110kV輸電線路直擊雷過電壓的識別研究

福建永福電力設計股份有限公司 溫明瑞

雷電是一種隨機發生的自然現象。近些年我國110kV架空輸電線路敷設范圍越來越廣泛，架空輸電線路由于輸送距離較長、距離地面高度較大，因此在運行過程中極易遭受雷擊引發電路事故，造成電力設備的損壞和人員傷亡，對電網的安全可靠性構成嚴重威脅[1]。據統計，以浙江省為例，在1998～2020年間發生雷電災害高達9728起，共造成307人受傷、282人死亡，經濟損失十分巨大。為了避免110kV輸電線路遭受雷擊而引發電力系統故障，有必要結合區域實際環境有針對性地選擇防雷措施，保護電網的供電可靠性。

現階段，從我國110kV輸電線路防雷水平來看，盡管在設計階段已經充分考慮輸電線路的耐雷擊性能，但在選擇防雷措施上也是主要憑借經驗為主，盲目性較大，并且設計階段會與實際工程情況存在一定的偏差，因此雷擊跳閘事故還是接連發生，歸根結底還是在于不同的過電壓在產生機理和防護措施方面均有所不同。因此，還應加強對雷電過電壓類型辨識的準確率，進行科學防雷設計，提升我國110kV輸電線路的整體防雷性能，提高電力系統的供電穩定性。

1 110kV輸電線路遭受雷擊的危害及防雷保護現狀

雷電是一種十分常見的氣象現象，其巨大的破壞力對輸電線路安全性構成嚴重威脅。通常而言，對于雷電放電的影響途徑主要體現在兩方面：一是輸電線路被雷電襲擊后，會產生較高的雷電過電壓，導致電力系統絕緣層被破壞，發生跳閘事故；二是雷電放電瞬間過程中會產生極大的電流，導致被擊物體發生火災、爆炸等安全事故。

熱效應、機械效應和電氣效應是雷擊輸電線路的主要三種危害形式，通常熱效應和機械效應可通過合理設置導線尺寸及科學布置線路等方式來有效避免，所以說對于輸電線路防雷工作的重點是雷擊造成的過電壓電氣效應。按照雷擊的作用機制進行分類可分為兩種，即直擊雷和感應雷，其中直擊雷可形成非常強的電場，放電速度快（50～100μs），電流強度在瞬間可高達幾十萬安培；感應雷是直擊雷放電過程中使得周圍金屬器件或導線產生強大的電磁脈沖電流、發生電磁感應。通常直擊雷的破壞力更強、而感應雷發生的概率更高，并且感應雷的破壞范圍更大且發生過程不易察覺。

110kV線路的絕緣水平不高，雷擊放電會引起閃絡、引發跳閘停電事故。近些年，我國在在充分借鑒國外數據及經驗下加快布局輸電線路的防雷工作，并且在輸電線路的防雷設計上也取得了一定的進展。目前輸電線路主要防雷措施有：采用線路鉗位保護器、降低桿塔接地阻值以及加裝防雷裝置等，同時還積極將一些新材料、新技術引入到實際工程中，例如石墨烯等新型材料的應用，很好解決了接地電阻偏大的問題，芳綸復合橫擔提升了整體絕緣性和使用性能等。盡管采取了諸多措施，輸電線路跳閘事故還是時有發生，防雷工作依然嚴峻[2]。

對于目前的110kV輸電線路防雷工作存在的問題，從整體上分析來看：在組織措施上，對雷害事故原因判定不清，沒有充分結合地形條件、運行經驗因地制宜地采取防雷措施；在技術措施上，面臨的重要技術難題是不能清楚判定雷擊事故原因，雷害的原因是反擊還是繞擊不是很明確，因而在采取防雷措施時比較盲目，導致防雷效果不理想。為了提升輸電線路的整體防雷水平，降低輸電線路雷擊概率，迫切需要對雷擊事故性質進行深入剖析，加強對雷電過電壓的識別研究，采用過電壓快速響應抑制的措施，以保證電網安全運行。

2 輸電線路雷電過電壓發生機理

電力系統正常運行時，輸電線路的電壓不能超過額定電壓的1.1倍，但通常在實際運行過程中，由于受外部因素影響經常會出現過電壓現象，按照過電壓產生的機理分類如下：內部過電壓。產生原因是諧振過電壓、操作過電壓、工頻電壓升高；雷擊過電壓，產生原因是雷云與地面物之間所產生的放電現象，按照雷擊作用機制可分為感應雷電過電壓、反擊雷電過電壓、繞擊雷電過電壓。

2.1 感應雷電過電壓

當雷云位于輸電線路上空區域，在對地放電過程中，放電通道在周圍區域產生強烈的空間磁場變化，云中的電荷快速被中和，釋放束縛電荷，輸電線路感應出極性與雷電流相反的過電壓，并對地面輸出高電壓電流。國外研究者在基于Agraw-al模型基礎上，提出了線路雷過電壓的幅值估計公式：Umax(d)=kuI0ek0+k1lnd+k2ln5d，式中：ku=k3h；h為線路與地面之間的距離；d為雷擊點與導線間的距離；系數k0、k1、k2與雷電流特性相關。

2.2 反擊雷電過電壓

雷電直接擊中輸電線路桿塔的幾率非常高，一旦雷擊中桿塔頂部位置，會使得大量的雷電流沿著桿塔方向流入大地，雷電流在流入大地過程中會導致接地桿塔電位升高。當絕緣子串尚未被擊穿時，其中一部分電磁耦合電流流入大地，另一部分雷電流被避雷線分流；當絕緣子串被擊穿后，輸電線路的電流會突變為直擊雷電流而急劇上升，因此可通過提高線路絕緣水平、降低接地電阻等措施來減少反擊。

