第40卷 第9期：2885-2893 2014年9月30日
DOI : 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.09.038高电压技术
High Voltage Engineering V ol.40, No.9: 2885-2893
September 30, 2014
架空输电线路雷电绕击与反击的识别
11222
杜 林，陈 寰，陈少卿，罗 涛，李建明
（1. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400030；
2. 国网四川省电力公司电力科学研究院，成都610072）
摘 要：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110 kV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。 关键词：反击；绕击；故障识别；输电线路；绝缘子串电位差；杆塔入地电流
Identification Method of Shielding Failure and Back Striking for Overhead Transmission Line
DU Lin, CHEN Huan, CHEN Shaoqing, LUO Tao, LI Jianming
(1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing
400030, China; 2. Electric Power Research Institute, State Grid Sichuan Electric Power Company, Chengdu 610072, China)
1
1
2
2
2
Abstract ：In order to identify lightning stroke faults on power transmission lines accurately, after discussing the me-chanism of back striking and shielding failure, we simulated and studied an 110 kV transmission line with multi-wave impedance tower model and a lightning simulation model established in ATP-EMTP. The results indicate that the direction of insulator voltage differs between shielding failure and back striking. When there is insulator flashover, the voltage of insulator decreases to zero, and after the transient process of lightning strike ends, the voltage of insulator on nearby tow-ers decreases to zero as well. When there is back flashover, the direction of insulator voltage on nearby tower alters. Meanwhile, the tower current can characterize the polarity of lightning current. Based on these features, insulator voltage and tower current are introduced as the characteristic indexes, and their direction and effective values are used as the rec-ognition parameters for lightning stroke identification.
Key words：shielding failure; back striking; failure recognition; power transmission line; insulator potential difference; tower grounding current
0 引言
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
[1-2]
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。文献[3]提出利用故障暂态量零模和线模比值上的差异，区分感应雷过电压和短路故障，但未系统解决如何识别直击雷的问题。文献[4]以故障发生后一段时间内零模电压的变化趋势来识别反击和绕击，该方法是针对直流输电线路提出的，在交流系统下的有效性尚待验证。文献[5]提出了磁带、磁钢棒等方式测量雷电流波形参数来实现对绕击和反击的识别，但是由于这些测量装置不能重复测量，获取数据的工作量大，需依据工作经验来做判断，易造成误判、漏判。文献[6]从三
，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。———————
基金资助项目：国家创新研究群体基金(51021005)；输配电装备及系统
安全与新技术国家重点实验室自主研究项(2007DA[1**********])。
Project supported by Funds for Innovation Research Groups of China (51021005), State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System (2007DA[1**********]).
