输变电保护与控制论文 2.doc

输变电保护与控制论文2《输变电系统及其保护与控制》论文雷击行波对输电线路的影响及其保护措施摘 要：掌握超高压、高压输电线路上雷电冲击发生的位置和频次等信息，对输电线路 的防雷保护及系统运行水平的提高具有重要的理论和现实意义，故而利用现有可检测与定 位线路雷击的行波测距装置，提出了一种基于小波包能量谱和暂态行波特征分析的雷击与 短路故障识别方法通过对500kV输电线路的非故障性雷击、故障性雷击以及普通短路 故障的仿真研究，提取出电流行波信号的特征和信号各频段的能量分布规律，结合这些特 征和规律提出了对3种暂态过程进行识别和分类的具体算法EM TDC仿真验证了该算法 的正确性关键词：输电线路；雷击；短路故障；行波；引言超高压输电线路距离长，跨度大，分布面积广，地理和气象条件都非常复杂，所以雷击 的儿率较高，雷击事件时有发生运行资料表明，雷击是造成高电压输电线路停电的主要 原因之一雷击难以预测，故应用传统方法搜集与掌握雷电分布，雷电流概率等基木参数 具有明显的局限性；采用雷击定位系统对线路雷击发生的频次和位置进行检测室可行和右 效的，但需路沿线建立多个探测站测定放电辐射的电磁波，投资较大，旦据国内外相 关文献介绍，实际测距误差（在1〜3 km内）存在明显的地区差异［2 ,3 ］。

行波测距法通 过检测短路故障暂态行波到达母线的时刻进行测距，定位速度快、准确度高，国内外已 做了大量究［4211 ］雷击也会产生暂态行波，因此行波测距可检测出线路上的雷电冲 击，文［12 ］提出可利用行波测距装置进行输电线上雷击点的定位但现有行波测距装置 尚不具备识别输电线路非故障性雷击、故障性雷击和普通短路故障的能力，故研究输电 线路宜击雷的初态特性，并将其与普通短路故障区分开来具有实际研究意义文［1 ］提 出通过比较雷击前后电流变化量大小来判断雷击是否导致线路短路，但该方法受雷电流幅 值和波头变化的影响较大，且不能区分雷击与普通短路故障;文［13 ］利用暂态行波波形特 征来区分不同性质的雷击与短路故障，其识别能力较文［1 ］的方法有了较大提高，但该 算法建立的特征量模型较复杂旦受雷电流波形变化的影响较大，不易整定区分判据文［14 ］利用故障电流附加分量高低频能量的比值关系构成判据来识别雷击与普通短路， 但分析表明，非故障性雷击与普通短路故障暂态电流的高低频分量能量比值十分接近,1 /8同样存在区分判据难以准确确定的问题木文基于现有行波测距装置的记录数据，通过 对非故障性雷击、故障性雷击、普通短路故障的电流行波信号特征的提取，利用其小波包 能量谱和暂态行波特征相结合的方法对儿种暂态过程进行识别。

EM TDC仿真证明了该方 法的正确性，有望应用于超高压输电线路的雷击识别1输电线路雷击过电压与雷电模型1 . 1输电线路雷击过电压的形成与分类按过电压的物理过程，雷击过电压可分为宜击雷过电压利感应雷过电压，按雷击位置的不同，宜击雷过电压又可分为反击和绕击无论哪种雷击，路上的传播方式 及产生的波形都是相同的感应雷过电压是电磁感应在导线上产生的过电压，一般其幅 值W500kV运行经验表明，直击雷过电压对电力系统的危害最大，感应雷过电压只对 W35kV的线路有威胁，因此木文只考虑宜击雷过冲击的影响1 . 2雷电模型实测表明，雷电流i的波头时间为1〜5 us，平均约2〜2 . 5 us ;波长时间—般为20〜100 ns，平均约50us我国防雷计算一般采用波头2 . 6ns、波长 50 us的标准雷电冲击波形，记为2 . 6/ 50 us木文采用下式所示的标准双指数雷 电波模拟雷击线路时产生的雷电流波形（见图1）:i = A I （e - a t - e~ Bt）,式中，I为雷电流的峰值；常数A、a和0由雷电流的波形确定图1雷电流波形2雷电冲击与短路故障行波特征输电线路遭受雷击或发生故障时，在故障点将产生向两侧母线运动的行波。

