直流输电线路雷电绕击与反击分辨的行波分析识别方法

摘要

本发明涉及一种直流输电线路雷电绕击与反击分辨的行波分析识别方法。线路雷电绕击是雷电绕开避雷线直击于输电线上，而反击是雷电直击于避雷线上或杆塔上，由于杆塔接地电阻存在，塔顶电位瞬间突增导致绝缘闪络。雷电绕击与反击高压直流输电线路电磁暂态量产生的机理、以及线路上雷击电磁暂态的传播路径不同，其产生的电压暂态信号的初始浪涌和第二个浪涌的大小和极性均存在显著差异。本发明于保护安装处的行波分析与测距高速采集系统中，利用小波对零模电压进行分析，根据零模电压初始浪涌和第二个浪涌的大小和极性来区分雷电绕击故障与反击故障。大量仿真表明该方法可靠、有效。本发明的物理概念直观清晰，且易于实现，可广泛应用于直流系统保护装置，为电力系统中研究雷电特性、分析雷害事故、探讨线路防雷对策及绝缘配合设计提供精确的原始数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种直流输电线路雷电绕击与反击识别的行波分析法。属电力系统雷击输电线路监测技术领域。

背景技术

国内外的运行经验表明，直击雷是造成高压输电线路跳闸的主要原因，它分为绕击和反击两类，绕击与反击故障的机理及过程不同，防护措施也不同，反击主要与杆塔接地电阻和线路绝缘强度有关；绕击主要与保护角有关。如果能正确的对线路绕击与反击进行正确判断，线路防雷就能做到有的放矢、事半功倍。

然而，对于输电线路绕击、反击故障的辨别十分困难。对绕击、反击的研究大多集中于线路设计阶段：对于反击，多用电磁暂态仿真分析；对于绕击，多采用电气几何模型法(EGM)或改进电气几何模型法进行分析。而线路投运后，绕击、反击故障的区分则多是根据雷电流大小并结合绝缘子闪络情况由工程人员的经验判定，其主观性强、可信性差。为获取雷电流参数，先后出现了磁钢棒法、磁带式和罗柯夫斯基线圈加光纤等主流技术，长期以来，对雷电基础数据的获得，起到了较好的作用。然而，从继电保护角度，基于线路雷击闪络性质的反击与绕击识别方法尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，本发明从继电保护的角度出发，继对直流输电线路雷击故障与短路故障准确识别之后，提出一种基于小波变换的直流输电线路雷电绕击与反击的识别方法，用以获取雷击事故信息，为线路防雷研究提供很好的手段和真实数据的直流输电线路雷电绕击与反击分辨的行波分析识别方法。

本发明直流输电线路雷电绕击与反击分辨的行波分析识别方法，其特征在于收集雷击产生的不同暂态电压，输入到计算机，先对零模电压分量进行小波变换，依据零模电压初始浪涌和第二个浪涌的大小和极性对雷电引起的绕击、反击故障进行正确识别。

本发明机理是：分析雷击线路引起的绕击、反击故障需要建立雷电放电的计算模型。以负极性雷电流为例，雷击地面由先导放电发展为主放电的过程，犹如开关S突然闭合，如图1(a)，先导放电阶段相当于开关S闭合之前，由于它发展速度相对较低，可以忽略地面上被感应电荷的移动速度，认为A点仍保持零电位。图1中Z是被击物体与大地(零电位)之间的阻抗。主放电开始相当于S突然闭合，如图1(b)。此时，将有大量正、负电荷沿先导通道逆向运动。并使得来自雷云的负电荷中和，这表现为有幅值甚高的主放电电流(即雷电流)i通过阻抗Z，A点电位上升至u_A＝iZ。主放电过程可视为自天空向地面传来的前行波i0沿波阻抗为Z₀的无限长雷电通道到达A点的过程，图1(b)中A点实质为Z与Z₀的并联节点，可得图2(a)所示波德逊等值电路，通常Z₀取300Ω，Z＜＜Z₀，则流过雷击物体的雷电流i≈2i₀，如图2(b)所示。

雷电冲击作用于输电线路，根据过电压的形成过程可以分为感应雷和直击雷两大类。由于感应雷不直接作用于线路，其过电压幅值较小，对于绝缘水平高的110kV及以上线路一般认为没有危害，即不会引起绝缘子闪络。而直击雷则是导致特高压线路的绝缘子闪络的重要原因，对于直击雷引起的雷电干扰和雷击故障的区分，国内外学者已进行大量研究并取得一定成果，本发明仅对直击雷引起的两类线路故障进行识别。直击雷引起的线路故障可分为绕击和反击两类：雷击塔顶或避雷线时，雷电流沿杆塔和避雷线流入大地，杆塔、避雷线的波阻抗和接地电阻的存在，将使杆顶的暂态电位(绝对值)骤升，当绝缘子两端压差超过其耐受电压时发生闪络，导致反击；雷电流绕过避雷线直接击中导线，使之形成雷电过电压，这一过程称为绕击，当绝缘子两端压差超过其耐受电压时，也将发生闪络。

