王建國(guó)，王守鵬，蔡力，孔爭(zhēng)，樊亞?wèn)|

(武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

雷電過(guò)電壓是配電線路故障及電氣設(shè)備損壞的主要因素之一[1-2]。配電線路一般自身絕緣水平比較低，通常無(wú)避雷線保護(hù)，且配電線路走廊密集、靠近用戶側(cè)，發(fā)生故障會(huì)直接影響用戶用電，因此配電線路雷電過(guò)電壓帶來(lái)的危害不容忽視[3]。

目前，對(duì)雷電過(guò)電壓的研究大多是利用ATP-EMTP等軟件進(jìn)行仿真建模分析，計(jì)算雷電過(guò)電壓[4]。另外，Borghetti通過(guò)實(shí)驗(yàn)室縮比模型模擬線路環(huán)境，研究配電線路雷電感應(yīng)過(guò)電壓[5]。

雖然仿真和縮比模型可以反映雷電過(guò)電壓機(jī)理、影響因素和傳播過(guò)程，但其局限性明顯。實(shí)際配電線路遠(yuǎn)比仿真模型復(fù)雜，配電線路周圍的環(huán)境也并非理想環(huán)境，配電線路雷電感應(yīng)過(guò)電壓觀測(cè)仍具有重要意義。

國(guó)外學(xué)者在80年代便開(kāi)展了配電線路過(guò)電壓觀測(cè)方面的研究。1982年，Eriksson觀測(cè)了9.9公里長(zhǎng)的單回配電線路的雷電感應(yīng)過(guò)電壓，指出線路絕緣配合必須考慮感應(yīng)過(guò)電壓的影響[6]。日本橫山茂觀測(cè)了820 m不帶電的配電線路雷電感應(yīng)過(guò)電壓，指出感應(yīng)過(guò)電壓極性與雷電流極性相反[7-8]。Master和Michishita等人也觀測(cè)了幾百米長(zhǎng)度測(cè)試線路的感應(yīng)電壓，積累了寶貴數(shù)據(jù)[9-10]。

90年代美國(guó)Uman等人開(kāi)展了近距離配電線路感應(yīng)過(guò)電壓的研究，分析了感應(yīng)過(guò)電壓特點(diǎn)[11-13]。Barker等人針對(duì)一條不帶電線路進(jìn)行了觀測(cè)，他們發(fā)現(xiàn)幅值幾千安到幾十千安的電流在線路上引起感應(yīng)過(guò)電壓的幅值從8 ～100 kV不等[14]。Rachidi等人對(duì)比了感應(yīng)過(guò)電壓的計(jì)算結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果[15]，得到了較好的一致性。

國(guó)內(nèi)配電線路過(guò)電壓觀測(cè)雖然起步較晚，但近些年進(jìn)展明顯。周蜜等人觀測(cè)了220 V低壓線路自然閃電引起的感應(yīng)過(guò)電壓，研究了SPD對(duì)過(guò)電壓波形的影響[16]。蔡力等觀測(cè)了廣州從化地區(qū)火箭引雷及其配電線路感應(yīng)過(guò)電壓，結(jié)合雷電定位系統(tǒng)研究了雷電距離與感應(yīng)過(guò)電壓的關(guān)系[17]。重慶大學(xué)開(kāi)展了110 kV變電站過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)研究等[18-19]。

本文主要介紹配電線路過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并分析2016年7月、8月和2017年7月佛山10 kV富油甲線實(shí)測(cè)過(guò)電壓波形特征及參數(shù)統(tǒng)計(jì)，可為配電線路的雷電防護(hù)提供參考。

1 配電線路過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

配電線路過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是用于監(jiān)測(cè)配電線路相導(dǎo)線過(guò)電壓的系統(tǒng)，系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高速采樣技術(shù)、圖形化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等技術(shù)構(gòu)造，用于配電線路雷電過(guò)電壓、內(nèi)部過(guò)電壓及電磁暫態(tài)的觀測(cè)，具有高速采集、大容量記錄存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、圖形化顯示、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)分析及報(bào)表生成等功能，如圖1所示。

