一种新的输电线路雷击故障定位与识别技术
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摘要：
输电线路由于雷击发生故障的概率极高，因此，当输电线路因雷击引起闪络接地故障时，迅速发现故障和确定故障点对于及时进行检修和维护，恢复线路正常运行十分重要。同时，通过对雷击故障的识别，可以有效地寻找出雷击多发地的具置，通过分析其易遭雷击的原因，可以采取有针对性的技术改进措施，从而提高全网的安全水平。本文主要针对雷击造成的输电线路故障，通过雷击闪络后的工频续流的特征（电流信号）和输电线路发生反击和绕击时的电位的变化（电压信号）相结合的办法对输电线路雷击故障点和雷击性质进行定位与识别。
1雷击故障定位技术的研究现状
目前雷电故障定位主要有综合雷击故障定位，行波故障定位和逐基杆塔安装的故障定位三种方式。
综合雷击故障定位基于定向定位和时差定位2种技术。(1)定向定位通过发射在各地的探测站接收雷电电磁信息，当有2个及以上的探测站根据接收到的雷电电磁信号测定雷电方位角后，就可根据三角定位原理计算出雷击点的位置，该技术原理清晰，方法简单，且在多站系统中几乎不存在探测死区，但它的探测精度受电磁波传播途径及探测站周围环境影响较大，造成定位误差相对较大；(2)时差定位通过测定电磁信号到达各探测站的时间差来计算雷击位置，该方法要求各探测站的时钟高精度同步，其误差主要取决于GPS误差和雷电电磁信号的传播延时。综合雷击故障定位技术利用“定向+时差” ，综合定位探测站既探测雷击发生的方位角，又探测雷击辐射出的电磁波到达的精度时间，该方法可充分利用探测到的全部有效数据，剔除方向误差和无效时间数据，使雷电定位误判次数大大减少。但是该方法不能对雷击故障性质进行识别，因而其常配合其他方法进行使用。
行波故障定位基于雷击故障后故障点产生的行波，通过测定故障点行波至单端时间或双端时间差来进行定位。目前常采用将GPS技术与两侧行波定位技术相结合的方法，在线路发生故障后，由于故障点将产生向变电站母线运动的行波，通过采集、记录在母线处测量到的故障电流波形，使用合适的算法，结合GPS时钟可实现测距[1]。其定位精度一般为几公里的范围，仍需巡线、登杆检查来确认故障点，并且不能判别故障性质。
逐基杆塔安装的故障定位通过安装在各级杆塔上测量装置，测定其电压电流信号来实现的故障定位。日本研制了一种利用OPGW的新型输电线路故障点定位装置[2]。它利用光电互感器采集杆塔上的各种信号，然后用OPGW中的1根光纤将信号传至控制室。
2输电线路杆塔雷击接地故障定位技术原理
目前，国内雷击接地故障指示器的设计原理是：设定指示器的动作电流（例如200A），当通过该故障杆塔的一根主材的工频接地电流大于此电流时，故障指示器动作并给出显示。但是，根据实际应用，单纯以某一电流阀值作为是否动作来进行判据会产生误动或者拒动。
为解决该问题，有必要首先对故障杆塔和非故障杆塔的电流方向进行具体分析。
2.1线路工频接地故障时杆塔和避雷线分流情况的分析
考虑到一条线路的杆塔一般为数十基塔至数百基塔，可近似将线路视为两端无穷长的链形回路，一基塔一个链，简化推导，不考虑避雷线即杆塔的感抗的作用，故将线路简化为图1的无穷长电阻链形回路。设A点为工频短路接地点，左右两边近似看作由避雷线电阻 和杆塔接地电阻 组成的长链形回路。两边回路的等效入口若为 ，则由
图3 邻近杆塔电流
由于每一档距内的避雷线电阻 为零点几欧姆。杆塔接地电阻为数欧姆至数十欧姆，所以k值一般远大于1，当接地电阻在10Ω至数十欧姆之间时，图2为由公式（1）和公式（2）计算的当k为10至600时的 和 的变化趋势。
由曲线的变化趋势可以得出，在工频接地短路的情况下，大部分电流是通过接地杆塔两边的避雷线分流，只有小部分通过故障杆塔接地。若取 ＝10Ω（较小值）。 ＝0.8Ω（较大值），k＝12.5，则 ≤0.4，即仅有短路电流的17%通过短路点杆塔入地。另外，由 ＞0.75可以知道，邻近杆塔流过的接地电流与闪络点杆塔几乎相等。当k较大时， 接近1。
该定量关系是在短路两端为无穷长的电阻链的情况下得出的， 的计算与实际值会稍有差别，特别是短路不在线路中间或是线路较短的情况下。另外，若考虑到避雷线的感抗等则相当于k值稍有减小，即 会稍大些， 会稍小，但 和 的变化趋势和大致的分流比例没有很大的变化。
国外曾对一段输电线路工频接地时的接地电流的分流情况进行了实测（5），实验布置见图5所示，通过实测，其测量结果见图5标注所示.值得注意的是该文献没有说明杆塔接地电阻及线路的参数情况，为此我们对其进行了研究。
由试验结果可以看出，流入邻近非故障杆塔的电流与发生接地故障杆塔的接地电流是属同一数量级，而杆塔入地电流与避雷线上分流之比在7.5％～30％之间。