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相电流行波出发，指出发生反击时，绝缘子闪络前，闪络相存在空间电磁耦合电流，利用电流行波波前时域特征对绕击和反击进行识别。但该方法所采用特征量基于波前的时域特征，若传感器灵敏度不高，特征信号容易被干扰湮没，造成判据失效。文献[7]利用数学形态谱从几何形状学的角度分析了反击和绕击过电压的波形特点，构造了形态谱特征量，对绕击和反击故障进行识别，但没有提出在雷击未故障条件下对2者进行区分的方法。
本文从雷击杆塔塔顶和雷电绕击导线的物理过程出发，研究输电线路遭受雷击时，线路电压各分量以及杆塔入地电流的变化，提出由绝缘子串两端电位差和杆塔入地电流表征绕击与反击在物理过程上的差异，通过2者的方向和有效值构建特征量，对绕击和反击进行识别，涵盖雷击致闪络及未闪络2种情况。EMTP-ATP 仿真计算表明，本文所提出的特征量和识别方法能对雷电绕击与反击实现有效辨识。
1 输电线路雷击机理
实测统计表明，对地放电的雷云有75%~90%是负极性的[8]
，故本文将以负极性雷击为例进行分析。规定参考方向：绝缘子串电位差U ins 由导线侧到杆塔侧为正，杆塔入地电流I g 由大地到杆塔为正。 1.1 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。图1雷击杆塔塔顶发生反击为横担处电位U a 和上述各电压分量随时间变化的示意图[9]
。纵轴-u 表示负极性电压。塔顶电位为U t ，导线电位为U c ，U i 为感应电压。避雷线与塔顶相连，与塔顶同电位。kU t 为导线从避雷线上耦合的电压，t s 为绝缘子串
图1 反击时各电压分量变化示意图
Fig.1 V ariation trend of each voltage when back striking
happens
发生闪络时刻。
在主放电初期，雷电流较小，作用于导线上的正极性感应电压U i 大于负极性的耦合电压kU t ，使导线电位U c 呈正极性。与此同时，横担处电位的绝对值要比导线电位绝对值高出很多，这是由于雷电流大部分通过被击杆塔入地而只有小部分通过避雷线等支路分流造成的
[10]
，U ins >0。此后，绝缘子串
承受的电位差随着雷电流的增大而增大。当t =t s 时，绝缘子串发生闪络，雷电流向导线泄放，由于导线的分流作用，横担处电位U a 稍有下降。同时，绝缘子串闪络后其两端电位差降为0(忽略闪络弧道压降) ，导线电位与横担处电位保持一致。此后随着雷电流值的继续增加，横担及导线处的电位也增加到最大值，其后由于雷电流的衰减以及杆塔、避雷线及导线的分流，电位逐渐下降。
对于杆塔入地电流，绝缘子闪络前，大部分雷电流通过杆塔入地，其值随雷电流的增大而增大。绝缘子闪络后，由于导线的分流作用，杆塔电流经历了一个小幅度骤降，但之后随着雷电流的增大而继续增大并达到幅值。其后由于雷电流的衰减和避雷线与导线的分流作用，其值逐渐减小。从雷击杆塔开始，杆塔中始终有雷电流流过，且方向不变，I g >0。 1.2 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。
杜 林，陈 寰，陈少卿，等：架空输电线路雷电绕击与反击的识别 2887
横担和导线电位随时间变化示意图如图2所示。绝缘子闪络前，避雷线中耦合电流流经杆塔时产生压降，横担处电位U a 与雷电流同极性。通常导线和避雷线间耦合系数在0.2左右
[11]
，耦合电流较
雷电流小很多，故横担电位U a 绝对值较导线电位绝对值U c 小很多。绝缘子串闪络时，由于杆塔和避雷线对雷电流进行了分流，故导线电位突然有所下降，同时横担处电位急剧上升，并与导线电位保持一致(忽略闪络弧道压降) 。从雷击开始到绝缘子闪络前，U ins 0。 1.3 雷击邻近杆塔
本文提出的雷电监测系统安装于线路的一基杆塔上，当雷击点位于邻近杆塔时，雷电波通过导线和避雷线传播至本基杆塔。通过上文的分析方法可以得知，雷击邻近杆塔塔顶时，本基杆塔U ins >0，I g >0；绕击邻近杆塔导线时，本基杆塔U ins 0，与雷击点位于本基杆塔有着相同的结论。
若邻近杆塔因雷击发生闪络，绝缘子串电位差降为0，导线与横担等电位(忽略闪络弧道压降) 。因雷电波波长平均只有50 μs 左右，故雷击暂态过程结束后，继电保护装置还未动作，塔身中仍有工频电流流过。工频电流幅值和等值频率较低，流经塔身时产生的压降小，故可近似认为横担与塔顶有着相同的电位，即导线与避雷线电位近似相等。本基杆塔通过避雷线及导线与被击杆塔相连，故对于本基杆塔，悬挂其上的避雷线与导线电位近似相等，U ins ≈0。
由上述分析可知，发生绕击或反击时，绝缘子串电位差方向不同；本基杆塔发生闪络，绝缘子串电位差短时内迅速降为0，雷击暂态过程结束后，邻近杆塔绝缘子串电位差也降为0。
2 输电线路雷击电磁暂态仿真
2.1 输电线路电磁暂态仿真模型
本文所采用的雷电监测系统
[12-13]
原理如图3所示。在杆塔4个塔脚套装Rogowski 线圈，通过专门模块将它们连接在一起，获得总的入地电流。非接触式过电压传感器安装于横担靠近绝缘子处，测得绝缘子串电位差。
本文基于EMTP-ATP 软件建立了110 kV输电线路仿真模型，对雷电反击和绕击时绝缘子串两端
图2 绕击导线时各电压分量变化示意图
Fig.2 V ariation trend of voltage when shielding failure happens
图3 雷电监测系统原理图
Fig.3 Scheme of lightning monitoring system
电位差和杆塔入地电流进行仿真计算。考虑到传输线的频变特性，线路采用Jmarti 频变模型
[14]
。为模
拟雷电波在输电线路中的传播特性，模型设置7基110JG3千字型转角塔，档距350 m，采用LGJ −240钢芯铝绞线，全线架设2回GJ −50避雷线。线路首端接电源，末端通过匹配阻抗接地以消除线路末端的折、反射影响。绝缘子采用压控开关模型，当绝缘子两端电位差超过其50%冲击闪络电压时绝缘子
闪络。雷电流选用2.6/50 μs 双指数波
[15]
，雷电通道
波阻抗为300 Ω。杆塔采用多波阻抗模型[16-17]
，以
模拟雷电波在杆塔传播时折、反射的影响，如图4所示，Z T i 为支柱波阻抗，Z L i 为支架波阻抗，Z A K 为横担波阻抗，R g 为接地电阻(i =1、2，K =1、2、3、4) 。
仿真计算中设定雷击点位于线路中央杆塔及距其2个档距外杆塔，如图5所示。
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图4 杆塔结构及多波阻抗模型
