為

假設(shè)，雷電擊落到架空線路塔頂處，這時(shí)S很小，無限接近于0，因此不能采用式（1）～式（4）進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)塔頂出現(xiàn)落雷時(shí)，于塔頂處出現(xiàn)迎面先導(dǎo)，若按照式（5）將h看作保持不變，則會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)雷過電壓計(jì)算值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際值。因此，在塔頂遭雷擊時(shí)，主要參數(shù)條件為：S=0，H?h，0 ?y?h，按照上述相同原理，可推導(dǎo)出靜電分量極限值公式，添加修正系數(shù)后，整理可以得到感應(yīng)雷電過電壓公式為

2.1.2 模型驗(yàn)證

選取傳統(tǒng)感應(yīng)雷過電壓計(jì)算公式作為對(duì)比方法，對(duì)改進(jìn)的感應(yīng)雷擊過電壓數(shù)值計(jì)算模型應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。仿真分析結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，2 種方法得到的結(jié)果基本相同，差異并不是很大，由此表明改進(jìn)的感應(yīng)雷擊過電壓數(shù)值計(jì)算模型可得到較為精確的感應(yīng)雷過電壓結(jié)果。

圖2 仿真分析結(jié)果

2.2 基于感應(yīng)過電壓計(jì)算模型的雷擊過電壓辨識(shí)方法

以改進(jìn)的感應(yīng)雷擊過電壓數(shù)值模型為基礎(chǔ)，融合Daubechies（db）小波函數(shù)提出了一種雷擊過電壓辨識(shí)函數(shù)。信號(hào)波形由諸多不同類型信號(hào)構(gòu)成，其中大部分為低頻信號(hào)，并伴有少量高頻信號(hào)。這些高頻信號(hào)丟失后，對(duì)信號(hào)分解并無較大干擾，但小波包分解后，能夠以小波分解為基礎(chǔ)，進(jìn)一步對(duì)高頻信號(hào)分解，從而使得分析結(jié)果更加全面與準(zhǔn)確。假設(shè)有一個(gè)信號(hào)x(t)，在通過j層小波包分解后，能夠得到

式中：xij(t)表示小波包函數(shù)；j表示尺度；k表示位置；i表示頻率；Ψj,k,i(t)表示正交基函數(shù)。若m≠n，則

進(jìn)一步推導(dǎo)后，即可得到總能量公式，具體為

3 基于雷擊過電壓監(jiān)測的雷擊故障點(diǎn)定位

3.1 10 kV 配電架空線路雷擊過電壓監(jiān)測

選擇一條長度為15 km 的10 kV 配電架空線路作為研究對(duì)象，分析文章的改進(jìn)模型與識(shí)別算法。實(shí)驗(yàn)過程中，在線路上分別選擇4 個(gè)測量點(diǎn)，用于采集線路中出現(xiàn)的過電壓信號(hào)，以此為基礎(chǔ)，對(duì)比各點(diǎn)的感應(yīng)雷過電壓情況。該線路結(jié)構(gòu)原理如圖3 所示。通過檢測結(jié)果的觀察與分析可知，在雷電流幅值I0、雷擊點(diǎn)與線路檢測點(diǎn)的橫向距離S、架空線與大地間距h發(fā)生改變后，線路中產(chǎn)生的雷擊過電壓也將會(huì)出現(xiàn)明顯改變。由此表明，可按照改進(jìn)的感應(yīng)雷擊過電壓數(shù)值模型與雷擊過電壓識(shí)別算法對(duì)10 kV 配電架空線路雷擊過電壓進(jìn)行監(jiān)測。

圖3 10 kV 配電架空線路結(jié)構(gòu)原理

3.2 10 kV 配電架空線路雷擊故障點(diǎn)定位

在上述配電線路的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析雷擊故障點(diǎn)定位。雷擊故障的瞬間，絕緣子出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，導(dǎo)致在故障點(diǎn)的周圍，將會(huì)出現(xiàn)更加相似的電壓波形。因此，分析過程中，只需要推導(dǎo)出相關(guān)系數(shù)ρ，即可達(dá)到定位故障點(diǎn)的位置。感應(yīng)雷過電壓相關(guān)系數(shù)ρ計(jì)算結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，ρ2,3數(shù)值最高，表明點(diǎn)位2 與點(diǎn)位3 間最可能出現(xiàn)故障。

表1 感應(yīng)雷過電壓相關(guān)系數(shù)ρ 計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

利用改進(jìn)的感應(yīng)雷過電壓數(shù)值計(jì)算模型，結(jié)合基于Daubechies（db）小波函數(shù)提出了一種雷擊過電壓辨識(shí)函數(shù)，可較為精確的推導(dǎo)出10 kV 架空線路中雷擊過電壓的具體數(shù)值，并判斷可能出現(xiàn)故障的點(diǎn)位，為整個(gè)配電線路安全、穩(wěn)定的運(yùn)行提供支持。