变电站输电系统雷击与故障的识别方法

变电站输电系统雷击与故障的识别方法

翟建强

国网沁水县供电公司 山西省晋城市

摘要：经济在快速发展，社会在不断进步，雷击输电线路产生的暂态信号会对行波保护产生一定干扰，是影响精确定位故障的主要原因。正确识别非故障雷击、雷击故障及普通短路故障具有重要意义。利用线路发生扰动后极短时间内非故障雷击的波形对称性和故障时的波形单调性，分别对时间轴上方和下方的暂态电流波形进行积分运算，可识别线路的故障和非故障雷击。PSCAD仿真结果验证了所提方法的有效性。

关键词：输电线路；雷击；积分

引言

雷击输电线路是一种频发事件且危害极大,因此人们希望每次发生雷击后,都能快速确定其发生地,以便尽快查明故障损坏程度和具体情况,及时采取有效的修复措施并通过数据积累找出雷击多发地的具体位置并分析其易遭雷击的原因,以便采取有针对性的改进措施,进而提高全网的安全水平。因此,准确的雷电定位是每一位电力从业人员所极为关注的。目前在电力系统中定位雷击故障点最常用的技术是雷电定位系统和故障测距。

1雷击闪络特性

直流输电线路的雷击闪络特性与交流输电线路有所不同,原因是由于雷击架空输电线路绝缘闪络后,交流和直流系统的保护动作方式不同。对于交流输电系统:当雷击架空输电线路引起绝缘闪络后,系统继电保护启动,跳开线路两侧的断路器,切断故障电流,并在规定的时间内进行重合闸操作,线路恢复正常送电。对于直流输电系统:当雷击架空输电线路引起绝缘闪络(即直流线路发生接地故障)时,直流系统的控制保护系统启动,迅速将整流侧的触发角移相至160°左右,将整流站转为逆变站运行,故障电流降为零,经过一段去游离时间之后,故障点息弧,再启动直流系统恢复正常送电。而故障发生时刻到移相指令开始执行的时差与控制保护时延及故障地点距整流站距离有关,参考三常、三广、三沪等直流输电工程控制保护实际动作情况,全程时间一般约150～200ms。

2变电站输电系统雷击与故障的识别方法

2.1避雷针和避雷线的混合应用

以我国电压换流站的特点为依据，柔性直流换流站的直击雷防护采取的主要装置还是以避雷针与避雷线这两种为主，由于目前避雷针与避雷线混合使用的技术较为成熟，因此大多数情况下都会将两者有效结合起来使用。在柔性直流换流站的直击雷防护中，避雷针与避雷线的防雷原理以及设计方式与交流变电站没有什么大的不同，通过多年以来对直击雷防护运行经验的分析和总结，我国已经能够正确设计和安装避雷针变电站，避雷线变电站，避雷针换流站以及避雷线换流站，而且几年来取得成效也是有目共睹的。我国目前在这方面面临的一个巨大挑战是：与交流变电站相比柔性直流换流站的结构布置是比较复杂的，首先，这其中涉及到的区域较多，例如交流场，换流区，交流滤波器场以及直流场等，而且直流场中还包括中性点区与直流极母线区，其次，这些设备之间的高度与电压等级等具有很大的差异性，而这些因素恰好使得避雷针与避雷线的设计变得较为复杂，如何寻找一种新型，直接，有效以及便捷的直击雷防护措施，仍将是今后努力的目标。

2.2先导发展模型法

该方法是基于雷电观察和长间隙放电试验的成果,基本思想是在雷电先导向下发展过程中,当地面物体表面场强超过一定值时会在地面物体(如相导线或避雷线)上产生迎面先导;随着上、下行先导的发展,当两者之间的场强超过空气间隙的临界击穿场强时,即发生雷击。该方法由于考虑了其物理过程的诸多因素,其物理意义更清晰,有其优势。但由于雷电现象的复杂性,不同学者对雷击物理过程的描述还存在诸多分歧,有不少方面有待开展深入的基础性研究。这其中至少包括雷电下行先导通道模型研究、不同线径和分裂导线的临界电晕半径研究、复杂间隙结构下线/棒的上行先导起始条件、上下行先导在各种条件下的相对运动速度、放电分散性的数学物理描述方法、工作电压对导线临界电晕和上行先导起始条件的影响等一系列基础问题。由于缺少试验和运行数据的验证,对于先导发展模型的判据存在不同的观点,许多计算用参数也不尽相同,都会导致计算结果相差非常大。