Fig.4 Structure and wave impedance model of the transmis-sion tower
图5 110
kV 输电线路模型 Fig.5 Model of 110 kV transmission line
2.2 雷电反击仿真
对被击杆塔绝缘子串两端过电压波形及杆塔入地电流进行仿真计算，针对未闪络和闪络情况，幅值分别取30 kA和60 kA，雷电流为负极性。
图6中，发生反击时，三相电压急剧增加，绝缘子导线侧电位高于杆塔侧，U ins >0；杆塔入地电流值短时内迅速增大，I g >0。当绝缘子串发生闪络时，如图7所示，闪络相绝缘子串两端电位差降为0，未故障相从故障相耦合干扰，发生短时高频振荡。杆塔入地电流在绝缘子串发生闪络后有一个骤降，这是雷电流向导线泄放使杆塔入地电流被分流造成的，I g >0。
设雷击点距本基杆塔2个档距，雷电流为负极性，幅值分别取30 kA和60 kA，对应绝缘子未闪络和闪络情况。
从图8可以看到，在过电压波传到本基杆塔前，绝缘子串从导线侧到杆塔侧为工频电压，当雷电波侵入后电压虽然迅速升高但幅值较低，绝缘子导线
图6 绝缘子未闪络下雷击本基杆塔塔顶时电压电流波形
Fig.6 voltage and current waveforms for base tower top is
struck by lightning with no insulator flashover
侧对地电位较杆塔侧更高，U ins >0。三相电压波形在波尾存在较大振荡，这是由于线路被分成了若干小段以及杆塔采用了多波阻抗模型，过电压波在线路及杆塔传播过程中发生多次折反射造成的。当2个档距外杆塔C 相绝缘子串发生闪络，雷电流直接注入导线，导线电位绝对值急剧升高，过电压波经由导线传至本基杆塔，本基杆塔C 相绝缘子串导线侧电位绝对值迅速增大，见图9(a)，绝缘子串两端电位差反向，且闪络相过电压幅值较未闪络相高出很多。当雷击暂态过程结束后，见图9(b)，C 相绝缘子电位差近似于0。杆塔入地电流在绝缘子串未闪络、闪络2种情况下I g >0。 2.3 雷电绕击仿真
分别对雷击点位于本基杆塔及2个档距外杆塔进行仿真计算，负极性雷击，幅值为3 kA和9 kA，分别对应绝缘子串未闪络和闪络2种情况。
图10中，雷电击中本基杆塔A 相导线，A 相绝缘子上电压骤升，B 、C 两相从A 相耦合过电压，电
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图7 绝缘子闪络下雷击本基杆塔塔顶时电压、电流波形 Fig.7 V oltage and current waveforms for base tower top is
struck by lightning with insulator flashover
压有所增加并发生短时高频振荡，绝缘子串导线侧电位较杆塔侧低，U ins 0。
图12中，当雷击点位于2个档距外时，本基杆塔得到的波形与雷击点位于本基杆塔时相似，U ins 0。邻近杆塔A 相闪络且雷击暂态过程结束后，本基杆塔A 相U ins =0。
3 反击与绕击识别判据
综合上文分析及仿真结果，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，U ins >0，I g >0； 雷击导线时，U ins 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
图8 绝缘子未闪络下雷击邻近杆塔塔顶时电压、电流波形 Fig.8 V oltage and current waveforms for nearby tower top is
struck by lightning with no insulator flashover
束后，本基杆塔U ins =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U ins >0，绝缘子串闪络后，本基杆塔U ins
基于上述特征，可根据U ins 及I g 对不同类型雷击进行区分。定义D i 表征绝缘子两端电位差U ins 方向。工程计算中，用U ins 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U ins 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1.5 μs 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S 1.5：S 1.5>0时U ins >0，D i =1；S 1.5
定义D t 表征杆塔入地电流I g 方向，用I g 与时间t 轴围成面积S 的极性表征。取过电压发生后20 μs 为计算区间，利用梯形法求取该区间内电流波形与
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图9 雷击邻近杆塔反击闪络时绝缘子两端电压波形 Fig.9 Three phase insulator voltage when back striking hap-pens on nearby tower with flashover
时间轴所围成区域面积S 20：S 20>0时I g >0，D t =1；S 20
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U ins 方向在绝缘子闪络前后是否发生改变，计算不同时间段D i 的值，若D i D i5
本基杆塔发生闪络事故后，闪络相U ins 迅速降为0；邻近杆塔一相闪络，当雷击暂态过程结束后，本基杆塔相应相U ins 也降为0。目前继电保护装置动作速度最快的约20 ms
[18]
，而雷电流波长一般为
20~100 μs ，因此在继电保护装置切除故障前雷击暂态过程已经结束。定义U Arms 、U Brms 、U Crms 为各相U ins 有效值，U 5μs 为雷击发生5 μs 后、100 μs 内各 相U ins 有效值的最小值；U 1.5ms 为雷电发生
1.5 ms
图10 绝缘子未闪络下雷击本基杆塔导线电压、电流波形 Fig.10 V oltage and current waveforms for base tower wire is
