输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位.pdf

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输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位1 输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位2 输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位3 输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位4 输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位5 输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位6 输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位7 输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位8 输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位9
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第44卷第16期2016年8月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlv01.44No.16Aug.16,2016D0I:10.7667/PSPC15l514输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位马仪,黄然,申元,束洪春,余多,沐润志,白冰(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南昆明650217;2.昆明理工大学电力工程学院,云南昆明650500)摘要:当输电线路遭受雷击导致故障,而雷击点与闪络点位置不同时,双端测距将定位至雷击点而非闪络点,行波测距精度会受到不利影响。根据双端感受到的后续波头中与首波头极性相同的第一个波头含有的故障信息,对“”雷击点与闪络点的一致性进行辨识。并且提出距离一致性比较的方法对雷击点与闪络点不一致情况进行闪络点定位,同时对该测距方法进行适用性以及影响因素分析。仿真实验和实测数据验证了所提新方法的可靠性和有效性。关键词:电力系统;雷击;输电线路;闪络;测距InconsistentidentificationandlocationoftransmissionlinelightningpointandflashoverpointMAYi,HUANGRan,SHENYuan,SHUHongchun2,YUDuo,MURunzhi,BAIBing(1.ElectricPowerResearchInstitute,YunnanElectricPowerTestResearchInstitute(Group)Co.,Ltd.,Kanming650217,China;2.SchooolofPowerEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunrning650500,China)Abstract:Whenthetransmissionlinesfaultoccurredduetolightningstrike,andthelightningstrikepointisnotthesameasflashoverpoint,doub ̄endedtravelingwavefaultlocationdevicewilllocateoutlightningstrikepointratherthanflashoverpoint.Sotravelingwavelocationaccuracywillbeadverselyaffected.Basedonthefaultinformationofthefirstheadthatdoubleendedfeltinsubsequentwaveheadswhichpolarityisthesameasfirstwavehead,thispaperidentifiestheconsistencyoflightningstrikepointandflashoverpoint,andproposesthemet‘‘hodofdistanceconsistency”comparisontolocateflashoverpointwhenlightningstrikepointandflashoverpointareinconsistent.Meanwhile,theapplicabilityandinfluencingfactorsofthelocationmethodareanalyzed.Simulationexperimentandrealdataverifythereliabilityandvalidityofproposednewmethod.Keywords:powersystem;lightning;transmissionline;flashover;faultlocation0引言运行经验表明,雷击是导致输电线路发生故障的主要原因之一【1]。