朱国珍
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摘要：输电线路是电力系统的重要组成部分。运行经验表明，由雷击引起的线路跳闸在线路故障总数中占较大比例，因此加强输电线路的雷电防护对保证电力系统安全稳定运行有重要意义。雷电绕击和反击所采取的防护手段不同：反击主要靠提高线路绝缘水平、降低杆塔接地电阻来提高耐雷水平，而绕击主要靠改进线路保护角等方式来降低绕击率。对雷击故障类型进行辨识可以为防雷设计提供依据，有针对性地采取防雷措施，可提高线路防雷水平。目前，已有学者针对雷击故障识别开展了相关研究，取得了一定成果。
关键词：架空输电线路，雷电，绕击
前言：为准确辨识输电线路雷击故障，分析了雷电绕击和反击的发生机理，并基于ATP-EMTP建立了330kV输电线路杆塔多波阻抗模型及雷击仿真模型进行仿真。结果表明：雷击杆塔塔顶或绕击导线时，绝缘子串两端电位差方向不同；雷击闪络时，被击杆塔闪络相绝缘子串电位差降为0，雷击暂态过程结束后，邻近杆塔对应相绝缘子串电位差近似为0；反击闪络时，邻近杆塔绝缘子串两端电位差方向发生改变；杆塔入地电流方向可表征雷电流极性。基于上述特征，提出通过输电线路绝缘子串电位差和杆塔入地电流构建特征量，以2者的方向及其有效值作为识别判据，对雷击故障及未故障条件下的雷击类型进行辨识。
一、输电线路雷击机理
（一）雷击杆塔塔顶
当雷电击中线路杆塔塔顶或避雷线紧靠塔顶处时，雷电冲击电流向杆塔和避雷线泄放：一负极性雷电流波沿杆塔向大地传播，由于杆塔波阻抗和杆塔接地电阻的存在，雷电流流经杆塔时将在杆塔上产生很大的压降，使塔顶和横担处对地电位绝对值升高；另一负极性的雷电流波自塔顶沿两侧避雷线向相邻杆塔传播，由于导线和避雷线之间存在互感和线间电容，当避雷线上出现电流行波时，导线上将耦合出一个相应的电流，使导线电位发生变化。同时，有一正极性雷电流波自塔顶沿主放电通道向雷云运动，引起空间电磁场的迅速变化，使导线上感应出与雷云极性相反(正极性)的过电压。线路绝缘子串两端承受的电位差即由上述几个雷电流波引起。
（二）雷电绕击于导线
当避雷线的屏蔽保护失效时，雷电可能绕过避雷线直击于导线，雷电流经雷击点注入导线，沿导线向两侧传播。由于避雷线和导线平行排列，2者之间的电磁耦合作用使避雷线上有耦合电流流过，与雷电流同极性。耦合电流一部分通过杆塔入地，另一部分则沿避雷线向相邻杆塔传播。
二、反击与绕击识别判据
输电线路遭受负极性雷击后呈现下列特征：1）当雷击杆塔时，Uins>0，Ig>0；雷击导线时，Uins<0，Ig>0。2）当雷击本基杆塔并发生闪络时，绝缘子串两端电位差迅速降为0，呈现接地故障形式。当雷击点位于邻近杆塔并发生闪络，待雷击暂态过程结束后，本基杆塔Uins=0。3）当雷击点位于邻近杆塔塔顶，绝缘子串闪络前，本基杆塔Uins>0，绝缘子串闪络后，本基杆塔Uins<0。基于上述特征，可根据Uins及Ig对不同类型雷击进行区分。定义Di表征绝缘子两端电位差Uins方向。
工程计算中，用Uins与时间t轴围成面积S的极性表征其方向。为消除线路所叠加的工频电压的影响，计算S前将Uins沿纵轴平移，使其初始值为0。为避免线路反射波的影响，综合仿真结果，取过电压发生后1.5μs为计算区间，利用梯形法求取该区间内波形与时间轴所围成区域面积S1.5：S1.5>0时Uins>0，Di=1；S1.5<0时Uins<0，Di=?1。同理，可求取过电压发生后1.5~5μs时间段内Uins与t轴围成面积的极性，定义Di5表征该区间内Uins的方向。定义Dt表征杆塔入地电流Ig方向，用Ig与时间t轴围成面积S的极性表征。取过电压发生后20μs为计算区间，利用梯形法求取该区间内电流波形与时间轴所围成区域面积S20：S20>0时Ig>0，Dt=1；S20<0时Ig<0，Dt=?1。将Di与Dt作积，定义D=DiDt，可得雷击杆塔时D=1，绕击导线时D=?1。雷电流为正极性时，同理可得相应D值，结果如表1所示。据此提出判据：D=1，雷击点位于塔顶；D=?1，雷击点位于导线。为判断Uins方向在绝缘子闪络前后是否发生改变，计算不同时间段Di的值，若DiDi5<0，说明绝缘子闪络后Uins方向发生了改变，据此可判断邻近杆塔是否发生反击闪络。
三、仿真中的若干问题
（一）感应过电压
主放电过程中，在放电通道周围空间出现强烈的脉冲磁场，处于磁场中的输电导线上将感应出与雷电流极性相反的过电压。本文未对这一过程进行仿真，但这并不影响识别判据的准确性，原因有以下2点(仍以负极性雷击为例)。1）感应过电压对导线电位产生影响：当感应分量绝对值大于耦合分量绝对值时，导线电位为正，此时杆塔有负的雷电流流过其电位为负，Uins>0；当负的耦合分量影响超过正的感应分量或无感应分量时，导线电位为负，但此时流过杆塔的雷电流幅值很高，使杆塔侧电位较导线侧低上很多，Uins仍>0，方向不变。可见，感应过电压并不影响电位差方向，即对识别判据没有影响。2）国外学者一般认为雷击杆塔时导线上的静电感应电压比较小，可以不予考虑。
（二）冲击电晕
雷电冲击波的幅值很高，在导线上将产生强烈的冲击电晕，使雷电波在传播过程中发生波形的畸变和幅值的衰减[21-22]，本文在建模时未模拟该过程。考虑到本文所提方向特征量只和波形与时间轴围成区域面积有关，并不关注波形形态上的细节，故冲击电晕不影响本文所提方法最终的识别效果。
结束语：
发生绕击或反击时，绝缘子串电位差方向不同，结合杆塔入地电流的极性，可不受雷电流极性影响判别绕击与反击。本基杆塔绝缘子串闪络，绝缘子串电位差迅速降为0，当雷击暂态过程结束后，邻近杆塔绝缘子串电位差也降为0。据此可判断闪络发生在本基杆塔还是邻近杆塔。邻近杆塔反击闪络发生前后，本基杆塔同相绝缘子两端电位差方向发生改变，据此可判断邻近杆塔是否发生反击闪络。
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