struck by lightning with no insulator flashover
表1 反击与绕击特征参数
Table 1 Identification parameters of shielding failure and
back striking
雷击类型 D i D t D =D i D t 负极性雷击杆塔 1 1
1 负极性绕击导线 −1 1
−1 正极性雷击杆塔
−1
−1 1
正极性绕击导线
1 −1 −1
后、1 ms内各相U ins 有效值的最小值，U 5 μs 表达式为：
U =⎛i rms
⎜1
∑N
⎞
1/2
⎝N U i (n ) 2, i =A,B,C (1)
n =1⎟⎠
U 5μs =min (U Arms , U Brms , U Crms ) (2)
式中：N 为采样点总个数；U i (n ) 为i 相第n 个采样点绝缘子电压；U i rms 为i 相的绝缘子电压有效值。
U 1.5 ms求法同U 5 μs 。U 5 μs 及U 1.5 ms小于设定阈值U thres 时绝缘子串闪络，据此判断本基杆塔或邻近 杆塔是否因雷击导致闪络。综合仿真结果，U thres 设
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图11 绝缘子闪络下雷击本基杆塔导线电压、电流波形 Fig.11 V oltage and current waveforms for base tower wire is
struck by lightning with insulator flashover
为0.05。
基于上述分析，形成了输电线路雷电绕击与反击识别流程，如图13所示。
4 仿真验证
本文在前述输电线路仿真模型的基础上，对本文提出的识别方法进行了大量EMTP-ATP 仿真，以验证判据的有效性。仿真中考虑了不同雷电流波形及幅值、不同雷击点条件下的绕击与反击情况，部分识别结果如表2所示。雷电流幅值60 kA及30 kA分别对应反击闪络和未闪络情况，雷电流幅值9 kA及4 kA分别对应绕击闪络和未闪络情况。
表2所示特征参数表明判别结果全部正确，本文所提方法可对110 kV输电线路绕击与反击准备识别，且不受雷电流波形和雷击点位置的影响。本文还对220 kV输电线路进行了仿真验证(篇幅所限，省略仿真结果) ，表明本文所提方法对220 kV输电线路同样适用。
图12 雷击邻近杆塔导线闪络时绝缘子两端电压波形 Fig.12 Three phase insulator voltage when lightning stroke happens nearby tower and shielding failure with flashover
图13 雷击识别流程图
Fig.13 Identification process diagram of lightning stroke
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表2 雷电绕击与反击特征参数
Table 2 Identification parameters of shielding failure and
back striking
类别 雷击点
D Di D i5
U 5 μs U 1.5 ms 2.6/50 μs 本基 1
反击闪络 2档距 1 0 0.935 0.224 反击未闪络 2档距 1 >0 0.769 0.225 2.6/50 μs 本基 −1 >0
绕击闪络 2档距 −1 >0 0.342 0.037 3档距 −1 >0 0.816 0.044 2.6/50 μs 本基 −1 >0 0.633 0.234 绕击未闪络 2档距
−1 >0 0.606 0.225
1.2/50 μs 本基 1
反击闪络 2档距 1
1.2/50 μs 本基 −1 >0
绕击闪络
2档距
−1 >0 0.298 0.031
5 仿真中的若干问题
5.1 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
[19]
。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）在图1中，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，U ins >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，U ins 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。武汉大学的莫付江等学者研究提出，雷击杆塔时由于雷电流直接通过架空线和杆塔，雷电流对导线上感应电压的影响通过导线间的耦合已经体现出来，再计入雷电通道中电流的电磁感应电压分量会造成雷电能量的重复计算
[20]
。所以仿真中忽略感应过电压符合实际
情形。
5.2 行波传输过程中的折、反射
由于在输电线路仿真模型中，多基杆塔将线路分成了多段，杆塔采用了多波阻抗模型，雷电波在
节点处将发生多次折反射，使导线电压和杆塔电流波形出现振荡。本文所提方向判据基于波形与时间轴围成区域面积，波形的振荡将对面积的极性产生影响。为了避免折反射波的影响，在计算面积时只
取波前的前1.5 μs ，经仿真验证这一方法可行有效。 5.3 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。
6 结论
1）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。
2）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。
3）本文所提方法引入绝缘子串电位差和杆塔入地电流2组特征信号，共同反映雷击物理过程，物理概念清晰直观，大量电磁暂态仿真表明该方法可对故障及未故障情况下的绕击和反击进行正确识别，且不受故障工况的影响。
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杜 林
1971—，男，博士，教授，博导
主要从事电气设备绝缘在线监测及故障诊断，数字化测量技术的教学和科研工作 电话：(023)65111172-8221 E-mail: [email protected]