雷击杆塔塔顶或避雷线时,雷电流幅值一般较大,故障情况下雷击点与闪络点间距离若在一个杆塔档距之内,则认为雷击点与闪络点一致;绕击导线时,雷电流幅值一般较小,这时往往在雷击点未发生闪络,而雷电行波沿线路传输一段距离后,在绝缘薄弱处发生闪络【2J,此时雷击点与闪络点间的距离大于一个杆塔档距,形成了雷击点与闪络点不一致的情况,这将直接影响到现有行波测距算法的可靠性【34J。可见,雷击点与闪络点不一致情况下的故障行波测距应引起足够的重视。目前基于行波原理的输电线路故障测距装置已在电力系统中得到了广泛应用,这对提高输电线路运行的安全性、经济性和可靠性具有重大意义【5】。当输电线路遭受雷击导致故障,而雷击点与闪络点位置不同时,若采用双端行波测距,通过行波在输电线路上的折反射仅能计算出雷击点位置,无法确定闪络点位置;若采用单端行波测距,由于行波源的增加,后续有效波头的识别将更加困难,这些都将影响行波测距装置的精度。随着行波测距领域研究的深入,一些学者已经开始对雷击点与闪络点不一致情况下的故障测距进行了研究。文献【2】针对特高压直流输电线路发生雷击点与闪络点不一致情况,利用线路两端保护安装处检测到的电压行波线模幅值变化规律,实现了雷击侧和闪络侧的识别、雷击点的定位和闪络点的定位。此法适用于1000km的直流长线路,对交流较短的线路不一定可靠,且对于雷击点与闪络点不一致距离小于5km..64..电力系统保护与控制的情况,不易采用此方法。文献[2]针对交流线路雷击与闪络点不一致情况,采用一定时窗内雷击侧采样到的故障电流低频分量占总能量比例低于短路侧采样到的故障电流,利用线路两侧能量分布差异确定雷击点与闪络点的相对位置,该算法受雷电流参数和阻波器边界元件等因素影响较大。然而现有的对雷击点与闪络点不一致情况f如图1)的研究均是用来故障测距J,而未进行雷击点与闪络点是否一致的辨识。本文对行波在雷击点与闪络点不一致情况下的行波传播特点进行分析,根据双端感受到的后续波头中与首波头极性相同的第一个波头含有的故障信息,对雷击点与闪络点的一“”致性进行辨识,并且提出距离一致性比较的方法对雷击点与闪络点不一致情况进行闪络点定位。同时对该测距方法进行适用性分析以及影响因素分析,并经过大量仿真和实测数据验证本论文所提的新方法可靠、有效。图1雷击点与闪络点不一致示意图Fig.1Lightningstrikepointandflashoverpointisdifferent1雷击输电线路故障电磁暂态特征输电线路遭受雷击或发生闪络时,在故障点将产生向两侧母线运动的行波J。线路上的行波传播且到达两个不同波阻抗线路的连接点或到达接有集中参数的节点时,行波就会发生折射、反射L9叫(见图2)。当发生故障性雷击或线路短路故障时,在故障点因其线路波阻抗不连续而会出现行波折射和反射。在一定的时间窗内,母线处检测到的行波信号M图2雷击点与闪络点不一致故障线路行波折反射网格图Fig.2Faultlinetravelingwaverefractionandreflectiongridwhenthelighmingstrikepointandtheflashoverpointisinconsistent中就含有雷击点的初始行波、闪络点反射行波和母线的反射行波。闪络故障发生在线路前半段时(相对于近端母线),闪络点的反射波先到达;闪络故障发生在线路后半段时,对端母线的反射波先到达。由于雷电通道会在云层与线路之间持续时间大于50us,因此在注入导线的雷电流行波在闪络点发生反射回到雷击点时,雷电通道的存在会导致雷击点的波阻抗不连续,行波会在闪络点与雷击点之间多次折反射,导致线路两端观测到的波形存在大量反映雷电通道与闪络点之间距离的波形振荡。2输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位方法2.1方法原理由上文的分析可知,在雷击(绕击)输电线路故障的情况下,雷击产生的初始行波和故障初始行波沿故障线路传至线路两端,根据双端感受到的首波头到达时差可定位雷击点,雷击点距M端和N端’”距离分别记为和:。若雷击点与闪络点一致,则M、N端感受到的Ⅲ后续波头中与首波头极性相同的第一个波头w、w应分别为雷击初始行波以及故障初始行波在故障点的反射波,反映的即为故障位置。若雷击点与闪络点不一致,则M、N端感受到的后续波头中与首波头极性相同的第一个波头、所含有信息可分为三种情况。一是雷击初始行波经故障点的反射波、二是雷击初始行波在雷电流通道存在时经雷电流通道的反射波、三是雷击初始行波和故障初始行波在故障点的反射波。根据M、N端感受到的后续波头中与首波头极性相同的第一个波头、w¨到达时差分别进行单’端测距,得到和,将、《和、进行一致性比较,进而对雷击点和闪络点是否一致进行辨识以及对闪络点进行定位。本文中将靠近雷击点的一侧称为雷击侧,靠近闪络点的一侧称为闪络侧。2.2方法实现按上述原理所构成的方法主要包括雷击点定位、雷击点闪络点一致性辨识与闪络点定位两个步骤。