为了更加准确地估计发生工频闪络接地的故障电流分布，用EMTP软件（电磁暂态分析程序）模拟了一条110kV交流输电线路在发生单相接地故障时，各杆塔及避雷线上的电流分布情况。计算简图如图6所示。
以上计算结果的存在差别是由于线路为无限长和考虑线路感抗的结果的原因。
由EMTP程序对实际线路的计算结果可以归纳出以下规律：
（1）流入故障点邻近非故障杆塔的入塔电流与故障杆塔中的电流基本属同一数量级，随着与故障点的距离增大，各邻近杆塔的入塔故障电流逐渐减小，无论故障点出现在线路的哪个位置，基本都遵循这一分布规律。
（2）流入故障杆塔两端的避雷线的故障电流方向相反，大小相差不大，而流入非故障杆塔电流方向相同，大小是一样的。
在模拟计算时，仅对一种情况的110kV线路进行了故障电流分布计算，如果线路参数不同时，故障电流和各杆塔的入塔故障电流也会有显著的不同，但上述规律不变。
对于装有架空地线的输电线路，发生工频接地故障时，一部分电流直接流入发生接地故障的杆塔，大部分电流则是通过故障杆塔两侧的避雷线流向邻近的各杆塔。这与雷电流的分流是不同的，雷击输电线路杆塔时，电流的分流主要取决于杆塔波阻抗和避雷线波阻抗。由于杆塔波阻抗小于避雷线波阻抗，所以大部分雷电流将直接进入被击杆塔，流入避雷线的雷电流相对而言占较小的比例，而工频短路电流的分流主要取决于各杆塔的接地电阻、避雷线阻抗及大地电阻率等，是一链形分流回路，而流入邻近非故障杆塔的电流值与故障杆塔中的电流值基本属于同一数量级。
2.2 接地故障定位指示工作原理
目前国内的接地故障指示器在设计原理上都是基于设定的指示器动作电流（如200A、10A等等），而当通过该杆塔的一根主材的工频接地电流大于此电流时，故障指示器就会发生动作并做出显示。
根据这个设计原理的接地故障指示器会发生以下状况：
（1）发生误动作。由2.1节可知，故障杆塔和邻近的非故障杆塔的入塔电流属于同一数量级，当通过非故障杆塔的主材的工频接地电流大于指示器动作电流时，指示器发生误动作。指示器设定的动作电流越小，短路电流越大，发生误动作的杆塔数也就越多。
（2）发生拒动作。如果为了避免发生上述的误动作情况，提高指示器的动作电流值，会造成指示器反应事故状态不灵敏，从而产生拒动作。
因此，国内外根据同一原理设计的指示器在实际应用过程中出现了或是发生故障不动作，或是相邻非故障杆塔误动作情况，严重影响了工频短路故障点的准确判断和快速查找。要准确定位发生接地故障的杆塔，要求发生接地故障杆塔的指示器必须准确动作，而邻近非故障杆塔不发生误动作。由于故障杆塔和非故障杆塔的入塔电流值属于同一数量级，因此仅根据故障电流大小作为判断依据是不可行的。
为解决这一问题，有必要对故障杆塔和非故障杆塔的电流情况作具体分析。当发生接地故障时，故障杆塔及避雷线的各电流方向和非故障杆塔及避雷线的各电流方向如下图9、10所示。
比较图9、图10，故障杆塔两侧避雷线的I1和I2方向相反，非故障杆塔两侧避雷线的I1和I2方向相同。因此，应用差动电路的原理，根据I1和I2的相位差异就可以确定地将故障杆塔和非故障杆塔区别开来。
解决这一问题的方案是在杆塔两侧的架空地线上，各装上一个传感器，传感器与显示器的连接电路图如图11、12所示。
当发生接地故障时，对于故障杆塔来说，流过两侧避雷线的电流是异方向，相位差180°，采用图11所示的连接电路图，显示器中输入波形如图13所示。对于非故障杆塔来说，流入两侧避雷线的电流是同方向的，相位差为0°，采用图12所示的连接电路图，显示器中的输入波形分别如下图14所示。
流入两侧避雷线的电流与两端的电参数有关，电参数不同时，电流量值也是不同的，但两端传感器中的输出信号经过限幅后，将成为同一幅值的波形，对于非故障杆塔来说，经限幅后的两端信号叠加后，大小相同，方向相反，输入指示器的信号幅值接近于零，如图14所示，故障指示部分不给出信号。对于故障杆塔来说，两传感器中的信号经限幅后叠加，大小相同，方向相同，增大近一倍，如图13所示，故障定位功能部分给出信号。
3结语
本文主要针对雷击造成的输电线路故障，对雷击故障定位技术与识别进行了研究，主要得到如下结论：
（1）对于装有架空地线的输电线路，发生工频接地故障时，流入故障点邻近非故障杆塔的入塔电流与故障杆塔中的电流基本属同一数量级，随着与故障点的距离增大，各邻近杆塔的入塔故障电流逐渐减小。
（2）对于装有架空地线的输电线路，发生工频接地故障时，流入故障杆塔两端的避雷线的故障电流方向相反，大小相差不大，而流入非故障杆塔的故障电路方向相同，大小一致。
（3）根据输电线路架空地线工频接地故障电流分别的规律，运用这种雷击故障定位与识别技术可以设计制作接地故障指示器，它能够迅速准确地指示出发生接地故障的杆塔。
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