DU Lin Ph.D., Professor
陈 寰
1988—，男，硕士生
主要从事电力系统过电压监测及模式识别研究E-mail: [email protected]
CHEN Huan
收稿日期 2014-02-06 修回日期 2014-07-11 编辑 曾文君
第40卷 第9期：2885-2893 2014年9月30日
DOI : 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.09.038高电压技术
High Voltage Engineering V ol.40, No.9: 2885-2893
September 30, 2014
架空输电线路雷电绕击与反击的识别
11222
杜 林，陈 寰，陈少卿，罗 涛，李建明
（1. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400030；
2. 国网四川省电力公司电力科学研究院，成都610072）
摘 要：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110 kV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。 关键词：反击；绕击；故障识别；输电线路；绝缘子串电位差；杆塔入地电流
Identification Method of Shielding Failure and Back Striking for Overhead Transmission Line
DU Lin, CHEN Huan, CHEN Shaoqing, LUO Tao, LI Jianming
(1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing
400030, China; 2. Electric Power Research Institute, State Grid Sichuan Electric Power Company, Chengdu 610072, China)
1
1
2
2
2
Abstract ：In order to identify lightning stroke faults on power transmission lines accurately, after discussing the me-chanism of back striking and shielding failure, we simulated and studied an 110 kV transmission line with multi-wave impedance tower model and a lightning simulation model established in ATP-EMTP. The results indicate that the direction of insulator voltage differs between shielding failure and back striking. When there is insulator flashover, the voltage of insulator decreases to zero, and after the transient process of lightning strike ends, the voltage of insulator on nearby tow-ers decreases to zero as well. When there is back flashover, the direction of insulator voltage on nearby tower alters. Meanwhile, the tower current can characterize the polarity of lightning current. Based on these features, insulator voltage and tower current are introduced as the characteristic indexes, and their direction and effective values are used as the rec-ognition parameters for lightning stroke identification.
Key words：shielding failure; back striking; failure recognition; power transmission line; insulator potential difference; tower grounding current
0 引言
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
[1-2]
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。文献[3]提出利用故障暂态量零模和线模比值上的差异，区分感应雷过电压和短路故障，但未系统解决如何识别直击雷的问题。文献[4]以故障发生后一段时间内零模电压的变化趋势来识别反击和绕击，该方法是针对直流输电线路提出的，在交流系统下的有效性尚待验证。文献[5]提出了磁带、磁钢棒等方式测量雷电流波形参数来实现对绕击和反击的识别，但是由于这些测量装置不能重复测量，获取数据的工作量大，需依据工作经验来做判断，易造成误判、漏判。文献[6]从三
，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。———————
基金资助项目：国家创新研究群体基金(51021005)；输配电装备及系统
安全与新技术国家重点实验室自主研究项(2007DA[1**********])。
Project supported by Funds for Innovation Research Groups of China (51021005), State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System (2007DA[1**********]).
