郭濱釗 陸 浩 姜海波 武萬曉 高 璐
(1.河南省夏邑縣供電局,河南 夏邑 476400;2.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院,貴陽 550003;3.華北水利水電學(xué)院電力學(xué)院,鄭州 450011;4.內(nèi)蒙古東部電力有限公司,沈陽 110180)
我國線路運(yùn)行的大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,無論是高壓還是超高壓的輸電線路,雷害故障仍然占線路故障的 40%~70%。輸電線路的防雷保護(hù)大體上經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段。第一階段(1930年前)是以防止感應(yīng)雷為主的階段。最初,線路電壓等級(jí)很低,感應(yīng)雷引起的雷害事故是線路防雷的主要矛盾。因此,為了減少相導(dǎo)線上感應(yīng)過電壓,在輸電線路上加裝了避雷線。第二階段(1930-1950年),以防止直擊雷為主的階段,也是雷電參數(shù)得以系統(tǒng)歸納設(shè)計(jì)的時(shí)期。這一時(shí)期逐步明確了對(duì) 110~220kV 高壓線路來說,直擊雷是主要矛盾,并提出了直擊雷防護(hù)計(jì)算方法。在此期間,各國進(jìn)行了大量的雷電觀察,提出了用行波理論來計(jì)算絕緣子串兩端電壓的方法。第三階段(1950-1962年左右),是由美國OVEC-345kV 線路異常高的閃絡(luò)率所引起的爭(zhēng)論和對(duì)以前的防雷計(jì)算方法和數(shù)據(jù)進(jìn)行重新估價(jià)的時(shí)期。這場(chǎng)爭(zhēng)論極大地推動(dòng)了線路防雷研究工作的進(jìn)展,使理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、模擬試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累等方面的工作都有了很大的提高。第四階段(1962年前后至今),為模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、概率統(tǒng)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)綜合使用的階段。
雷擊發(fā)生時(shí),雷電流的波形和大小跟許多因素有關(guān),主要有地理位置、地質(zhì)條件、季節(jié)和氣象。其中,氣象情況具有很大的隨機(jī)性,因此雷電流的大小和波形也有很大的隨機(jī)性。實(shí)測(cè)表明,不同雷擊時(shí),盡管雷電流的大小和波形存在很大差異,但都是單極性的脈沖波,而且多次觀測(cè)所擬合出的曲線近似于一雙指數(shù)曲線,如圖1所示。
圖1 雷電流的標(biāo)準(zhǔn)波形
其表達(dá)式為
式中,0i為某一固定電流值;α、β為兩個(gè)常數(shù);t為時(shí)間。
雷電是雷云間或雷云與地面物體間的放電現(xiàn)象。前者稱為云閃,后者稱為地閃。地閃對(duì)電力系統(tǒng),特別是輸電系統(tǒng)造成威脅,使絕緣擊穿,造成相與地或相與相間短路,引起停電事故,給國民經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重?fù)p失。直接雷擊及雷電感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓沖擊波幅值高達(dá)幾百千伏,沿輸電線路流動(dòng),侵入發(fā)電廠或變電站內(nèi),使發(fā)電機(jī)、變壓器等重要電氣設(shè)備遭受破壞;嚴(yán)重時(shí)還危及人們的生命安全。為此,對(duì)雷電活動(dòng)及其防護(hù)問題一直引起人們的關(guān)注。
輸電線路上的雷電過電壓按其形成分兩種情況:一種是雷云直接擊于線路(包括導(dǎo)線、桿塔,或許還有避雷線),在其上產(chǎn)生危害絕緣的電壓,稱為直擊雷過電壓;另一種是雷擊輸電線路附近地面,在輸電線路的三相導(dǎo)線上,因感應(yīng)而出現(xiàn)的高電壓,稱為感應(yīng)雷過電壓。
在雷電高頻干擾下,現(xiàn)有的各種暫態(tài)保護(hù)判據(jù)都有可能出現(xiàn)誤判。因此,研究和識(shí)別輸電線路的雷擊暫態(tài)特征對(duì)研制基于暫態(tài)量的保護(hù)及提高其可靠性都具有十分重要的意義,它也是暫態(tài)保護(hù)走向?qū)嵱没豢杀苊獾匾鉀Q的一個(gè)問題。