2.3避雷器与冲击吸收电容器的应用

避雷器与电容器是目前柔性直流换流站雷电入侵波的主要防护装置。输电线路的雷电侵入波是柔性直流输电换流站设备上的雷电过压电的主要来源，由直流输电线路与接地极传入。避雷器与平波电抗器的雷电入侵保护原理可以概括为：第一，极线避雷器首先会对柔性直流输电线的雷电入侵波进行限制，当雷电过电压传递到各个直流设备上时，对应部位的避雷器此时也将会对其进行再一次的限制。因此在换流变阀侧的设计当中，由于平波电抗器与换流变压器具有屏蔽功能，对于有雷击引起的过电压一般不予考虑；第二，冲击吸收电容器主要负责对接地极线路的雷电侵入波进行限制，特别是对类似于雷电冲击波这种类型的陡冲击波来说，冲击吸收电容器的抑制效果更优。除此之外，对来源于返回直流输电线的雷电侵入波来说，由于其波幅值较高，且柔性直流输电线路的杆塔与耐雷性能也较高，一旦侵入波传递至直流场的中性母线位置时，会对其产生比较高的雷电过电压，这会对绝缘水平原本不高的中性母线造成巨大的损坏，需要对返回运行的方式进行考虑。避雷器装置在柔性直流场的安装位置最好能够与保护对象紧靠，避免距离过大，否则不能成功达到预期的防雷效果。

2.4线路扰动时的波形特征

提到的模型进行仿真，假设在线路55km处发生非故障性雷击、故障性雷击及普通短路故障。因为输电线路之间的电磁耦合作用，可用克拉克变换对线路解耦，并对线模分量进行提取，分析得到波形。（1）非故障雷击时，暂态电流行波在时间轴零点时刻正负交替变换，行波在传播时能量不断减小，幅值逐渐变小。（2）雷击故障时，暂态电流波形于初始时刻在零轴交替出现，高频分量较丰富，极短时间后，波形总体是单调趋势。（3）短路故障时，波形基本没有高频分量，且很快偏向坐标轴零轴一侧。

2.5换流站雷电侵入波保护

高压直流换流站对于雷电过电压可分为3个区域:①是换流站交流侧,从交流线路入口到换流变压器的网侧端子;②是换流区段,从换流变压器的阀侧端子到直流平波电抗器的站侧端子之间;③是换流站直流开关场区段,从直流线路入口到直流平波电抗器的线路端。与交流变电站相同,高压直流输电工程换流站设备上的雷电过电压主要来自输电线路的雷电侵入波。交流场设备上的雷电过电压是由交流输电线路传入的,而直流场设备上的雷电过电压是由直流输电线路和接地极传入的,下面分别说明。对于换流区段的设备,由于有换流变压器和平波电抗器的抑制作用,来自于交、直流侧的雷击波传递到该区段后,其波形类似操作波形,因此应按操作冲击配合。1)对交流侧,换流站交流侧产生的雷电过电压的原因与常规的交流变电站相同,可参照常规交流变电站的防雷设计。由于换流站安装有多组交流滤波器和电容器组,它们对雷电过电压有一定的阻尼作用,使得换流站交流设备上的雷电过电压不比常规的交流变电站严重。2)对直流侧,直流侧设备上的雷电过电压是由雷绕击到直流(含接地极)线路导线或雷击直流(含接地极)线路杆塔反击造成的雷电侵入波,经直流线路传入的。来自直流输电线路的雷电侵入波,首先由直流极线避雷器进行限制,传递到各直流设备上的雷电过电压,由相应位置上的避雷器加以限制。由于换流变压器和平波电抗器的屏蔽作用,换流变阀侧设计中一般可不考虑雷击引起的过电压。

结语

快速准确地识别雷击干扰是行波保护的前提。本文详细介绍了发生雷击干扰时的波形特征，并提出了利用积分比值识别非故障性雷击和故障的判据。仿真结果表明，对于短路故障和非故障雷击，此判据具有很高的灵敏性和可靠性。

参考文献

[1]殷俊河.电力线路故障实例分析及防止措施[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[2]邹贵彬，高厚磊，朱　峰，等.输电线路雷击与故障的积分识别方法[J].电力系统保护与控制，2012，40（9）：43-48.