2886 40(9) 高电压技术 2014,
相电流行波出发，指出发生反击时，绝缘子闪络前，闪络相存在空间电磁耦合电流，利用电流行波波前时域特征对绕击和反击进行识别。但该方法所采用特征量基于波前的时域特征，若传感器灵敏度不高，特征信号容易被干扰湮没，造成判据失效。文献[7]利用数学形态谱从几何形状学的角度分析了反击和绕击过电压的波形特点，构造了形态谱特征量，对绕击和反击故障进行识别，但没有提出在雷击未故障条件下对2者进行区分的方法。
本文从雷击杆塔塔顶和雷电绕击导线的物理过程出发，研究输电线路遭受雷击时，线路电压各分量以及杆塔入地电流的变化，提出由绝缘子串两端电位差和杆塔入地电流表征绕击与反击在物理过程上的差异，通过2者的方向和有效值构建特征量，对绕击和反击进行识别，涵盖雷击致闪络及未闪络2种情况。EMTP-ATP 仿真计算表明，本文所提出的特征量和识别方法能对雷电绕击与反击实现有效辨识。
1 输电线路雷击机理
实测统计表明，对地放电的雷云有75%~90%是负极性的[8]
，故本文将以负极性雷击为例进行分析。规定参考方向：绝缘子串电位差U ins 由导线侧到杆塔侧为正，杆塔入地电流I g 由大地到杆塔为正。 1.1 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。图1雷击杆塔塔顶发生反击为横担处电位U a 和上述各电压分量随时间变化的示意图[9]
。纵轴-u 表示负极性电压。塔顶电位为U t ，导线电位为U c ，U i 为感应电压。避雷线与塔顶相连，与塔顶同电位。kU t 为导线从避雷线上耦合的电压，t s 为绝缘子串
图1 反击时各电压分量变化示意图
Fig.1 V ariation trend of each voltage when back striking
happens
发生闪络时刻。
在主放电初期，雷电流较小，作用于导线上的正极性感应电压U i 大于负极性的耦合电压kU t ，使导线电位U c 呈正极性。与此同时，横担处电位的绝对值要比导线电位绝对值高出很多，这是由于雷电流大部分通过被击杆塔入地而只有小部分通过避雷线等支路分流造成的
[10]
，U ins >0。此后，绝缘子串
承受的电位差随着雷电流的增大而增大。当t =t s 时，绝缘子串发生闪络，雷电流向导线泄放，由于导线的分流作用，横担处电位U a 稍有下降。同时，绝缘子串闪络后其两端电位差降为0(忽略闪络弧道压降) ，导线电位与横担处电位保持一致。此后随着雷电流值的继续增加，横担及导线处的电位也增加到最大值，其后由于雷电流的衰减以及杆塔、避雷线及导线的分流，电位逐渐下降。
对于杆塔入地电流，绝缘子闪络前，大部分雷电流通过杆塔入地，其值随雷电流的增大而增大。绝缘子闪络后，由于导线的分流作用，杆塔电流经历了一个小幅度骤降，但之后随着雷电流的增大而继续增大并达到幅值。其后由于雷电流的衰减和避雷线与导线的分流作用，其值逐渐减小。从雷击杆塔开始，杆塔中始终有雷电流流过，且方向不变，I g >0。 1.2 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。
杜 林，陈 寰，陈少卿，等：架空输电线路雷电绕击与反击的识别 2887
横担和导线电位随时间变化示意图如图2所示。绝缘子闪络前，避雷线中耦合电流流经杆塔时产生压降，横担处电位U a 与雷电流同极性。通常导线和避雷线间耦合系数在0.2左右
[11]
，耦合电流较
雷电流小很多，故横担电位U a 绝对值较导线电位绝对值U c 小很多。绝缘子串闪络时，由于杆塔和避雷线对雷电流进行了分流，故导线电位突然有所下降，同时横担处电位急剧上升，并与导线电位保持一致(忽略闪络弧道压降) 。从雷击开始到绝缘子闪络前，U ins 0。 1.3 雷击邻近杆塔
本文提出的雷电监测系统安装于线路的一基杆塔上，当雷击点位于邻近杆塔时，雷电波通过导线和避雷线传播至本基杆塔。通过上文的分析方法可以得知，雷击邻近杆塔塔顶时，本基杆塔U ins >0，I g >0；绕击邻近杆塔导线时，本基杆塔U ins 0，与雷击点位于本基杆塔有着相同的结论。
若邻近杆塔因雷击发生闪络，绝缘子串电位差降为0，导线与横担等电位(忽略闪络弧道压降) 。因雷电波波长平均只有50 μs 左右，故雷击暂态过程结束后，继电保护装置还未动作，塔身中仍有工频电流流过。工频电流幅值和等值频率较低，流经塔身时产生的压降小，故可近似认为横担与塔顶有着相同的电位，即导线与避雷线电位近似相等。本基杆塔通过避雷线及导线与被击杆塔相连，故对于本基杆塔，悬挂其上的避雷线与导线电位近似相等，U ins ≈0。
由上述分析可知，发生绕击或反击时，绝缘子串电位差方向不同；本基杆塔发生闪络，绝缘子串电位差短时内迅速降为0，雷击暂态过程结束后，邻近杆塔绝缘子串电位差也降为0。
2 输电线路雷击电磁暂态仿真
2.1 输电线路电磁暂态仿真模型
本文所采用的雷电监测系统
[12-13]
原理如图3所示。在杆塔4个塔脚套装Rogowski 线圈，通过专门模块将它们连接在一起，获得总的入地电流。非接触式过电压传感器安装于横担靠近绝缘子处，测得绝缘子串电位差。
本文基于EMTP-ATP 软件建立了110 kV输电线路仿真模型，对雷电反击和绕击时绝缘子串两端
图2 绕击导线时各电压分量变化示意图
Fig.2 V ariation trend of voltage when shielding failure happens
图3 雷电监测系统原理图
Fig.3 Scheme of lightning monitoring system
电位差和杆塔入地电流进行仿真计算。考虑到传输线的频变特性，线路采用Jmarti 频变模型
[14]
。为模
拟雷电波在输电线路中的传播特性，模型设置7基110JG3千字型转角塔，档距350 m，采用LGJ −240钢芯铝绞线，全线架设2回GJ −50避雷线。线路首端接电源，末端通过匹配阻抗接地以消除线路末端的折、反射影响。绝缘子采用压控开关模型，当绝缘子两端电位差超过其50%冲击闪络电压时绝缘子
闪络。雷电流选用2.6/50 μs 双指数波
[15]
，雷电通道
波阻抗为300 Ω。杆塔采用多波阻抗模型[16-17]
，以
模拟雷电波在杆塔传播时折、反射的影响，如图4所示，Z T i 为支柱波阻抗，Z L i 为支架波阻抗，Z A K 为横担波阻抗，R g 为接地电阻(i =1、2，K =1、2、3、4) 。