线路上的行 波传播旦到达两个不同波阻抗线路的连接点或到这接有集中参数的节点时，行波就会发生 折射、反射（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2 /8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中 就含有雷击点的初始行波、故障点反射行波和母线的反射行波故障发生路前半段时 （相对于近端母线），故障点的反射波先到达；故障发生路后半段时，对端母线的反射 波先到达.当线路上发生非故障性雷击时，因未引起线路故障，雷击点的线路波阻抗是连 续的，行波在雷击点没有折反射,故测量信号中不会有故障点的反射行波图2行波网格图采用500kV超高压输电系统（见图3 ）进行EM TDC仿真分析测量线路全长180 km，采用频率相关模型，采样频率为100 k Hz ;雷电流采用标准2 . 6/ 50 U s波形， 对应非故障雷击和故障性雷击，雷电流幅值分别取5、25 kA ;雷击和故障点距M端60 km ,取2 ms的数据进行分析雷击和短路故障发生路前半段时，相应母线处的行波 测距装置检测到的3种暂态过程的电流行波线模信号见图4 ,可见当发生故障性雷击或 普通短路故障时，线路近端母线处捕获的前两个电流行波波头分别为雷击或故障的初始行 波和故障点的反射行波；当发生非故障性雷击时，因在雷击点没有行波的折反射，故前两 个行波波头分别为雷击初始行波和对端母线的反射行波。

据此，可通过分析线路近端母线 处捕获的第2个行波波头的性质，判断线路是否发生非故障性雷击图3 500kV仿真系统线路模型3 /8220km MZ^500kV, 180km220km[♦-60k mT图4 3种暂态过程的电流行波信号3所态过程的小波包能量谱分析3. 1信号的小波包分解及小波包能量谱小波变换多分辨率分析是对采样信号V 0二进频带划分［16 ］，信号先分解为细节空间 W1 （高频空间）和大尺度逼近空间VI （低频空间），V1再进一步分解，如此重复即得任意尺 度上的逼近空间、细节空间V 0 =V 1 Y W1 =V 2 Y W2 Y W1 =V 3 Y W3 Y W2 Y W1 =…可见，小波分解没有对信号高频空间进行再分解,因此不能提高高频空间的频率分 辨率，而小波包正好弥补了这一•不足，比小波分解具有更好的局部化性能，使分解更加精 细小波包将高频空间再分解为U空间，即低频子空间UOj = V j ,高频子空间Ulj二 W j，其中 j UZ（整数集）因 V j = V j + 1 Y W j + 1，故 Unj = U2 nj+1 Y U2 n+lj+1 , n EZ+（正整数集）。

小波包分解的一般表达式为W j = U2j+1 Y U3j+1 ,W j = U4j+2 Y U5j+2 Y U6j+2 Y U7j+2 , W j = U2 kj+k Y U2 k+lj+k Y ・・・Y U2 k+1- 1 j+k p可见，小波包变换将细节空间W j进一步分解,将频带j按二进方式细分为2k个子频 带，提高了高频空间的频率分辨率对信号进行小波包变换后，各尺度小波系数的平方和 可表示信号在这个频带内的能量［8 ］0对任一频带内的信号，其小波包变换结果为{ w （k） | k = 1 ,2 ,…，n} , n为该频带信号序列长度，其能量为E = Snk =1 w （ k） 12小波包能量谱分析是将信号能量分解在频率范围相同的不同频率空间根据信号在 不同频段上的能量分布特点，对信号的特性进行分析就能实现对不同暂态信号的有效识 别3. 2线路各种暂态信号的小波包能量谱分析输电线路遭受非故障性雷击、故障性雷击 和短路故障后，其暂态电流信号在不同频率段的能量分布有较大的不同本文利用小波包 分解来提取这3种暂态电流信号在不同频率段的能量分布特点考虑到需满足小波的光滑 性好和支撑集短的要求，选用DB8小波进行4层小波包分解对应100kHz的采样频率， 分析的频率范围为0〜50kIIz，按照小波包频率二分原理,4层小波包分解将整个分析频 带划分为16个频段，每个频段的宽度为3125IIZ。