圖1 配電線路過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)硬件

配電線路過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在配電線路桿塔上，由就地觀測(cè)站以及遠(yuǎn)端服務(wù)器組成。就地觀測(cè)站由高壓側(cè)分壓器、傳輸電纜、工控機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集卡、通信模塊、太陽(yáng)能供電電池板、蓄電池組等組成，觀測(cè)站主要由高壓側(cè)分壓器(分別接A、B或C相)經(jīng)同軸電纜接入工控機(jī)的采集卡中。

太陽(yáng)能電池板經(jīng)控制器接入蓄電池組和負(fù)載(通信模塊和工控機(jī))。工控機(jī)在軟件控制下，將采集的過(guò)電壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端主服務(wù)器。遠(yuǎn)端主服務(wù)器可以對(duì)就地觀測(cè)站的監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)配置，并能實(shí)時(shí)獲得線路過(guò)電壓數(shù)據(jù)。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理圖

10 kV配電線路過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有良好的波形響應(yīng)、記錄和遠(yuǎn)程傳輸特性，能夠在野外環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)采樣頻率為10 MS/s(每秒10 M個(gè)采樣點(diǎn))，這是因?yàn)榕潆娋€路過(guò)電壓包括雷電過(guò)電壓和內(nèi)部過(guò)電壓，雷電過(guò)電壓波頭較陡，需要較高的采樣頻率和頻率響應(yīng)，而內(nèi)過(guò)電壓頻譜較寬，通常幾十到幾千赫茲，在較高的頻率下完整采集一個(gè)周期則需要較大的存儲(chǔ)深度。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量誤差經(jīng)過(guò)高電壓試驗(yàn)進(jìn)行了校準(zhǔn)，與高電壓試驗(yàn)大廳測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)，沖擊電壓測(cè)量幅值響應(yīng)誤差為2.1%。

1.2 系統(tǒng)軟件

配電線路過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集軟件是基于圖形化編程語(yǔ)言環(huán)境開(kāi)發(fā)的，監(jiān)測(cè)軟件包括就地觀測(cè)站軟件和主服務(wù)器接收軟件。

就地觀測(cè)站監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓波形的自動(dòng)采集，保存達(dá)到觸發(fā)電平的過(guò)電壓信號(hào)，在與主服務(wù)器連接的狀態(tài)下實(shí)時(shí)傳輸給遠(yuǎn)端主服務(wù)器。傳輸完成后，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)刪除，使就地監(jiān)測(cè)裝置保持良好的硬盤存儲(chǔ)空間及運(yùn)行速度，軟件界面如圖3。

圖3 就地觀測(cè)站軟件界面

主服務(wù)器軟件能夠同時(shí)接收來(lái)自多個(gè)就地觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并顯示在主界面上。主服務(wù)器會(huì)根據(jù)連接的就地觀測(cè)站名稱，在指定路徑下自動(dòng)建立相應(yīng)的文件夾，主服務(wù)器接收軟件主界面可以對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行任意通道查看、局部波形展開(kāi)等操作，軟件界面如圖4。

圖4 主服務(wù)器接收軟件界面

2 雷電感應(yīng)過(guò)電壓觀測(cè)結(jié)果

2.1 觀測(cè)線路

為驗(yàn)證過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，在廣東電網(wǎng)公司佛山供電局10 kV富油甲線開(kāi)展了雷電過(guò)電壓波形觀測(cè)。10 kV富油甲線與富油乙線同桿架設(shè)，架空線路全長(zhǎng)1 544 m，電纜全長(zhǎng)1 860 m，10 kV專用變壓器4臺(tái)。

10 kV富油甲線由24基桿塔組成，其中鐵塔6基，水泥桿18基，富油甲線無(wú)支線。配電線路過(guò)電壓監(jiān)測(cè)裝置安裝在5號(hào)耐張桿塔上，如圖5所示，方框代表鐵塔，圓圈代表水泥桿。變電站與1號(hào)鐵塔以及24號(hào)鐵塔與配電房之間為電纜。