仿真计算中设定雷击点位于线路中央杆塔及距其2个档距外杆塔，如图5所示。
2888 40(9)
高电压技术 2014,
图4 杆塔结构及多波阻抗模型
Fig.4 Structure and wave impedance model of the transmis-sion tower
图5 110
kV 输电线路模型 Fig.5 Model of 110 kV transmission line
2.2 雷电反击仿真
对被击杆塔绝缘子串两端过电压波形及杆塔入地电流进行仿真计算，针对未闪络和闪络情况，幅值分别取30 kA和60 kA，雷电流为负极性。
图6中，发生反击时，三相电压急剧增加，绝缘子导线侧电位高于杆塔侧，U ins >0；杆塔入地电流值短时内迅速增大，I g >0。当绝缘子串发生闪络时，如图7所示，闪络相绝缘子串两端电位差降为0，未故障相从故障相耦合干扰，发生短时高频振荡。杆塔入地电流在绝缘子串发生闪络后有一个骤降，这是雷电流向导线泄放使杆塔入地电流被分流造成的，I g >0。
设雷击点距本基杆塔2个档距，雷电流为负极性，幅值分别取30 kA和60 kA，对应绝缘子未闪络和闪络情况。
从图8可以看到，在过电压波传到本基杆塔前，绝缘子串从导线侧到杆塔侧为工频电压，当雷电波侵入后电压虽然迅速升高但幅值较低，绝缘子导线
图6 绝缘子未闪络下雷击本基杆塔塔顶时电压电流波形
Fig.6 voltage and current waveforms for base tower top is
struck by lightning with no insulator flashover
侧对地电位较杆塔侧更高，U ins >0。三相电压波形在波尾存在较大振荡，这是由于线路被分成了若干小段以及杆塔采用了多波阻抗模型，过电压波在线路及杆塔传播过程中发生多次折反射造成的。当2个档距外杆塔C 相绝缘子串发生闪络，雷电流直接注入导线，导线电位绝对值急剧升高，过电压波经由导线传至本基杆塔，本基杆塔C 相绝缘子串导线侧电位绝对值迅速增大，见图9(a)，绝缘子串两端电位差反向，且闪络相过电压幅值较未闪络相高出很多。当雷击暂态过程结束后，见图9(b)，C 相绝缘子电位差近似于0。杆塔入地电流在绝缘子串未闪络、闪络2种情况下I g >0。 2.3 雷电绕击仿真
分别对雷击点位于本基杆塔及2个档距外杆塔进行仿真计算，负极性雷击，幅值为3 kA和9 kA，分别对应绝缘子串未闪络和闪络2种情况。
图10中，雷电击中本基杆塔A 相导线，A 相绝缘子上电压骤升，B 、C 两相从A 相耦合过电压，电
杜 林，陈 寰，陈少卿，等：架空输电线路雷电绕击与反击的识别 2889
图7 绝缘子闪络下雷击本基杆塔塔顶时电压、电流波形 Fig.7 V oltage and current waveforms for base tower top is
struck by lightning with insulator flashover
压有所增加并发生短时高频振荡，绝缘子串导线侧电位较杆塔侧低，U ins 0。
图12中，当雷击点位于2个档距外时，本基杆塔得到的波形与雷击点位于本基杆塔时相似，U ins 0。邻近杆塔A 相闪络且雷击暂态过程结束后，本基杆塔A 相U ins =0。
3 反击与绕击识别判据
综合上文分析及仿真结果，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，U ins >0，I g >0； 雷击导线时，U ins 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
图8 绝缘子未闪络下雷击邻近杆塔塔顶时电压、电流波形 Fig.8 V oltage and current waveforms for nearby tower top is
struck by lightning with no insulator flashover
束后，本基杆塔U ins =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U ins >0，绝缘子串闪络后，本基杆塔U ins
基于上述特征，可根据U ins 及I g 对不同类型雷击进行区分。定义D i 表征绝缘子两端电位差U ins 方向。工程计算中，用U ins 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U ins 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1.5 μs 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S 1.5：S 1.5>0时U ins >0，D i =1；S 1.5
定义D t 表征杆塔入地电流I g 方向，用I g 与时间t 轴围成面积S 的极性表征。取过电压发生后20 μs 为计算区间，利用梯形法求取该区间内电流波形与
2890 40(9)
高电压技术 2014,
图9 雷击邻近杆塔反击闪络时绝缘子两端电压波形 Fig.9 Three phase insulator voltage when back striking hap-pens on nearby tower with flashover
时间轴所围成区域面积S 20：S 20>0时I g >0，D t =1；S 20
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U ins 方向在绝缘子闪络前后是否发生改变，计算不同时间段D i 的值，若D i D i5
本基杆塔发生闪络事故后，闪络相U ins 迅速降为0；邻近杆塔一相闪络，当雷击暂态过程结束后，本基杆塔相应相U ins 也降为0。目前继电保护装置动作速度最快的约20 ms
[18]
，而雷电流波长一般为
20~100 μs ，因此在继电保护装置切除故障前雷击暂态过程已经结束。定义U Arms 、U Brms 、U Crms 为各相U ins 有效值，U 5μs 为雷击发生5 μs 后、100 μs 内各 相U ins 有效值的最小值；U 1.5ms 为雷电发生
1.5 ms
图10 绝缘子未闪络下雷击本基杆塔导线电压、电流波形 Fig.10 V oltage and current waveforms for base tower wire is