對(duì)于暫態(tài)保護(hù)來說,除了直擊雷會(huì)造成嚴(yán)重影響外,感應(yīng)雷擊同樣會(huì)在線路上產(chǎn)生高頻的暫態(tài)量,而且由于其發(fā)生的頻率高,所產(chǎn)生的危害甚至比直接雷電沖擊更嚴(yán)重。雷電直擊、反擊跳閘一般雷電流較大,如500kV典型桿塔反擊耐雷水平可達(dá)125~175kA。雷電反擊一般有下列特征:①多相故障一般是由直擊引起;②水平排列的中相或上三角排列的上相故障一般是由雷電反擊引起;③檔中導(dǎo)地線之間雷擊放電(極為罕見的小概率事件)的,一般是由雷電直擊、反擊引起;④一次跳閘造成連續(xù)多桿塔閃絡(luò)的,有可能是雷電直擊、反擊引起。雷電繞擊導(dǎo)線引起絕緣閃絡(luò)對(duì)應(yīng)的雷電流幅值較小,如500kV線路繞擊耐雷水平為22~24kA,220kV線路為12~14kA,110kV線路為5.5~7kA。
發(fā)生輸電線路直擊雷時(shí),關(guān)鍵在于識(shí)別出感應(yīng)雷的暫態(tài)過程。然而,簡(jiǎn)單地利用單一尺度上的能量難以可靠地將其識(shí)別。位置等因素有很大關(guān)系,過渡電阻越大,該部分能量越小。因此,必須結(jié)合高低頻帶上的能量分布特征進(jìn)行綜合分析。
本文對(duì)感應(yīng)雷擊仿真的方法就是直接在F點(diǎn)加一個(gè)控制源為雷電流的受控電流源,模擬故障性雷擊的主要思路是考慮在上述雷擊事件后立刻產(chǎn)生一個(gè)短路故障,如圖2所示。同時(shí),采用如式(1)標(biāo)準(zhǔn)雙指數(shù)方程來模擬雷電流。
圖2 控制源為雷電流的受控電流源
圖3 500kV輸電線路模型
圖3為一條長(zhǎng)度為280km的500kV的高壓輸電線路。在仿真實(shí)驗(yàn)中,以輸電線路在距母線 M 的105km處發(fā)生雷擊故障為例。對(duì)于感應(yīng)雷擊取10kA,而對(duì)于故障性雷擊則取 30kA,仿真時(shí)間15ms,雷擊故障發(fā)生在3ms時(shí),仿真時(shí)采樣頻率100Hz。仿真系統(tǒng)線路參數(shù):R1=0.02083?/km;R0=0.1148?/km;L1=0.8984mH/km;L0=2.2886mH/km;C1=0.01291μF/km;C0=0.00523μF/km;電抗器參數(shù):XL=1680 mH;XN=434mH。用Matlab中的小波分析分析仿真結(jié)果,一般用Matlab內(nèi)帶的odel5進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,它在解決某些病態(tài)方程組時(shí)有較好的表現(xiàn)。對(duì)暫態(tài)信號(hào)采用Db4小波進(jìn)行5尺度分解,可以得到分析結(jié)果如圖4、圖5所示。
圖4 感應(yīng)雷電流波形與小波分析結(jié)果
圖5 直擊雷電流波形與小波分析結(jié)果
設(shè)對(duì)信號(hào)f(t)進(jìn)行M層分解,原信號(hào)的能量可分解為各尺度下子頻帶的能量之和
式中,C0為‘0’級(jí)尺度系數(shù),dj為j尺度下的小波系數(shù),n為系數(shù)個(gè)數(shù)。
小波變換是在尺度空間上對(duì)電流和電壓能量的劃分,多尺度能量統(tǒng)計(jì)分布能同時(shí)反映暫態(tài)電流或電壓頻率空間的能量分布特性信息,不同種類的暫態(tài)信號(hào),它們?cè)跁r(shí)頻分布上是有區(qū)別的。因此,多尺度能量統(tǒng)計(jì)分布能從統(tǒng)計(jì)意義上反映不同暫態(tài)的特性,具有一定的特征提取能力。我們用能量統(tǒng)計(jì)法,對(duì)圖4、圖5的多分辨率分析的結(jié)果進(jìn)行能量統(tǒng)計(jì),由(3)式可得到某時(shí)間段內(nèi)沿尺度分布的暫態(tài)信號(hào)能量和,對(duì)于最后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),建立表1如下。
表1 暫態(tài)電流的能量分布
在高頻段上,雖然雷擊輸電線路時(shí)暫態(tài)電流附加分量所含的高頻能量比接地故障時(shí)的要高很多,但它受所注入的雷電流幅值影響很大,當(dāng)雷電流幅值減少時(shí),它也將大為減少;而且僅利用高頻能量也難以區(qū)分感應(yīng)雷和直擊雷這兩種情況。在中低頻部分(a5的輸出),盡管有故障發(fā)生時(shí)(包括直擊雷和短路故障)的能量要遠(yuǎn)高于感應(yīng)雷時(shí)的情況,但是其大小也跟過渡電阻、故障位置等因素有很大關(guān)系,過渡電阻越大,該部分能量越小。因此,必須結(jié)合高低頻段上的能量分布特征進(jìn)行綜合分析。
通過上述對(duì)圖4、圖5和表1的分析發(fā)現(xiàn),在小波變換多分辨率分析的基礎(chǔ)上,提取暫態(tài)電流附加分量高、低頻段上的能量比構(gòu)成判據(jù),可實(shí)現(xiàn)輸電線路非故障性雷擊的識(shí)別。這里首先給出能量比k的表達(dá)式