圖5 富油甲線位置

10 kV富油甲線和富油乙線互相平行，線間距約為1 m，兩者都是三相導(dǎo)線垂直排布，其中A相位于最上方，C相位于最下方，導(dǎo)線間隔約為0.7 m，兩條線路均沒(méi)有架設(shè)避雷線，且沒(méi)有安裝避雷器。

富油甲線處在丘陵與平原交界處，周圍地勢(shì)變化大，周圍自然雷擊概率較大，觀測(cè)時(shí)間選在雷電活動(dòng)較為頻繁的夏季。觀測(cè)對(duì)象為10 kV富油甲線最上方的A相和最下方的C相。

2.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)

過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別在2016年8月、9月和2017年7月連續(xù)運(yùn)行，在3次雷暴過(guò)程期間記錄到17次感應(yīng)雷過(guò)電壓，3個(gè)月記錄的總回?fù)舸螖?shù)為80次，如表1所示。記錄時(shí)間表述方式是，20160815184127是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2016年8月15日18點(diǎn)41分27秒記錄到過(guò)電壓。

表1 富油甲線過(guò)電壓記錄情況

表1可以看到，17次觀測(cè)結(jié)果中，回?fù)舸螖?shù)最少的是1次，次數(shù)最多的是10次，平均次數(shù)為4.7次。最大過(guò)電壓幅度最大值為23.54 kV，其中最小值為1.33 kV, 平均值為4.94 kV。

2.3 感應(yīng)過(guò)電壓波形

以2017年7月26日18點(diǎn)02分42秒記錄到的一次過(guò)電壓為例，富油甲線觀測(cè)到的過(guò)電壓最大幅值可以達(dá)到23.54 kV(如圖6)。

圖6是采用50 Hz陷波技術(shù)濾去了50 Hz工頻電壓波形的雷電感應(yīng)電壓序列波形，可以看到，A、C相雷電感應(yīng)過(guò)電壓有明顯的序列特征，每一次過(guò)電壓對(duì)應(yīng)自然雷電的一次回?fù)暨^(guò)程，A、C兩相每次回?fù)魧?duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓脈沖具有近似相同的發(fā)生時(shí)間和回?fù)魰r(shí)間間隔，時(shí)間間隔從最小幾十毫秒到最大數(shù)百毫秒。

圖6 濾除工頻后三相電壓波形

圖7、圖8分別為A相和C兩相對(duì)應(yīng)每次回?fù)舻倪^(guò)電壓放大波形圖，可以看到，兩相感應(yīng)出的過(guò)電壓波形具有類似的特征，表現(xiàn)為波頭時(shí)間短，從0電平迅速上升到峰值，首次回?fù)粽逯捣謩e為14.39 kV和14.14 kV，首次回?fù)糌?fù)峰值在7.68 kV和7.48 kV。波形到達(dá)峰值后，表現(xiàn)為雙極性高頻振蕩，再并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l振蕩，最終衰減到0電平附近。

應(yīng)該注意的是，由于高頻振蕩的特點(diǎn)，富油甲線測(cè)量到的過(guò)電壓正峰、負(fù)峰幅值都很大，不能忽視。這也就意味著，負(fù)極性雷擊放電過(guò)程中，不僅是會(huì)產(chǎn)生正極性過(guò)電壓，隨著振蕩也會(huì)出現(xiàn)負(fù)極性過(guò)電壓。

從圖7中可以看到，除第一次回?fù)敉?，同一次閃電過(guò)程的不同回?fù)舢a(chǎn)生的過(guò)電壓波形是很相似的，只是在幅值上不同。

富油甲線的觀測(cè)結(jié)果表明，首次回?fù)舢a(chǎn)生的過(guò)電壓一般是最大的，這可能是由于自然雷電中首次回?fù)舻睦纂娏饕话愫艽蟆?/p>

圖8是C相感應(yīng)電壓觀測(cè)結(jié)果，與圖7中A相結(jié)果比較，可以看到，首次回?fù)鬉、C相感應(yīng)電壓波形高度類似，后續(xù)回?fù)魞上喔袘?yīng)電壓波形近似，差別在首峰后的振蕩幅度稍有差異，波形是相似的。