struck by lightning with no insulator flashover
表1 反击与绕击特征参数
Table 1 Identification parameters of shielding failure and
back striking
雷击类型 D i D t D =D i D t 负极性雷击杆塔 1 1
1 负极性绕击导线 −1 1
−1 正极性雷击杆塔
−1
−1 1
正极性绕击导线
1 −1 −1
后、1 ms内各相U ins 有效值的最小值，U 5 μs 表达式为：
U =⎛i rms
⎜1
∑N
⎞
1/2
⎝N U i (n ) 2, i =A,B,C (1)
n =1⎟⎠
U 5μs =min (U Arms , U Brms , U Crms ) (2)
式中：N 为采样点总个数；U i (n ) 为i 相第n 个采样点绝缘子电压；U i rms 为i 相的绝缘子电压有效值。
U 1.5 ms求法同U 5 μs 。U 5 μs 及U 1.5 ms小于设定阈值U thres 时绝缘子串闪络，据此判断本基杆塔或邻近 杆塔是否因雷击导致闪络。综合仿真结果，U thres 设
杜 林，陈 寰，陈少卿，等：架空输电线路雷电绕击与反击的识别 2891
图11 绝缘子闪络下雷击本基杆塔导线电压、电流波形 Fig.11 V oltage and current waveforms for base tower wire is
struck by lightning with insulator flashover
为0.05。
基于上述分析，形成了输电线路雷电绕击与反击识别流程，如图13所示。
4 仿真验证
本文在前述输电线路仿真模型的基础上，对本文提出的识别方法进行了大量EMTP-ATP 仿真，以验证判据的有效性。仿真中考虑了不同雷电流波形及幅值、不同雷击点条件下的绕击与反击情况，部分识别结果如表2所示。雷电流幅值60 kA及30 kA分别对应反击闪络和未闪络情况，雷电流幅值9 kA及4 kA分别对应绕击闪络和未闪络情况。
表2所示特征参数表明判别结果全部正确，本文所提方法可对110 kV输电线路绕击与反击准备识别，且不受雷电流波形和雷击点位置的影响。本文还对220 kV输电线路进行了仿真验证(篇幅所限，省略仿真结果) ，表明本文所提方法对220 kV输电线路同样适用。
图12 雷击邻近杆塔导线闪络时绝缘子两端电压波形 Fig.12 Three phase insulator voltage when lightning stroke happens nearby tower and shielding failure with flashover
图13 雷击识别流程图
Fig.13 Identification process diagram of lightning stroke
2892
40(9) 高电压技术 2014,
表2 雷电绕击与反击特征参数
Table 2 Identification parameters of shielding failure and
back striking
类别 雷击点
D Di D i5
U 5 μs U 1.5 ms 2.6/50 μs 本基 1
反击闪络 2档距 1 0 0.935 0.224 反击未闪络 2档距 1 >0 0.769 0.225 2.6/50 μs 本基 −1 >0
绕击闪络 2档距 −1 >0 0.342 0.037 3档距 −1 >0 0.816 0.044 2.6/50 μs 本基 −1 >0 0.633 0.234 绕击未闪络 2档距
−1 >0 0.606 0.225
1.2/50 μs 本基 1
反击闪络 2档距 1
1.2/50 μs 本基 −1 >0
绕击闪络
2档距
−1 >0 0.298 0.031
5 仿真中的若干问题
5.1 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
[19]
。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）在图1中，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，U ins >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，U ins 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。武汉大学的莫付江等学者研究提出，雷击杆塔时由于雷电流直接通过架空线和杆塔，雷电流对导线上感应电压的影响通过导线间的耦合已经体现出来，再计入雷电通道中电流的电磁感应电压分量会造成雷电能量的重复计算
[20]
。所以仿真中忽略感应过电压符合实际
情形。
5.2 行波传输过程中的折、反射
由于在输电线路仿真模型中，多基杆塔将线路分成了多段，杆塔采用了多波阻抗模型，雷电波在
节点处将发生多次折反射，使导线电压和杆塔电流波形出现振荡。本文所提方向判据基于波形与时间轴围成区域面积，波形的振荡将对面积的极性产生影响。为了避免折反射波的影响，在计算面积时只
取波前的前1.5 μs ，经仿真验证这一方法可行有效。 5.3 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。
6 结论
1）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。
2）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。
3）本文所提方法引入绝缘子串电位差和杆塔入地电流2组特征信号，共同反映雷击物理过程，物理概念清晰直观，大量电磁暂态仿真表明该方法可对故障及未故障情况下的绕击和反击进行正确识别，且不受故障工况的影响。
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DU Lin Ph.D., Professor
陈 寰
1988—，男，硕士生
主要从事电力系统过电压监测及模式识别研究E-mail: [email protected]
CHEN Huan
收稿日期 2014-02-06 修回日期 2014-07-11 编辑 曾文君