基于罗氏线圈对高压输电线路雷电绕击_反击的识别

文章编号:1004-289X(2010)01-0034-03
基于罗氏线圈对高压输电线路雷电绕击、反击的识别
封建宝
(广西大学电气工程学院,广西 南宁 530004)
摘 要:基于罗氏线圈测量雷电流方向的理论及雷电绕击、反击原理,进行研究。

提出在杆塔不同部位安装罗氏线圈,将得到杆塔不同部位雷电流的方向。

提出雷电绕击、反击实时判别系统的相应基本理论。

关键词:高压输电线路;绕击;反击;罗氏线圈
中图分类号:T M72 文献标识码:B
The Identificati on to Thunderstri ke and Counterattack of
HV Trans m ission L i ne B ased on Rogo w sk i Coil
FENG Jian bao
(E lectrical Eng ineering Co llege of G uangx iU niversity,N anning530004,Ch i n a)
Abstract:According to Rogo w sk i co il thunder current directi o n theo r y,thunderstri k e and counterattack pri n ciples,the thunderstri k e and counterattack are stud i e d.Roqo w sk i co il is i n sta lled in d ifferent positions o f the pole,the thunder bolt current w ill be got fro m t h e d ifferent position of the po le.The paper propose relevent basi c theo r y o f t h understr i k e and counterattack real ti m e discri m inati n g syste m.
K ey words:HV transfers c ircu i;t thunderstrike;counterattack;Rogo w ski co il
1 引言
雷击跳闸分为由于雷电绕击输电线路、雷击杆塔引起反击而引起的跳闸。

对于不同的事故原因其原理是不一样的,解决方法也不同[1-3]。

由于我国幅员辽阔,山地、平原、盆地、丘陵,地形差别很大,再加上各地气候不同,所以雷击情况差异很大,因此各地在发生雷击事故时,对线路绕击、反击的判断尤为重要。

现在电力系统由雷电引起的跳闸中,绕击、反击的判别极其困难,如普遍使用的雷电定位仪,虽然可以测量雷电流的参数(幅值、陡度),但无法鉴别出绕击与反击。

因此,找到一个方便、易行的输电线路雷电绕击与反击判别方法,是电力系统防雷研究的焦点问题。

本文研究了一种基于输电线路杆塔的雷电流实测系统,在绝缘子串杆塔侧金具上钳套罗果夫斯基型电流传感器,测量雷击闪络时的闪络电流的方向。

该电流与雷电活动的强度成正比,需要考虑避雷线的耦合作用、分流作用和杆塔的电感、接地电阻等。

在杆塔入地杆安装另外一个罗果夫斯基型电流传感器,测量该处的电流方向,通过对比这两处的电流方向就可以得到雷击方式。

此外该系统也具有确定雷击点的功能。

2 雷电流测量原理
本文设计的罗果夫斯基线圈型冲击电流传感器,采取无源传感方式,以适于长期运行,避免维护。

传感器输出信号经处理后由无线通讯设备传回变电站。

为降低成本,同一杆塔只用一套处理装置和无线通讯设备,因此为防止雷击时各传感器间的电位差对装置造成干扰和破坏,传感器与处理装置间需通过同轴电缆传输信号。

传感器安装在输电线路三相绝缘子串的地电位悬挂金具上。

当绝缘子发生雷击闪络时,闪络电流穿过电流传感器,从而被线圈检测到;传感器不需电源,直接通过同轴电缆传到数据预处理装置接收,经处理后获得雷电流方向;数据通过无线电传送到位于变电站的接收装置,经信息整合处理后提供给用户。

整个测量系统如图1所示。

图1 测量系统示意图
3 绕击、反击故障时电流分布特点
(1)绕击时,雷电流的注入点为导线,闪络电流流过绝缘子串悬挂金具并通过杆塔入地,此时流过金具的电流方向与流过杆塔竖杆的电流方向相反;
(2)反击时,雷电流的注入点为杆塔顶,绝缘闪络时流过绝缘子串悬挂金具的电流与流过杆塔竖杆的电流方向相同;
(3)在绝缘子串悬挂金具处和杆塔横担下方竖杆处各安装罗氏线圈传感器,根据2个传感器输出电压的极性关系就可以鉴别出绝缘闪络的类型(绕击或反击),如表1所示。