(1)雷击点定位设输电线路全线长为,,发生雷击故障时雷击初始行波和故障行波到达M、N端的时刻分别为’、”。则可根据式(1)、式(2)进行双端行波测9J。=丁l-vat(1)马仪,等输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位一65.=,一(2)“式中:At=一;v为经验波速。f2)雷击点闪络点一致性辨识与闪络点定位设后续波头中与首波头极性相同的第一个波头、’到达M、N端的时刻分别为、。则可根据式(3)、式(4)分别进行单端测距[9】,得:J_vatm(3)x)_vAt(4)Atm=’一(5)At.=《一《(6)a.若I一)1<,且l一)j<,说明后续波头、分别为雷击初始行波以及故障初始行波在故障点的反射波。则判雷击点与闪络点一致,雷击点位置即为闪络点位置。b.根据雷电流的特征,设雷电流通道持续时间设为f,即当雷击点距量测端距离/2,’”(f_,刀)时,若I一)1<且I一)1,说明后续波头为雷击初始行波经雷电流通道的发射波,而为故障初始行波经故障点的反射波。则’判M侧为雷击侧,N侧为闪络侧。为闪络点距N侧的距离。c.若一l且一<,则判M侧’为闪络侧,N侧为雷击侧。为闪络点距M侧的距离。d.若满足一≥』一>-4”+一’(+)I<g一’<0说明后续波头、为雷击初始行波和故障’初始行波在故障点的反射波,由一<0可知,’M侧为闪络侧,N侧为雷击侧。为闪络点距M侧的距离。e.若满足一)l>-4一>-4”+一(+。)I<£一>0则判M侧为雷击侧,N侧为闪络侧。为闪络点距N侧的距离。f若满足一I一l->4”+一(+)算法失效,需折算后再次计算或者采用其他4距方法。以上式中、£依经验整定为=2km、s=2km。算法流程如图3所示。图3算法流程图Fig.3Algorithmflowchart3仿真实例及算法精确性影响因素分析3.1仿真实例分析以图4所示的仿真系统为例,线路全长150km,采样率为1MHz,杆塔与线路模型见图4和图5,杆塔使用多波阻抗模型进行模拟,输电线路为四分裂导线。雷电流模型选用双指数模型,其数学表达式为i=Io(eat_e-fit)(7)式中:雷电流的波头为2.6s,波尾为50s;oc为20000;为1666666.7;/o为雷电流幅值。.66.电力系统保护与控制△U ̄=220kVM//iti出△Nr,Uc=220kV220kV/525kV辜UM…"N辜220kV/525kV图4500kV线路模型示意图Fig.4Schematicdiagramof500kVlinemodel001484m(b)杆塔多波阻抗模型图5500kV杆塔模型Fig.5500kVtowermodel绝缘子伏秒特性曲线由式(8)确定。Us-t(t)=400Lx+710LxF。・(8)式中:f为雷击开始到闪络所经历的时间,单位为us;厶为绝缘子串长度,本文中绝缘子长度选为5.46inL1。考虑冲击电晕对雷击波形的影响,根据文献[12】所述可以得到如图6所示的冲击电晕等效电路。图6中,C,为冲击电晕在导线上引起的附加电容,为导线几何电容,D】和D2为理想稳压二极管。本文将导线分为若干段来近似考虑冲击电晕对沿线暂态电流、电压波形的影响,建立如图7所示的考虑冲击电晕和参数频变的线路模型。}乙D・l:{=c02D:jl;暑[I图6冲击电晕等效电路Fig.6Impulsecoronaequivalentcircuit图7考虑冲击电晕和频变参数的线路模型Fig.7Alinemodelconsideringtheimpactofthecoronaand ̄equencyparameters例1设线路全长为160km,雷电流为负极性雷电流,幅值为12kA,已知线路发生绕击A相导线故障,雷击点距保护安装处65km,雷击点与闪络点一致,故障线路两端电流波形如图8所示。双端首”波头到达时刻分别为=218ps、f=318ps。根据式(1)Sgl式(2),得出雷击点距M侧距离为x=65.1km、t/lts(a)雷击点与闪络点一致时的故障线路M端电流波形t/its(b)雷击点与cJ_;】络点一致时的故障线路N端电流波形图8雷击点与闪络点一致时的故障线路两端电流波形Fig.8Currentwaveformsoffaultlinedoubleterminalswhenthelightningstrikepointandflashoverpointisconsistent一●v1——一m一一一v1一上可工}l军一一上可时上=一畔:一。l.●●●●●●●一^一一1:一蒲马仪,等输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位.67.”距N侧距离为x!=94.9km。M、N端感受到的后续波头中与首波头极性相同的第一个波头w、到’达双端的时刻分别为=651s、=952Ixs。据’式(3)和式(4)计算可得=64.517km、=95.483km。由于满足一l=0.583且l一l=0.583<,则可判定雷击点与闪络点一致,测距结果为65.1km,误差为100m。例2已知输电线路发生雷击故障,设线路全长为160km,雷电流为负极性雷电流,幅值为12kA,已知线路发生绕击A相导线故障,雷击点距保护安装处65km,闪络点距保护安装处60km,雷击点与闪络点不一致,此时故障线路两端电流波形如图9所示。