小波包分解后各频带的宽度相同，按 各频带能量在总能量中所占的比重K作出一•系列直方图，各直方图的高度和为lo 3种暂 态电流信号（见图4）的小波包能量谱分析结果见图5输电线路发生非故障性雷击时，行 波测距装置检测到的暂态电流包含工频分量和雷击高频分量这时雷电流幅值通常较在2 ms的时间窗内，暂态电流高频分量的K很小;而低频分量（主要是0〜3125Hz）的K则相当大（见图5 （a） ） o发生普通短路故障时，暂态电流主要包含短路点的附加工频电源和系统的工频分量此时电流信号的低频分量的K远远大于高频分量，0〜3125Hz频 段的K > 95 %（见图5 （c））图5暂态电流信号的小波包能量谱发生故障性雷击时，暂态电流同时具有短路故障和非故障性雷击的特征但此时的雷电 流幅值特别大，同时乂伴随有雷击故障时的截波作用，使N3kHz的高频段能量的K相当 大，而低频段能量的K明显减小，对于本例约40 %（见图5 （b） ） o大量仿真分析还发 现，对于雷击线路而言，各频段能量的K与雷电流幅值大小也有一定关系雷电流幅值越 大，高频段能量的K也越大，相应低频段能量的K则减小而普通短路故障的能量分布 特点则基本不受接地电阻大小、故障相角和故障类型等因素的影响，低频段能量的K > 95 %。

通过分析可见，比较不同暂态信号能量在各频段的分布情况，可对输电线路的故障 性雷击和普通短路故障进行有效识别4雷电冲击与故障的识别与分类上节的分析表明，对非故障性雷击、故障性雷击和普通短路故障，行波测距装置检测 的电流行波信号呈现不同特征，电流信号各频段的能量分布也不同，据此可识别出雷电冲 击与普通线路故障，识别步骤（其流程图见图6）如下：步骤1判别线路是否发生故障利用双端行波测距装置，在同步采样的条件下，通过 比较初始行波到达M、N端母线的时刻tM、tN的先后，判断出离扰动点近的一端母 线例如，若tN > tM ,则M端母线离扰动点近分析近端母线处测得的电流行波信5 /8号，利用文［8 ,9 ］提出的比较行波波头极性的方.法，判定测距装置检测到的第2个 行波波头是对端母线反射的行波还是故障点的反射行波若是前者，则线路发生非故障性 雷击，将此雷击记录下来;若是后者，则线路某处发生故障，识别算法白动进入下面的步 骤步骤2判别线路发生的是故障性雷击还是普通短路故障对所测得的电流信号进行4 层小波包分解，分析信号的小波包能量谱，若信号低频段（O、3125Hz）能量的K < KO （ K0 为设定的门槛值），则判定该线路发生故障性雷击，将此雷击记录下来;若K > K0，则判定 线路发生普通短路故障。

考虑到雷击的不确定性，不同雷击时低频段能量的K变化相对较 大，而对于系统的短路故障，其低频段能量的K较为稳定，故K0的值应取偏大些，木文 取K0 =019，大量仿真表明该门槛值合适此外，分析表明选取2ms的信号数据进行分析 是合适的若信号时间窗选得太长，则由于高频段分量衰减较快，低频段能量的K增加， 将会导致识别出错5仿真分析及结果对图3所示的系统进行大量EMTDC仿真分析，仿真信号的数据处理通过MA TLAB完 成在不同的短路过渡电阻R、故障相角雷电流峰值I和波形等情况下的部分仿 真识别结果见表1由表1可见，本文提出的算法能准确、可靠地区分出输电线上的各种雷击利短路故障，且不受0、R、I等因素的影响，这为利用行波测距装置在完成故障 定位的同时统计雷电数据提供了条件o6结论a) 现有行•波测距装置能百效地检测到超高压输电线路上的各种雷电冲击与普通短路故 障，若其能将雷击与普通短路故障区分。