2.3 繞擊雷電過電壓

當輸電線路沒有安裝避雷線時，雷電流會直接直擊導線，大量的電流注入輸電線路中會導致電壓迅速升高，引起絕緣子閃絡。對于安裝避雷線的線路，當雷電繞過避雷線直接作用于輸電線路，就是所謂的繞擊雷。繞擊發生時，導線的電流行波為全部雷電流分量、不存在電磁耦合分量，現階段主要通過合理設置線路保護角來降低輸電線路繞擊發生概率。

3 110kV輸電線路雷電過電壓識別研究

當雷擊輸電線路時會產生大量非基頻暫態分量，使得在雷擊信號判斷方面存在一定難度，因此需要對故障信號系統分析來提取特征量。通常自然條件、地理形狀等都會影響到雷電過電壓，極易引起計算結果的誤差，這無形中加大了過電壓的識別難度。目前報道的有關雷電過電壓的識別方法有多種形式，主要采用的數學算法為最小二乘支持向量機法、小波分析法、數學形態方法等，現對這幾種方法的特點及應用情況作如下探討。

3.1 基于最小二乘支持向量機算法

向量機算法在魯棒性和實用性能上更為優異，通過對時域波形、雷擊波頭特征、HHT頻譜進行特征提取，建立雷擊過電壓識別模型并進行仿真驗證。文獻研究結果顯示，采用該算法建立的雷擊過電壓識別模型對雷電過電壓的信號特征進行提取，通過時域、頻域等進行分析，判斷過電壓類型的依據更系統、全面，識別效率也顯著增高，同時還保證了良好的識別準確性[3]。

通過與QPSO-LSSVM算法建立的過電壓識別模型相比，基于CQPSO-LSSVM算法建立模型識別準確率更高（表1），這是因為該方法將多個特征進行聯合使用，與采用單一特征相比減少了誤判，顯著提升了準確性[3]。

表1 兩種不同模型的識別準確率[4]

3.2 基于小波變換的識別方法

小波變換法可對信號進行不同尺度的分解，利用有效變換來突出特征，通過適當地選取小波，經過平移、伸縮等運算，對信號進行多維度、多尺度、全方面的細化，即可得到信號所突出的特征。調查研究結果顯示，直擊雷作用下過電壓波頭突極性是不同的，因此可根據過電壓波頭變化方向來構造直擊雷擊過電壓識別的判據[4]。在實際應用中，采用小波變換法對反擊與繞擊過電壓特征量進行提取和識別，首先進行三相行波相模變換解決三相過電壓間的耦合問題，計算出零模電壓，通常，三相行波相模變換多使用Karenbauer變換矩陣，變換矩陣可表示為如下式所示：

再選擇小波基函數和分解尺度對零模電壓信號進行分解，確定零模電壓波頭突變點的模極大值，提取出合適的識別判據M1和T，根據支持向量機理論，建立SVM直擊雷過電壓分類器，將所得仿真數據分割后進行訓練和測試，對直擊雷過電壓的識別具有一定指導意義。

3.3 基于改進的爬山算法

一直以來如何準確獲得波形突變首波頭信息是信號處理中的重點和難點，在波頭極性辨識中，小波變換模極大值處理波形信息應用較多，但對于波頭正負交替較為密集、首波頭較后續波頭幅值較小的情況下，難以判別出首波頭極性。通過采用爬山法簡化計算時間和過程，在此基礎上以輸電線路故障零模電流波為例，提出一種基于改進爬山算法的波頭極性識別方法（圖1），利用這一方法實現了閃絡情況下繞擊反擊的有效辨識[5]。

圖1 基于改進爬山算法的波頭極性識別示意圖

通過分析閃絡情況下同塔雙回線路波形，得出不同情況下線路零模電流首波頭極性的分布特點，最終提出一了種適用于同塔雙回線路雷電繞擊與反擊識別的辨識方法。根據零模電流的波形特點提出一種基于改進爬山算法的波頭極性識別方法，該方法適用于同塔雙回線路雷電繞擊與反擊識別的有效辨識。

4 結語

提取輸電線路雷擊過電壓特征規律是個難度較大的工作，因此加強對輸電線路雷擊過電壓信號的特征提取與類型識別是電力系統研究的重點和難點。目前已報到的關于過電壓特征信號處理數學方法種類繁多，其中，小波變換法在信號處理方面有著重要價值，可同時對時間、頻率特征進行分析，并將過電壓信號進行分解，提取典型特征量、構造合適的識別判據，但由于提取特征向量較少，不利于對不同類型的線路的研究。

基于CQPSO-LSSVM算法建立模型采用幾組不同特征進行組合，實現雷電過電壓識別準確率更高；基于改進爬山算法波頭極性識別方法適用于同塔雙回線路雷電繞擊與反擊識別的有效辨識?？梢?，在實際應用過程中還要結合實際情況選擇合適的數學算法，從而有效地對過電壓進行識別。另外，今后對輸電線路的雷擊辨識方面還要加強改進，以更好的滿足不同線路情況的需求。同時，為了避免采用單一特征進行雷電過電壓識別引起的準確性低等問題，應將多個特征相結合研究，全面提升110kV輸電線路雷電過電壓識別的效率與準確度。