实测表明，绝大多数的雷云呈负极性，其带有大量负电荷，对于绕击，通常只会导致正极绝缘子闪络；对于反击，负极性雷落在直流线路杆塔或避雷线上，由于避雷线、杆塔波阻抗和接地电阻的存在，将导致塔顶产生很高的暂态负电位，承受电压较高的正极绝缘子将首先闪络。

将杆塔波阻抗、避雷线波阻抗和杆塔接地电阻等值为Z，导线波阻抗为Z_c，i表示雷电流，雷电通道波阻抗为Z₀，U_DC表示直流线路电压，绝缘子闪络用理想开关S近似描述。绕击的等值电路如图4所示，雷击导线初始阶段，绝缘子未闪络，S处于断开状态，如图4(a)所示，雷电绕击线路中间区域(除首、末端之外)，雷电流从雷击点注入线路，并向线路两侧传播，则Z_c’＝Z_c/2，雷电流沿线路分布电容注入大地；闪络发生后，如图4(b)所示，S闭合，电流i_绕沿线路波阻抗Z_c及杆塔波阻抗和接地电阻Z入地，呈现接地故障特征，零模电流(故障电流暂态分量)在故障后一段时间内呈现单调变化，由于波阻抗的存在，零模电压(故障电压暂态分量)在故障后一段时间内也呈现单调变化。

忽略导体与避雷线之间的杆塔波阻抗，反击的等值电路如图5所示，其中U_T为塔顶电位。雷击初始阶段，绝缘子未闪络，如图5(a)所示，S处于断开状态，先导通道及雷云中的负电荷与大地感应出的正电荷迅速中和，相当于有正极性的电流i_反从大地沿杆塔和避雷线向外流出，由于杆塔波阻抗和接地电阻的存在，使塔顶建立负电位，当正极导体绝缘子两端电压超过其耐受电压时发生闪络，进入故障阶段，如图5(b)所示，S闭合，正极性电流流入大地，呈现接地故障特征。即发生反击时，包括首次雷击和导体闪络两个过程，零模电流(故障电流暂态分量)在两个过程中的流向相反，使零模电压(故障电压暂态分量)呈现正负交替变化。

本发明对直击雷引起的绕击和反击故障分别进行电磁暂态计算分析，双极直流输电系统模型如图6所示，电压等级为±800kV，雷电流选用2.6/50μs标准雷电流波形，如图7所示，为了准确仿真计算雷击杆塔的电磁暂态过程，杆塔采用多波阻抗模型，绝缘子采用压控开关实现。对0.1s在直流线路中点处分别发生绕击、反击导致正极闪络进行仿真得到的故障后5ms零模电压波形及局部放大分别如图8、9所示，可以看出，当线路故障由绕击引起时，零模电压产生的浪涌在故障后一段时间极性相同；当线路故障由反击引起时，包括首次雷击和导体反击两个过程，零模电压在故障后瞬间两个暂态浪涌呈现正负交替变化。

本发明的识别方法步骤如下：

1)当电压变化率du/dt大于整定值时，采样频率为1MHz的高速数据采集与录波装置启动并记录故障前后5ms的电压行波波形；

2)应用Karenbauer变换矩阵计算电压行波零模分量U₀(t)和线模分量U₁(t)，如式(1)所示：

$\left(\begin{array}{c}{U}_0\left(t\right)\\ U_1\left(t\right)\end{array}\right)=S^{-1}\left(\begin{array}{c}{U}_{+}\left(t\right)\\ U_{-}\left(t\right)\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{U}_{+}\left(t\right)\\ U_{-}\left(t\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中U₊(t)为检测到的正极直流暂态电压，U_-(t)为检测到的负极直流暂态电压；

3)利用“一种直流输电线路行波保护的雷击故障识别方法”专利申请号200810058175.2(2008年7月5日发表于中国电机工程学报第28卷19期，题为《±800kV直流输电线路雷击电磁暂态分析与故障识别》)所提方法判断是否为雷击故障；

4)当判断为雷击故障时，使用三次B样条小波对零模电压分量U₀(t)进行小波变换，取其模极大值；

5)将零模电压模极大值与原始电压信号的极性进行同或运算后再与零模电压模极大值相乘，得到各浪涌所对应的模极大值M_i；

6)计算模极大值比ρ，如式(2)所示

ρ＝M₁/M₂    (2)

其中M₁、M₂分别为初始浪涌的模极大值与第二个浪涌的模极大值；

7)若满足：

0＜ρ＜1     (3)