双端首波头到达时刻分别为t2=218gs、=318s。根据式(1)和式(2)得出雷击点距M侧距’离为x2=65.1km、距N侧距离为x2=94.9km。M、N端感受到的后续波头中与首波头极性相同的第一个波头w删、到达双端的时刻分别为=618s、=’984gs。据式(3)和式(4)计算可得=59.6km、《=99.2km。Ix2I由于满足条件e,即-4I=5.5一I=4.33则可判断M侧为闪络侧,测距结果为在线路距M侧65.1km处雷击,而在59.6km处发生故障。误差为-400in。3.2算法精确性影响因素分析(1)母线类型对量测端电流行波波头的影响电流行波在母线端会发生反射,电流反射系数的计算公式为=-=ZC-Z2(9)式中:Z,=u2/为母线端负载;为线路特征阻抗。若母线端只有一条线路,由于入射行波的波头前沿部分基本上是较高频率分量,这些较高频率分量对应的变压器等设备的等效阻抗一般较大,远大于线路阻抗,使得电流行波的反射系数可能接近于一l,电流行波波头高频分量经反射后削弱,甚至电流行波中波头的入射部分和反射部分可能相互抵消,以致所测电流行波波头变缓。如图l0所示。t/Its(a)雷击点与闪络点不一致时的故障线路M端电流波形t/Its(b)雷击点与闪络点不一致时的故障线路N端电流波形图9雷击点与闪络点不一致时的故障线路两端电流波形Fig.9Currentwaveformsoffaultlinedoubleterminalswhenthelightningstrikepointandflashoverpointisinconsistentus(a)母线类型对M侧电流行波波头的影响t/ItsCo)母线类型对N侧电流行波波头的影响图1O母线类型对M、N侧电流行波波头的影响Fig.10InfluenceofbustypeonNandMsideelectricwavehead(2)近端雷击故障时,雷击点与闪络点不一致距离及与故障距离X相对关系对算法的影响当雷击点与闪络点不一致距离较小时,由于<7=《0+<一=+一87654321O妥一68.电力系统保护与控制雷击产生的行波与闪络点反射行波到达量测端时问间隔太小,本算法在雷击点与闪络点不一致距离Ax3km时,无法判别雷击点与闪络点不一致的情况,造成算法失效;对与故障距离X相对关系进行仿真分析,得出其相对关系对本文提出的算法无影响,仍能精确测出雷击点与闪络点的距离。4实际工程中疑似雷击点与闪络点不一致波形分析2013年9月12日,大理供电局大苏线II回发生故障跳闸,图11和图l2分别为苏屯变和大理变相应故障波形图,其中故障相为C相,对应图中红线部分。麓’’…}。~\02000400060008000100001200014000l6000t/ ̄ts图11苏屯变故障三相波形Fig.11Three-phasefaultwaveformofSutunsubstation50403020≤100—10’。20—30k^%~02000400060008000l0000l200014000l6000t/ps图12大理变故障三相波形Fig.12Three-phasefaultwaveformofDalisubstation图l3和图l4为故障相的波形放大图,由图可知,在故障初始波头存在明显的后续振荡,且振荡存在明显的等间隔分布特征,疑似为雷击点与闪络点不一致的故障波形。由于大苏II回线两端均装设有故障行波测距装置,两个站分别进行单端测距和两个站通过GPS时间匹配所得结果如表1所示,表1的测距结果均为距苏屯变的距离。由表1可知,测距结果满足前文所叙述的关于雷击点与闪络点不一致情况的测距情况。图13苏屯变故障波形Fig.13FaultwaveformofSutunsubstation后续振荡.对端母线反射波一3200325033003350340034503500t/las图14大理变故障波形Fig.14FaultwaveformofDalisubstation表1行波测距结果Table1Travelingwaverangingresults雷电定位系统由美国科学家MartinAUman和和EPhilipKrider教授于20世纪70年代提出并实现,我国在2O世纪80年代末由原广西电力局、原水电部武汉高压研究所(武高院和中科院北京空间中心分别从美国引进了雷电定向定位系统设备,1991年初在浙江电网装设了国内最早国产的雷电定向定位实验性系统。经过20年的不断发展,形成了覆盖全国电网的全自动、大面积、高精度、实时雷电监测网络[13-18]。雷电定位系统目前无法直接获取其原始数据,其主要的应用方式一般为通过WEB进行查询,并将查询结果从雷电定位系统服务器下载至本地。表2所示为2013年9月l2日大理供电局大苏线II回发生故障跳闸时,通过WEB查询得到的雷击相关信息,包括雷击引起的空气中电磁场变化到达测点的时间、雷击点位置、雷击回击数、雷击极性等信息。如柏如加m0m}j∞㈣鲫加加0瑚铷j1马仪,等输电线路雷击点与闪络点不一致的辨识与定位.69.袭2雷电监测信息查询结果报表Table2Queryresultsreportoflightningmonitoringinformation对象范围线路±共享10.180.81。