雷击与普通短路故障引起的电压凹陷特征研究.pdf

中国电机工程学会第十届青年学术会议 · 吉林 - 703 -雷击与普通短路故障引起的电压凹陷特征研究 李 逢 肖先勇 (四川省电机工程学会川大分会 四川 成都 610065) 摘 要： 为了提取雷击引起的电压凹陷特征，分析与普通短路故障引起电压凹陷的区别，文中基于电磁暂态仿真系统PSCAD/EMTDC， 对雷击引起的电压凹陷与普通短路故障引起的电压凹陷进行仿真 以IEEE RBTS－6标准测试系统为仿真对象，考虑母线是否加装避雷器两种情况研究证明，无论在哪种短路故障情况下，雷击引起的电压凹陷与普通短路故障电压凹陷相比，凹陷深度一致，持续时间略短，且两者的凹陷波形特征不同母线设置避雷器后，雷击引起的电压凹陷持续时间增加，但短于普通故障引起的电压凹陷持续时间，证明系统的过电压保护装置会影响电压凹陷的特征现有电能质量监测仪器可监测母线电压波形，为通过电压波形分析辨识引起凹陷的原因提供了理论基础 关键词 ：雷击；短路故障；电压凹陷；避雷器；波形特征；PSCAD/EMTDC 0 引言 输电线路距离长，地理分布广，易受雷击据电网故障分类统计表明，雷击引起高压线路总跳闸次数的 40%~70%[1]。

当雷电击到输电线路，造成短路故障，引起母线电压凹陷 国际电气与电子工程师学会（IEEE）将电压凹陷定义为供电电压有效值下降到额定值的 90%~10%，持续时间为 0.5 个周期到1min[2]电压凹陷出现频繁引起电能质量许多问题而得到越来越多关注电压凹陷主要由短路故障引起雷击故障在电网故障中所占比例很大，是造成母线电压凹陷的重要原因现有研究大都把雷击引起的故障与普通短路故障同等对待，以分析和研究其引起的电压凹陷但不同的故障原因，引起的电压凹陷特征不一样，造成的影响也有区别，因此，有必要深入研究雷击引起的电压凹陷的特征 雷击对电压凹陷的影响， 国外研究人员已有一定研究[3]~[10] 最早关注雷击故障对系统设备运行的影响，分析雷击导致的电压凹陷相关特征，以及产生的谐波对设备的影响[3][4]2002 年，有学者认为仅考虑雷击引起凹陷对设备的影响不能反映对系统的影响，因此，根据地面落雷密度评估雷击引起的电压凹陷分布特征，从而评估对系统的影响[5]为了具体考察雷击对电压凹陷的影响程度，北美雷电监测网络（North American Lightning Detection Network，NALDN）收集多年雷电数据，将 NALDN 数据与电压 凹陷数据制成数据库，考察两者相关性[6][7]。

更多研究人员研究电压凹陷时，都考虑了雷击的影响因素[8]~[10]但现有研究中认为雷击引起的电压凹陷与普通短路故障引起的电压凹陷特征一致，在仿真评估时没有区分，都以普通短路故障引起的电压凹陷为模型进行评估雷击线路会产生大气过电压，一般研究仅关心大气过电压是否造成绝缘闪络，对系统和设备有多大危害，并不研究雷击对系统中非故障部分造成的影响雷击后雷电波在系统中传播，必然会影响系统非故障部分，电压凹陷特征可反映雷电波的影响情况根据设计规程，不同的电压等级会设置不同的保护措施保护设备的设置情况，也会影响电压凹陷特征 本文重点分析雷击引起电压凹陷特征，分析与普通短路故障引起的电压凹陷特征区别，同时考虑母线是否加装避雷器，考察雷击对电压凹陷特征影响程度现有的电能质量监测仪器可装设在母线节点上，纪录母线电压波形考虑雷击因素，更精确分析电压凹陷波形特征，为通过电压凹陷波形来判别引起凹陷原因提供理论基础 1 雷击引起电压凹陷的原理 输电线路落雷后，雷电流超过线路的耐雷水平，线路绝缘发生冲击闪络，雷电流沿闪络通道入地，由于时间仅几十微妙，线路开关来不及动作，工频短路电流继续流过闪络通道并建立起稳定电弧持续燃烧，形成接地故障，线路将跳闸。