表1
雷击类型绝缘子串杆塔侧
金具电流传感器
杆塔竖杆(主材)
电流传感器
负电荷雷引发反击负电流信号负电流信号
正电荷雷引发反击正电流信号正电流信号
负电荷雷引发绕击正电流信号负电流信号
正电荷雷引发绕击负电流信号正电流信号
4 传感器的准确性与稳定性分析
利用冲击电流发生器产生冲击大电流,重复测量传感器的输出信号。

图2、3分别给出了冲击电流在分流器上的输出电压和传感器经光电隔离的输出电压(改变了极性)。

传感器基本保持了原冲击电流的波形特征,但波尾变短。

这与传感器衰减了0~3k H z内的分量有关。

5 屏蔽问题
当考虑到实时传输问题后,必然涉及到一些屏蔽问题。

(1)静电场屏蔽
如果带有电荷量+Q的孤立导体A,它在空间要产生电场。

为消除导体A在空间产生的电场,可用密封的金属球壳把带电体包围起来。

若金属壳体不接地,该电荷在球壳外部空间产生电场,就起不到屏蔽作用;如果将金属球壳接地,则球壳外壁的正电荷被引入大地,球壳外壁电位为零,不存在静电场,电场被局限在金属球壳内的空间,起到了屏蔽作用。

这是对静电场干扰源的屏蔽,也叫静电场的主动屏蔽。

如果空间存在静电场干扰测量电路可将测量电路用金属球壳罩住,与静电场隔开。

不论球壳接地与否,其内部都不存在由外界感应的静电场,阻止干扰静电场进入球壳内部,起到屏蔽外界静电场的作用。

(2)磁场屏蔽
磁场屏蔽是为了消除或抑制磁场干扰源与敏感设备间由磁场耦合引起的干扰。

对不同频率应当采用不同的磁场屏蔽措施。

!低频磁场屏蔽
若磁场频率较低(100kH z以下)时,通常采用铁、硅钢片、坡莫合金材料进行屏蔽。

将线圈绕在由铁磁材料制成的闭合环中,则磁力线要在该闭合环的磁路中通过,向空气中发散的漏磁通很少,抑制了磁场源对附近敏感设备的干扰,起主动屏蔽作用。

同样,铁磁材料制成的屏蔽箱置于干扰磁场中,磁力线被集中在屏蔽体外,不会泄漏到屏蔽体包围的内部空间中去,保证屏蔽箱内的电路、设备不受外部磁场的干扰,起被动屏蔽作用。

同时也把内部磁场封闭在屏蔽体内,阻止向外发散。

所以屏蔽箱同时起主动屏蔽和被动屏蔽的双重作用。

铁磁材料的磁导率越大,屏蔽效能越高;屏蔽层加
厚,屏蔽效能也会增大。

因此,在铁磁材料一定的条件下,实际应用中采用多层屏蔽提高磁屏蔽的效能。

∀高频磁场屏蔽
由于铁磁材料的磁导率随频率的升高而下降,从而使屏蔽效能下降,所以低频磁场屏蔽的方法不能用于高频磁场的屏蔽。

高频磁场屏蔽的原理是:屏蔽材料使用铜、铝等金属良导体。

如果用金属壳将磁场源(如线圈)包围,则线圈电流产生的高频磁场在金属壳内壁产生涡流,把磁场限制在金属壳内,不向外泄漏,起主动屏蔽作用;金属壳体外的高频磁场同样由于涡流的作用只能绕过金属壳体不能进入金属壳体内,又起到被动屏蔽的作用。