79-_ ̄南A2o_大苏II回线(大理)缓冲区半径(米):5000时间范围—雷电}2013091216:32:26-2013.09.1216:42:26最近最近序号时间经度纬度电流/kA回击站数参与定位的探测站距离/m杆塔保山,永宁,兰坪,红河,澄江,云县,怒江,思茅,l2013.09。1216:33:23.7754099.685825.3410—30.85133553141~l42迪庆,大理,双柏,元谋,南华维西,兰坪,孟定,云县,22013.09.1216:33:23.8327099.715625.3488-24.0一ll1迪庆,丽江,大理,腾冲,3009132~133陇川,双柏,南华保山,大理,兰坪,怒江,32013-09.1216:33:23.9708099.718825.3636—14.1—351551131双柏云县,大理,腾冲,兰坪,42013-O9-12l6:33:24.1311099.710725.3598—21.3—48l867132~133双柏,南华,红河,陇川孟定,云县,迪庆,巴马,丽江,陇川I,普提,南宁,52013-09.1216:35:52.5275099.679825.3332—68_8—119乐业,环江,思茅,元谋,3921145荔浦,贵港,靖西,古茼,毕节,腾冲,文山西盟,贺州,怒江,迪庆,巴马,三江,茂名,防城港,思茅,雷州,德钦,廉62013.O9.12l6:37:25.1054099.602325.3555—245.6428江,永宁,玉林1,贡山,荔1395l54-155浦,勐仑,贵港,红河,北海,柳州,沙田,勐腊,腾冲,文山,巧家,维西,会东巧家,德钦,维西,永宁,勐仑,思茅,迪庆,丽江,72013.09.1216:37:25.1840099.644225.342051.4一l161341149-I50大理,腾冲,勐腊,陇川,双柏,元谋,南华,文山云县,大理,腾冲,兰坪,82013-09.1216:37:25.2ll9099.619725.3469—11.5—2733l51~152双柏,南华,丽江孟定,云县,丘北,迪庆,丽江,陇川,普提,乐业,思茅,永宁,元谋,贡山,92013.09.1216:37:25.2466099.631225.3342—74.3-3241627l5O~151兰坪,红河,古蔺,腾冲,文山,南华,勐海,巧家,华宁,维西,宁南,冕山云县,保山,腾冲,兰坪,102013.09.1216:38:46.88l1099.641125.3021一l5.6164975150~151怒江.双柏孟定,丘北,迪庆,丽江,陇川,乐业,大理,双柏,l12013.09.1216:38:49.2342099.80l125.3827—52.0120永宁,元谋,华坪,兰坪,2039116~117勐仑,红河,澄江,勐腊,腾冲,文山,巧家,维西思茅,大理,迪庆,元谋,——122013091216:40:59.5240099.5l8825.4403—16.8152708193丽江.70..电力系统保护与控制由表2可知,在故障行波到达测量点的时刻——(20130912.16:37:25.105)确实在大苏线附近有雷电记录,且雷电记录较为密集,可知当时大苏线II回线路走廊正遭受雷雨天气袭击。其中发生于2013.09.1216:37:25.1054的第6条记录与行波测距装置记录的故障时间最为接近,雷击位置与现场巡线结果也相差较小,现场巡线结果确认为雷击故障,故障位于第150号杆塔C相绝缘子。雷击记录最为接近第154~155号杆塔,而现场巡线结果为第150号杆塔,可见,此次雷击故障存在雷击点与闪络点不一致的可能性。5结论(1)本文根据双端感受到的后续波头中与首波头极性相同的第一个波头含有的故障信息,对雷击“点与闪络点的一致性进行辨识,并且提出距离一”致性比较的方法对雷击点与闪络点不一致情况进行闪络点定位,实现了雷击点与闪络点不一致情况下雷击点与闪络点的精确测距。(2)本文分析了算法中可能影响测距精度的一些因素,当母线端只有一条线路时,会导致所测电流行波波头变缓,影响测距结果;当雷击点与闪络点不一致距离3km时,无法判别雷击点与闪络点不一致的情况,造成算法失效。雷击点与闪络点不一致的情况普遍存在,严重影响着现有行波测距算法的可靠性,应引起足够的重视。参考文献[1]易辉,崔江流.我国输电线路运行现状及防雷保护【JJ.高电压技术,2001,27(6):44-50.YIHui,CUIJiangliu.ThepresentstateandlightningprotectionoftransmissionlineinChina[J].HighVoltageEngineering,2001,27(6):44-50.[2]郭宁明,覃剑.输电线路雷击故障情况下的短路点定—位方法[J].电力系统自动化,2009,33(10):7477.GUONingming,QrNJian.Locatingmethodofshort-circuitpointfortransmissionlinesunderlightningstrokefault[J].AutomationofElectricPowerSystems,2009,33(10):74-77.[3]束洪春,张斌,张广斌,等. 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