线路雷击后产生雷电行波在系统中传播系统中各节点电压由于行波传播与折反射会上升波动当绝缘子闪络造成接地故障后， 工频短路电流必将引起电压凹陷在系统中传播， 节点电压在上升波动后再下降 电压凹陷的特征与故障类型有关一般研究电压凹陷的短路故障类型包括单相接地短路、两相接地短路、两相短路和三相接地短路雷击引起的故障 90%以上都是单相接地故障，考虑雷击会在三相导线上产生大气过电压，因此有造成两相接地故障和三相接地故障的可能性雷击故障中工频短路电流沿闪络通道入地，因此绝大多数为接地故障，发生两相故障几率很小国外相关文献考虑雷击故障类型中并未考虑两相故障[5]，因此，本文研究雷击故障类型时仅考虑单相接地故障，两相接地故障和三相接地故障 相关设计规程规定[11]，各发电厂与变电站会设置保护措施降低由雷击带来的冲击危害发电厂与变电中国电机工程学会第十届青年学术会议 · 吉林 - 704 -站在站内会设置避雷器来降低雷电侵入波过电压的影响本文选择氧化锌避雷器作为母线的保护措施 2 仿真模型 2．1 系统模型 本文采用电力系统暂态仿真软件 PSCAD/EMTDC 进行仿真以 IEEE RBTS—6母线测试系统为基本模型，相关参数见文献[12]。

图 1 IEEE RBTS—6 仿真模型 雷击闪络后造成的故障为低阻抗故障[3]，普通短路故障一般考虑为金属性接地，因此仿真中所有的接地故障都考虑为金属性接地短路电压凹陷持续时间受断路器动作时间影响，不同电压等级断路器动作时间不同，220kV 系统断路器动作时间取为 0.12s电压凹陷深度取三相电压最低相电压[13] 2.2 雷电流模型 采用标准双指数雷电流模型，其雷电流波形： )(ttLeeAIiβ−=−∂（1） 式中， IL为雷电流峰值， A、 α 、 β 为常数我国防雷计算一般采用波头 ts=2.6μs，波长 tf=50μs作为雷电冲击实验的标准波形，记为 2.6/50μs[14]由于 75%~90%的雷电流为负极性，仿真中采用负极性雷电冲击波进行研究分析 2.3 避雷器模型 避雷器有保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器几种其中氧化锌避雷器由于其理想的非线性伏安特性而得到广泛应用线路型避雷器也可安装，但因投资大，国内全线装设避雷器的线路很少[15] 仿真系统电压等级为 220kV为限制雷电波入侵时的过电压，不考虑线路安装避雷器，在变电站母线上配备相应避雷器氧化锌避雷器的仿真模型[16]如图 2 所示。

图2 避雷器模型 ndL /151= Hμ （2） ndR /651= Ω （3） 中国电机工程学会第十届青年学术会议 · 吉林 - 705 -ndL /2.00 = Hμ （4） ndR /1000 = Ω （5） dnC /100= pf （6） 式中， L1与 R1 表示非线性电阻 A0、A1 之间的滤波作用； L0 为临近避雷器的磁场相关感应系数； R0为计算常数， C 为避雷器终端间电容， d 为避雷器总高度，米； n为避雷器氧化物并联组数 本文选取避雷器型号为 Y10W—200/496，暂态仿真模型中压比选为 1.6压比是避雷器通过波形 8/20μs 的标称冲击放电电流时残压与起始动作电压之比[17]目前此值约为 1.6~2避雷器起始动作电压=U10/1.6， U10为 10kA 冲击放电电流下避雷器雷电冲击残压值。