式中,ijdm為暫態(tài)電流附加分量在尺度J上高頻分量第m個(gè)點(diǎn)的輸出;iam為暫態(tài)電流附加分量的中低頻分量第m個(gè)點(diǎn)的輸出;N為所取時(shí)間段所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)。
顯然,當(dāng)發(fā)生感應(yīng)雷擊時(shí),比值k較大,反之則較小。當(dāng)高頻能量取d1~d5,而中低頻能量取5a時(shí),由表1算出這兩種情況的k值分別為:2.222和0.026,可見它們的區(qū)分度是很明顯的。因此,可以給出發(fā)生感應(yīng)雷擊的判據(jù)為
式中,k0為設(shè)定的門檻值,其大小跟高、低頻能量所取的頻率范圍有關(guān)。在實(shí)際計(jì)算中,只取次高頻分量(d4~d5)進(jìn)行計(jì)算。這是因?yàn)橹睋衾讜r(shí),由于絕緣子的閃絡(luò),雷電波必然會(huì)被截?cái)酁樽饔脮r(shí)間更短的截?cái)嗖?,使其產(chǎn)生的暫態(tài)電流附加分量在最高頻段上(d1~d3)的能量含量要比感應(yīng)雷擊時(shí)的高,如果取這部分的能量進(jìn)行計(jì)算將會(huì)降低判據(jù)的靈敏度。
仍以圖3所示系統(tǒng)為算例模型進(jìn)行Matlab仿真計(jì)算。在仿真計(jì)算中,考慮了不同條件下的雷擊,并且雷電能夠發(fā)生繞擊和絕緣子閃絡(luò)這兩個(gè)條件,對(duì)于感應(yīng)雷擊分別取15kA和10kA,而對(duì)于直擊雷則取30kA和50kA。表2列出了部分仿真結(jié)果,其中,EH表示d4~d5所對(duì)應(yīng)的高頻能量,EL表示a5對(duì)應(yīng)的低頻能量。
表2 各中暫態(tài)過程所對(duì)應(yīng)的k值
從表2可見,在不同雷電參數(shù)下,各種暫態(tài)過程所對(duì)應(yīng)的EH和EL值變化范圍都很大,而且相互間存在交集,僅利用EH或EL值難以可靠區(qū)分不同的暫態(tài)過程;而它們的比率k,盡管也會(huì)隨條件的不同而發(fā)生變化,但還是保持著明顯的區(qū)分度:發(fā)生感應(yīng)雷擊時(shí)k值都較大,最小值為1.848;而直擊雷時(shí),k都比較小,最大為0.031。顯然遠(yuǎn)小于感應(yīng)雷擊時(shí)的k值。由此可見,所提出的判據(jù)能夠有效、可靠地實(shí)現(xiàn)雷擊的識(shí)別。
根據(jù)以上的分析可知,利用高、低頻段上的能量比作為指標(biāo),一方面可以放大不同暫態(tài)過程間的差異,另一方面受雷電參數(shù)和故障條件的影響也較小,可用于實(shí)現(xiàn)感應(yīng)雷和直擊雷二者暫態(tài)過程的可靠識(shí)別。
本文就輸電線路的雷電干擾問題進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的研究。分別對(duì)輸電線路感應(yīng)雷干擾和直擊雷干擾的暫態(tài)過程及其對(duì)暫態(tài)保護(hù)的影響進(jìn)行詳細(xì)的分析;在比較各自所具的暫態(tài)特征的基礎(chǔ)上,提出相應(yīng)的識(shí)別判據(jù);并對(duì)判據(jù)作出詳細(xì)的理論推導(dǎo)和分析;最后利用Matlab進(jìn)行仿真計(jì)算,以驗(yàn)證所提判據(jù)的有效性。所提出的輸電線路感應(yīng)雷和直擊雷識(shí)別判據(jù)可作為各種暫態(tài)保護(hù)的附加判據(jù),大大提高其抗雷電干擾能力。
[1] 任晉峰,段建東,張保會(huì),李鵬.EHV輸電線路超高速保護(hù)中雷電干擾識(shí)別的研究[J].電力系統(tǒng)繼電保護(hù),1944-1948
[2] 張麗娜,陳皓.輸電線路雷電干擾暫態(tài)識(shí)別的仿真研究[J].四川電力技術(shù),2009,32(3):31-35.
[3] 王鋼,李海峰,趙建倉,吳敏.基于小波多尺度分析的輸電線路直擊雷暫態(tài)識(shí)別[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(4):139-144.
[4] 段建東,任晉峰,張保會(huì),羅四倍.超高速保護(hù)中雷電干擾識(shí)別的暫態(tài)研究法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(23):7-13.
[5] 聶定珍,趙森.雷電干擾的形成與防護(hù)[J].安全與電磁兼容,1999,(3):19-23.
[6] 司大軍,束洪春,陳學(xué)允,于繼來.輸電線路雷擊的電磁暫態(tài)特性分析及其識(shí)別方法研究[J],中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(7):64-69.