但金属的厚度不起决定作用。

磁场的屏蔽与电场的屏蔽不同,屏蔽体接地与否不影响磁屏蔽的效果;但磁屏蔽体对电场也起一定的屏蔽作用,因此一般也接地。

(3)电磁场屏蔽
远离干扰源,单纯的电场或磁场是很少见的。

通常所说的电磁干扰均是电场和磁场同时存在的高频辐射电磁场。

电磁场屏蔽用于抑制干扰源和敏感设备距离较远时通过电磁场耦合产生的干扰,它必须同时屏蔽电场和磁场,通常采用电阻率小的良导体材料。

空间干扰电磁波在入射到金属体表面时会产生反射和吸收,电磁能量被衰减,从而起到屏蔽作用。

由于测量设备所处的电磁环境十分恶劣,同时要考虑静电屏蔽、电磁屏蔽问题,且在雷电落雷后,由于雷电的高频分量可能会引起弱电电路的浪涌现象,因此屏蔽重点要放在磁带进入测量设备的入口处,建议安装3~4对掺有金属粉的特殊压轮,一能够使走带机构稳定运转;二可以通过金属粉的屏蔽作用,逐渐抵消雷电流的高频干扰。

其余部分可采用2层以上的多层屏蔽。

6 结语
目前对于电力输电线路雷电的有效防护是一个难点,尤其是雷电绕击、反击的鉴别更是困难,这也是电力系统绝缘设计、雷击事故技术分析、责任分析等实际工作急需解决的问题。

罗氏线圈测量法相对于其它雷电流测量方法具有材料便宜、精度高、便于野外安装等特点。

本文从工程实际出发通过试验对罗氏线圈直接测量雷电流方向进行深入、系统的研究并详细的讨论了雷电流绕击、反击的特点,并基于固定在杆塔不同部位的罗氏线圈测量装置的记录数值,大胆的提出判别线路绕击、反击的判别方法,填补了电力系统在该项领域的空白,取得了开创性的成果,且极具工程实用价值。

参考文献
[1] 张志劲,司马文霞,蒋兴良,等.超特高压输电线路雷电绕击防护性能研究[J].中国电机工程学报,2005,25(10).
[2] 程养春,李成榕,陈家宏,等.特高压输电线路雷电闪络电流的测量[J].高电压技术,2007,23(6).
[3] 孙万忠.输电线路雷电屏蔽理论及实践现状[J].四川电力技术, 2000,2:5-7.
收稿日期:2009-04-17
作者简介:封建宝(1981-),男,硕士研究生,研究方向:电力系统及其自动化专业。

(上接第33页)
同时由空载和额定负载时一、二次侧的电压波形对比可以看出,若二次负载为纯阻性,则负载的大小对二次的过电压影响不大,只对电流大小有些影响,这是因为二次侧感应出的过电压主要与一次侧电流的陡度有关,而纯阻性负载对一次侧的电流陡度影响不大,因此对二次侧的电压影响较小;
(2)从电抗器的电感值分别为10mH、100mH和500mH时的电压电流波形可以看出,随着电抗器电感值的增加,一次侧的电流,二次侧的电压、电流,随之降低,特别是当电抗器的电感值取为500mH时,二次侧上的电压幅值降为没有加电抗器时的一半(如图11和图14所示)。

虽然一次侧的电压没有给出,但由于电抗器的分压作用,也会使一次绕组上的电压降低50%左右。

参考文献
[1] 卢凤英.10千伏配电变压器的防雷保护措施[J].工程论坛,中国科技信息,2005(17):151-157.
[2] 余光华.10千伏配电变压器的防雷问题[J].水利科技,2004
(2):54-55.
[3] 吴天明,谢小竹,彭彬.M ATLAB电力系统设计与分析[M].国防工业出版社,2004:1.
[4] 禹静.防止配电变压器烧坏的措施[J].农村电工,2005(8):27.
[5] 田维富.配电变压器的防雷保护措施[J].农村电工,2005(5):26.
[6] 周小沪,李晓庆,纪志成.基于MATLAB三相变压器的仿真建模及特性分析[J].变压器,2004,41(7):19-23.
[7] J.G il m ore.变压器的仿真[J].电力牵引快报,1999(4):39-40.
[8] 王雪,王增平.变压器内部故障仿真模型的设计[J].电网技术, 2004,28(12):50-52.
收稿日期:2009-05-06
作者简介:叶海波(1982-),男,工学硕士。