图 2 中，非线性电阻 A0与 A1 的伏安特性如表 1 表1 A0与A1 伏安特性 A0伏安特性 A1伏安特性 I（kA） U（p.u.） U（p.u.） 0.01 1.40 — 0.1 1.54 1.23 1 1.68 1.36 2 1.74 1.43 4 1.80 1.48 6 1.82 1.50 8 1.87 1.53 10 1.90 1.55 12 1.93 1.56 14 1.97 1.58 16 2.00 1.59 18 2.05 1.60 20 2.1 1.61 3 未加母线避雷器的仿真 当系统未加避雷器保护时，雷击线路 L7 引起单相接地故障，母线电压波形与普通短路后的电压波形如图 3 图 3 雷击与普通短路故障母线电压波形对比图 电压凹陷特征主要有：凹陷深度、持续时间与发生的频次由图 3 知，雷击引起凹陷与普通短路故障引起凹陷相比，凹陷深度上没有区别凹陷的深度决定于故障点位置、短路电流大小及故障类型雷击是造成故障原因，不影响短路电流大小雷击单相接地故障与普通单相接地故障相比，故障点位置，短路电流大小，故障类型都一致，没有不同，因此凹陷深度一致 由图 3 知，雷击引起的凹陷与普通短路故障引起凹陷持续时间不同。

电压凹陷的持续时间定义为电压下降到某一门槛值(文中选取 90%额定电压)的时间间隔大小 由图 4 知，普通短路故障引起的凹陷持续时间为 131ms，雷击引起凹陷持续时间为 122ms，小于普通短路故障引起凹陷的持续时间这是由于雷击产生的雷电波在输电线路传播，行波的折反射导致母线电压波形在一段时间内上升，在短路故障的影响下波形在上升后下降普通短路故障后，母线电压波形直接下降由于雷电波的影响，两者母线电压下降到 90%额定电压的时间不一样，波形上也有所区别因此，凹中国电机工程学会第十届青年学术会议 · 吉林 - 706 -陷的持续时间特征不一样 图 4 雷击与普通短路故障电压凹陷持续时间对比图 4 加装母线避雷器的仿真 220kV 各母线上加装避雷器后， 雷击 L7 引起单相接地故障， 母线电压与普通短路故障时母线电压对比，如图 5图5显示为 0.1s~0.13s 母线电压波形 雷击引起电压凹陷，加装避雷器与未加避雷器相比，由图 5 知，两者凹陷深度相同，且前者持续时间长，但仍短于普通短路故障引起的凹陷持续时间，结果见表 2 所示加装避雷器后母线电压上升幅度较之未加装避雷器时明显下降，加装避雷器可有效抑制雷电波对母线电压的影响。

图 5 考虑系统保护装置，母线电压波形对比图 图 6 考虑系统保护装置，电压凹陷持续时间对比图 表 2 凹陷持续时间对比 故障 凹陷持续时间（ms） 普通短路故障 131 加避雷器后雷击 125 未加避雷器雷击 122 加装避雷器后，避雷器吸收很大一部分雷电波能量，使母线电压上升波动程度减小，导致凹陷起始时间提前，凹陷持续时间随之变化，因此加装避雷器后不但会抑制母线电压的上升波动，同时对电压凹陷的特征有一定的影响 5 雷击两相接地故障和三相故障仿真 雷击线路 L7引起两相接地故障，母线电压与普通短路故障时母线电压对比，如下图 7 中国电机工程学会第十届青年学术会议 · 吉林 - 707 -图 7 两相接地短路母线电压波形对比图（考虑系统保护装置） 雷击线路 L7引起三相接地故障，母线电压与普通短路故障时母线电压对比，如下图 8 图 8 三相接地短路母线电压波形对比图（考虑系统保护装置） 雷击导致发生两相接地故障和三相接地故障，由图 7，8 知，母线电压对比波形与单相故障接地母线对比波形规律一致，说明雷击引起的电压凹陷与普通短路故障引起的电压凹陷有区别 IEEE RBTS—6 是一个简单的测试系统，模拟与实际的波过程会有差异，仿真中没有模拟绝缘子闪络与接地装置情况，因此计算结果可能与实际情况有所差异，但不会影响表征出的凹陷规律。

6 结论 仿真结果表明，雷击引起的电压凹陷与普通短路故障引起的电压凹陷相比，凹陷的深度一致，凹陷持续时间和波形不同雷击引起的电压凹陷持续时间短母线加装避雷器后，限制雷电波对系统母线电压的影响，改变电压凹陷的持续时间和波形特征，使电压凹陷的时间略微增加，但母线电压上升。