高壓輸電線路雷電監測系統的構建與應用研究

李建華

（天津市防雷技術中心第一分中心 天津 300480）

0 引言

大規模新能源發電接入電網主網需要高壓輸電系統穩定并可靠輸送電能，而雷雨天氣雷電流是影響高壓主網穩定運行的重要跳閘故障原因之一。由于大量新能源發電位于山區或無人區，新型輸電鐵塔塔身普遍較高，增加了輸電桿塔遭受雷擊跳閘的風險。統計2019年至2021年中國北方220 kV和110 kV輸電線路跳閘次數，雷擊引起的跳閘次數分別占總跳閘次數的55.2%、52.4%和48.7%，雷擊故障在山地、海拔高和土壤電阻率高的地區發生率統計偏高[1]。分析山區高壓輸電線路的防雷特性，綜合運用現代雷電監測技術研究高壓輸電線路雷電監測，是建設“立體巡檢，集中監控”的重要保障。

雷電參數的獲取依賴高壓輸電線路雷電監測系統的精確性，是開展線路防雷研究工作的重要數據來源，也為分析雷擊故障類型及實景“差異化”防雷措施提供理論研究基礎。特殊區域中的輸電鐵塔在雷雨天氣下易遭受雷擊，此時雷電過電壓在線路快速傳輸，嚴重危害電網主設備的絕緣安全。由于雷電過電壓幅值高、陡度大、測量難度大，且線路所處電磁環境復雜多變，而安裝于變電站內部的雷電過電壓監測裝置難以精確測量經過復雜折反射的雷電參數[2]。統計分析地區電網中220 kV輸電線路雷電監測裝置，其多數設備僅測量單一雷電參數，無法滿足雷電故障分析的應用需要，雷擊線路的雷電過電壓和雷電流是保護方案、故障分析、改善措施的重要數據，為此構建高壓輸電線路雷電監測系統，研究雷擊架空輸電線路電壓、電流同步數據是當下研究堅強電網的重要方向之一。

1 輸電線路雷電監測

1.1 輸電線路雷電監測

雷擊過程在多變電磁環境下發生復雜能量轉換，雷電流引起雷電壓，兩者聯系密切。目前高壓輸電線路雷擊故障識別定位研究電流信號特征，僅采集單一物理量數據難以完整分析雷擊故障。以架空輸電線路為典型研究對象，在桿塔橫擔處和塔身處分別設置電容耦合電壓傳感器和多外積分羅氏線圈并聯電流傳感器監測桿塔遭受雷擊后的電壓、電流瞬態過程，采集雷電過電壓和桿塔入地電流[3]。本文將桿塔入地電流引入雷電監測系統采集參數，保持其與雷擊過電壓的聯系，使輸電線路雷擊物理過程分析更加全面?；诶纂娏?、雷電壓的雷電檢測系統有助于精確、快速區分不同雷擊故障類型和分析雷電波傳播規律，且精確評估輸電線路耐雷水平和雷電流通道。

設計將分布式結構引入輸電線路雷電多參量監測系統，彌補當下線路集中式結構雷電監測系統存在的問題，具體如長距離輸電線路傳輸發生的信號衰減、數據網絡后臺成本高、運維難度大、采集數據單一、難以深入分析故障等問題。將電容耦合過電壓傳感器、多外積分羅氏線圈并聯電流傳感器引入高壓輸電雷電監測系統，且配以嵌入式監控裝置、網絡交換機和后臺監控主機共同搭建雷電監測數據共享平臺，精確實時采集、傳輸雷電過電壓和桿塔入地電流，監測系統如圖1所示。

圖1 輸電線路雷電監測系統示意圖

輸電線路的耐雷水平可公式表示為：

式中K代表輸電線路導地線間的耦合系數，Lgt代表桿塔分析的等值電感，Rch代表桿塔雷電流沖擊接地電阻值，β代表桿塔分流系數，hd代表桿塔下相導線的對地距離。

1.2 高壓輸電線路雷電參數

分析高壓輸電線路雷擊故障，需采集雷擊特征相關參數，具體有雷電流極性與波形、雷擊輸電線路過電壓、雷電流幅值與概率分布等相關參數[4]。

1.2.1 雷電流極性與波形

由帶電荷的雷云引起的雷電放電即雷電流，分析國內外多年來對其的監測數據發現，其為單極性的脈沖波，且負極性雷電流約占總量的75%～90%，因此線路雷擊故障分析中常將負極性的雷電沖擊波作為主要分析要素。雷電擊中輸電線路時其電流波頭與波尾為隨機、時變變量，統計雷電流波頭和波尾分別約為1～5 μs和20～100 μs，建模分析時可將其等效分析。輸電桿塔防雷計算中可由標準沖擊波、等值斜角波、等值余弦波三種模型等效雷電流波形。

1.2.2 雷擊輸電線路過電壓

雷擊輸電線路的雷電流放電時產生過電壓，依據雷擊形式可分為感應雷過電壓和直擊雷過電壓，過電壓是造成高壓輸電線路雷擊故障的主要因素。研究表明，輸電線路雷擊存在感應雷過電壓，其幅值相對高壓輸電線路的220 kV和110 kV的電壓幅值較小，則感應雷過電壓危害較小。直擊雷過電壓依據其雷擊輸電線路部位的差異可為反擊和繞擊兩種形式[5]：反擊是由雷電流擊中避雷針或避雷線形成桿塔接地放電通道，桿塔沖擊接地電阻引起系統地電位升高，絕緣子末端的與輸電導線的電位差達到閃絡范圍形成雷電反擊；繞擊是自然界雷電未直接擊中避雷針或避雷線時直接作用于輸電線路，引起輸電線路對地閃絡而發生雷電繞擊現象。