注意到富油甲線的觀測(cè)結(jié)果中，感應(yīng)電壓的衰減過(guò)程并不是完全單調(diào)衰減的，在衰減過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)電壓幅值的突然抬升，但是抬升后的電壓幅值一般不會(huì)超過(guò)首個(gè)正峰值，如圖7和圖8，6次回?fù)糁蠥相和C相過(guò)電壓衰減過(guò)程中的第3個(gè)周波都出現(xiàn)了電壓抬升，這可能與線路上某一基桿塔的塔底反射波疊加有關(guān)。

圖7 A相電壓波形

圖8 C相電壓波形

表2為20170726180242過(guò)電壓記錄的正峰值、負(fù)峰值、波頭時(shí)間、間隔時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥吹?，首次過(guò)電壓幅度最大，A相正峰值略微大于C相。后續(xù)過(guò)電壓的正峰值是C相遠(yuǎn)大于A相，對(duì)比其他結(jié)果后發(fā)現(xiàn)A相和C相過(guò)電壓并沒(méi)有絕對(duì)的大小關(guān)系，部分記錄顯示也存在后續(xù)過(guò)電壓A相大于C相的情況。負(fù)峰值方面也是如此，負(fù)峰值和正峰值具有一定關(guān)系，正峰值越大，負(fù)峰值越大。首次過(guò)電壓的波頭時(shí)間比后續(xù)過(guò)電壓的波頭時(shí)間要長(zhǎng)很多，A相的波頭時(shí)間要略長(zhǎng)于C相，兩相的間隔時(shí)間一致。

表2 20170726180242過(guò)電壓參數(shù)

富油甲線感應(yīng)過(guò)電壓的分析表明，配電線路的雷電感應(yīng)過(guò)電壓比理論計(jì)算出的數(shù)值低得多[13]，感應(yīng)過(guò)電壓的定量觀測(cè)給配電線路雷電過(guò)電壓危害的評(píng)估提供了觀測(cè)基礎(chǔ)。

3 結(jié) 論

1)自主開(kāi)發(fā)了配電線路過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)系統(tǒng)就地高速采集、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸，能夠在野外環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，采樣頻率為10 MS/s，沖擊電壓測(cè)量幅值響應(yīng)誤差為2.1%。

2)在10 kV配電線路開(kāi)展了雷電感應(yīng)過(guò)電壓觀測(cè)，2年3個(gè)月在線運(yùn)行實(shí)測(cè)在3次雷暴過(guò)程期間記錄到17次感應(yīng)雷過(guò)電壓，3個(gè)月記錄的總回?fù)舸螖?shù)為80次，回?fù)舸螖?shù)最少的是1次，次數(shù)最多的是10次，平均次數(shù)為4.7次。最大過(guò)電壓幅度最大值為23.54 kV，其中最小值為1.33 kV, 平均值為4.94 kV。

3)報(bào)道了10 kV配電線路感應(yīng)過(guò)電壓波形序列特征，每一次過(guò)電壓脈沖對(duì)應(yīng)自然雷電的一次回?fù)暨^(guò)程，A、C兩相每次回?fù)魧?duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓脈沖具有近似相同的發(fā)生時(shí)間和回?fù)魰r(shí)間間隔。

4)報(bào)道了富油甲線兩相雷電過(guò)電壓對(duì)應(yīng)于每次回?fù)舻牟ㄐ翁卣?，表現(xiàn)為波頭時(shí)間短，迅速上升到峰值，然后雙極性高頻振蕩，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l振蕩，最終衰減到0，首次回?fù)舻恼?、?fù)峰幅值都較大。

5)富油甲線觀測(cè)結(jié)果表明，各相過(guò)電壓幅值不存在絕對(duì)的大小關(guān)系，一次過(guò)程中的首次回?fù)暨^(guò)電壓幅值明顯大于后續(xù)過(guò)電壓幅值，首次過(guò)電壓的波頭時(shí)間比后續(xù)過(guò)電壓長(zhǎng)。