则判断为雷电绕击故障；

若满足：

ρ＜-1       (4)

则判断为雷电反击故障。

本发明以上判断和识别过程，可通过软件和硬件，集成并预先写入计算机模式块中，只要获得外部输入数据后，就能实时获得判断并显示结果。

本发明与现有技术相比具有如下优点：物理概念直观清晰，易于实现，大量的电磁暂态仿真验证了本方法可靠、有效。本发明能对直流线路全线的雷电绕击与反击故障的进行准确识别，可广泛应用于直流输电系统保护装置，为电力系统中研究雷电特性、分析雷害事故、探讨线路防雷对策及绝缘配合设计提供精确的原始数据。

附图说明

图1为雷电放电模型；

图2为雷电放电计算模型；

图3为雷击直流线路示意图；

图4为绕击等值电路；

图5为反击等值电路；

图6为直流线路雷击电磁暂态仿真模型；

图7为雷电流波形示意图；

图8为绕击、反击故障后的零模电压波形；

图9为绕击、反击故障后零模电压局部放大；

图10为特高压直流系统示意图；

图11为发生反击故障时，检测到的两极电压波形；

图12为发生反击故障时，得到的零模、线模电压波形；

图13为发生反击故障时，零模电压局部放大及其浪涌的模极大值；

图14为发生绕击故障时，检测到的两极电压波形；

图15为发生绕击故障时，得到的零模、线模电压波形；

图16为发生绕击故障时，零模电压局部放大及其浪涌的模极大值；

图17为本发明的反击故障与绕击故障的识别流程图。

具体实施方式

直流输电线路发生雷击故障时，利用上述原理可以实现对雷电绕击故障和反击故障的正确识别。具体实现流程如图17所示。

收集雷击产生的不同暂态电压，输入到计算机，先对零模电压分量进行小波变换，依据零模电压初始浪涌和第二个浪涌的大小和极性对雷电引起的绕击、反击故障进行正确识别。

具体步骤如下：

1)当电压变化率du/dt大于整定值时，采样频率为1MHz的高速数据采集与录波装置启动并记录故障前后5ms的电压行波波形；

2)应用Karenbauer变换矩阵计算电压行波零模分量U₀(t)和线模分量U₁(t)，如式(1)所示：

$\left(\begin{array}{c}{U}_0\left(t\right)\\ U_1\left(t\right)\end{array}\right)=S^{-1}\left(\begin{array}{c}{U}_{+}\left(t\right)\\ U_{-}\left(t\right)\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{U}_{+}\left(t\right)\\ U_{-}\left(t\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中U₊(t)为检测到的正极直流暂态电压，U_-(t)为检测到的负极直流暂态电压；

3)利用“一种直流输电线路行波保护的雷击故障识别方法”专利申请号200810058175.2(2008年7月5日发表于中国电机工程学报第28卷19期，题为《±800kV直流输电线路雷击电磁暂态分析与故障识别》)中所提方法判断是否为雷击故障；

4)当判断为雷击故障时，使用三次B样条小波对零模电压分量U₀(t)进行小波变换，取其模极大值；

5)将零模电压模极大值与原始电压信号的极性进行同或运算后再与零模电压模极大值相乘，得到各浪涌所对应的模极大值M_i；

6)计算模极大值比ρ，如式(2)所示

ρ＝M₁/M₂    (2)

其中M₁、M₂分别为初始浪涌的模极大值与第二个浪涌的模极大值；

7)若满足：

0＜ρ＜1    (3)

则判断为雷电绕击故障；

若满足：

ρ＜-1    (4)

则判断为雷电反击故障。

实施例说明如下：分别考虑图10所示直流输电系统，雷击距整流站500km处引起反击故障和绕击故障。发生反击故障时，两极暂态直流电压波形如图11所示，经式(1)计算得到电压行波零模分量U₀(t)和线模分量U₁(t)如图12所示，使用三次B样条小波对故障后瞬间零模电压(图13(a)所示)进行小波分析，将零模电压模极大值与原始电压信号的极性进行同或运算后再与零模电压模极大值相乘，得到各浪涌所对应的模极大值，如图13(b)所示，运用式(2)进行计算得到模极大值比，如表1所示。发生绕击故障时，两极暂态直流电压波形如图14所示，经式(1)计算得到电压行波零模分量U₀(t)和线模分量U₁(t)如图15所示，使用三次B样条小波对故障后瞬间零模电压(图16(a)所示)进行小波分析，将零模电压模极大值与原始电压信号的极性进行同或运算后再与零模电压模极大值相乘，得到各浪涌所对应的模极大值，如图16(b)所示，运用式(2)进行计算得到模极大值比，结果如表1所示。

表1