1.2.3 雷電流幅值與概率分布

自然界雷電因地域氣候、自然條件等差異而隨機多變，其雷電流波形和幅值也是隨機變量，呈現非周期性變化。分析大量雷擊故障中桿塔雷電流實測數據，可用公式將雷電流幅值概率表示為：

式中，I代表雷電流的幅值；P代表雷電流超過的統計概率。

1.3 基于電壓、電流極性鑒別的輸電線路雷擊故障識別

目前依據監測參數的差異可將雷電監測系統分為雷電流和雷電過電壓參數監測兩種，上述兩種方式均在實踐中得到不同應用，滿足雷電監測的需要。雷電流監測要求其監測精度、速度準確滿足數據分析，經實踐驗證監測雷電流方法中的磁鋼棒法、磁帶法、羅氏線圈法和雷電定位系統在不同場合均得到實踐應用[6]，且在實踐中得到了檢驗。而電網過電壓測量主要由電容式電壓互感器（CVT）和電磁式電壓互感器（PT）實現，該類互感器具有電路結構簡單、運行可靠性高的特點，且滿足過電壓數據采集、分析。

分析輸電線路直接雷故障特征量，以雷擊故障雷電流、雷電壓為故障識別參數，建立基于電壓、電流的輸電線路雷擊故障識別系統是當下高壓輸電系統防雷系統的重要研究熱點。研究系統監測電壓、電流信號的極性變化差異，以此區分變量識別不同雷擊故障。

2 高壓輸電線路雷電監測系統的構建

研究具備實用性強、精確度高的高壓輸電線路雷電監測系統，需計算構建監測系統的物理結構，其監測參數的精確度依賴其采集裝置[7]，為此設計了由數據前置電路、數據采集模塊和信號監控模塊組建的采集裝置，監測系統硬件構成如圖2所示。由數據前置電路實現對監測裝置互感器采集電壓、電流信號預處理，由數據采集模塊對采集信號轉換為傳輸的數據，經監控模塊實施數據無線傳輸，整體完成高壓輸電線路雷電監測系統的信號采集傳輸。

圖2 高壓輸電線路雷電監測系統數據采集傳輸

2.1 數據前置電路設計

數據前置電路由調理電路和觸發電路構成，監測高壓輸電系統的桿塔雷電流信號和三相過電壓信號，且由信號調理電路對采集電壓、電流信號預處理。

2.1.1 電流信號調理電路設計

監測線路桿塔裝設電流傳感器，由羅氏線圈采集桿塔雷電流I桿塔，預處理中引入并聯外積分方式實現信號變換，將其轉換為電壓信號傳輸。

2.1.2 電壓信號調理電路設計

監測桿塔三相過電壓，將電壓傳感器安裝于桿塔導線的連接絕緣子處，測量雷擊故障狀態下三相絕緣子雷電過電壓U絕緣子，由調理電路對采集過電壓信號預處理。

2.1.3 觸發電路設計

觸發電路控制監測系統的信號采集，由其輸出觸發信號，控制信號幅值和電平，且與設定閾值比較，即可由觸發信號控制數據采集。觸發電路設計由LM336組成的穩壓電路產生控制電平，觸發離散控制雷電過電壓、過電流信號采集。

2.2 數據采集模塊設計

數據采集模塊采集過電壓、過電流信號，引入ADC信號轉換和數據存儲，完成監測系統的數據采集、轉換、存儲，完成數據前置電路的后續數據處理。

2.3 信號監控模塊設計

過電壓、過電流信號經采集后需傳輸至監控后臺系統，由監控模塊實施數據互聯功能。信號監控模塊是雷電監測系統數據檢驗、分析的重要前提，設計選用廣州致遠公司EPC-2601工控板作為模塊核心。

3 雷電監測系統的應用分析

高壓輸電線路雷電監測裝置除配置前述監測結構外，還需配置供電和用戶單元。將信號采集及數據通信單元采集信號經處理送入監測系統主機，且由其發送至后臺監控系統，即完成輸電線路雷擊故障下U絕緣子和I桿塔的在線監測。供電單元由太陽能電池板及供電模塊完成電能獨立供應，采用75AH大容量鉛酸蓄電池儲能日間電能，夜間由其蓄電池電能供應裝置的夜間在線監割，保證監測系統的實時性和不間斷性。高壓輸電線路雷電監測裝置的結構和工作原理如圖3所示，將雷電過電壓、過電流實時采集、傳輸[8]。

圖3 輸電線路雷電監測系統結構框圖

將雷電監測系統安裝于電網某地區110kV架空輸電線路耐張桿塔處，監測雷雨季節雷擊故障雷電流、雷電壓。電流傳感器安裝于耐張桿塔下相橫擔下方4 m處，實時監測桿塔入地雷電流I桿塔；電壓傳感器安裝于桿塔三相橫擔處，使其位于引流線正上方，保持2 m的安全距離，圖4為監測系統實時監測雷擊故障的雷電流、雷電壓數據。

110 kV該地區耐張桿塔多處裝設高壓輸電線路雷電監測系統裝置，將傳感器采集信號處理后傳輸、分析，后臺監控系統分析雷電過電壓和桿塔入地電流波形信號，研究多處雷擊故障數據驗證了文章雷電監測系統的實時性、精確性。

4 總結

綜上所述，雷電參數精確監測是建設堅強電網的重要保障。本文構建了一種高壓輸電線路雷電多參量（電壓、電流）監測系統，將該系統應用到雷害故障率高的輸電桿塔，后臺監控系統分析雷擊故障參數，驗證了研究雷電監測系統在雷電參數在線監測中的實時性、精確性，對保障電力系統的安全、穩定運行具有重要的意義。