黃一騰

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司迪慶供電局，云南 香格里拉 674400）

0 引言

電力線路經(jīng)常架設(shè)在空曠場地或山區(qū)，容易遭受雷擊，導(dǎo)致線路因過電壓侵入而出現(xiàn)設(shè)備損壞等問題。安裝避雷器等保護(hù)設(shè)施，受設(shè)備制造問題、絕緣老化等因素的影響，設(shè)備仍然可能承受過高電壓，導(dǎo)致變壓器等設(shè)備損壞。安裝過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)暫態(tài)過電壓進(jìn)行捕捉，可以完成線路過電壓波形記錄，滿足事故分析需求。裝置能否充分地發(fā)揮作用，與裝置安裝效果有關(guān)，因此還應(yīng)該加強(qiáng)裝置安裝原理分析，確保裝置得到科學(xué)應(yīng)用。

1 配電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)分析

從結(jié)構(gòu)組成來看，配電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置核心部分為兩級(jí)分壓器，共同作用于電力系統(tǒng)電壓信號(hào)，使信號(hào)降低至合適電平后，利用數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，然后利用信號(hào)傳輸模塊傳輸回變電站，通過數(shù)據(jù)分析軟件完成波形顯示、分析等操作。裝置分壓器需要對(duì)避雷器殘壓進(jìn)行承受，因此一級(jí)分壓器通常采用1000 ∶1 的分壓比，二級(jí)分壓器需要根據(jù)電力系統(tǒng)等級(jí)確定分壓比[1]。經(jīng)過分壓后，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊的電壓幅值通常不超±5 V，以免設(shè)備因電壓過大發(fā)生損壞。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊處理后，電壓信號(hào)將完成A/D 轉(zhuǎn)換，根據(jù)設(shè)定的判據(jù)確定是否存在過電壓或電壓降信號(hào)。發(fā)現(xiàn)故障信號(hào)，在實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞和有效存儲(chǔ)的同時(shí)，將發(fā)送報(bào)警信號(hào)，提醒人員盡快處理。在配電網(wǎng)中應(yīng)用裝置，系統(tǒng)電壓較高，需要根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊輸入信號(hào)范圍要求配置分壓器。由于數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳輸模塊需要從變電站內(nèi)取電，造成裝置需要在站內(nèi)線路中安裝。從常用方式來看，可以直接將分壓器與變電站母線連接，經(jīng)過一次分壓后，將低壓側(cè)電壓信號(hào)利用同軸電纜傳輸，經(jīng)過二次分壓后利用電纜傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊，最后由信號(hào)傳輸模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給站內(nèi)監(jiān)控平臺(tái)。除此之外，也可以在出線上安裝分壓器，但是與母線安裝將得到不同過電壓監(jiān)測(cè)結(jié)果。因此，還應(yīng)該加強(qiáng)裝置安裝原理分析，以便于采取適合的裝置安裝方式。

2 配電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置安裝原理

對(duì)在變電站母線和出線上安裝配電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置的情況展開分析，還要確定采用不同安裝方案給監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性、準(zhǔn)確性帶來的影響，以便于使配電區(qū)域線路雷電相關(guān)參數(shù)得到有效的監(jiān)測(cè)，為線路防雷設(shè)計(jì)和運(yùn)維管理提供科學(xué)的依據(jù)。如圖1 所示，A 點(diǎn)為裝置在母線上安裝的情形，B 點(diǎn)為裝置在出線安裝的情形。圖1 中，變壓器和避雷器分別用T 和R 表示。在線路存在入侵雷電波Uli 的情況下，各出線受雷電影響，將產(chǎn)生Ul1-Ul3等不同線路過電壓。在各出線位置配置避雷器，能夠?qū)€路電壓進(jìn)行限制。因此，在過電壓到達(dá)母線后，僅為殘壓。線路中過電壓到達(dá)母線時(shí)間存在差異，在母線中安裝過電壓監(jiān)測(cè)裝置，將完成多個(gè)殘壓波監(jiān)測(cè)或疊加后的殘壓波監(jiān)測(cè)[2]。而裝置安裝在出線上，將直接監(jiān)測(cè)得到多個(gè)雷電殘壓波。但是實(shí)際雷電波從母線向出線折射時(shí)，經(jīng)過線路分壓和避雷器限制后，到達(dá)出線上的殘壓波衰減幅度較大。在出線上安裝裝置，由于出線數(shù)量較多，未安裝裝置的出線殘壓波將發(fā)生過大幅度的衰減。與Ul2和Ul3，Ul1由于未經(jīng)過衰減，能夠被B 點(diǎn)裝置直接監(jiān)測(cè)，其余出線殘壓波在進(jìn)入B 點(diǎn)時(shí)就發(fā)生了衰減、折射，可能出現(xiàn)信噪比超出裝置分辨率的情況，無法實(shí)現(xiàn)殘壓波的有效捕捉。

綜合比較2 種安裝方式，將裝置安裝在母線上，能夠?qū)Χ鄺l線路的過電壓進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)波形確定受累計(jì)影響的出線數(shù)。與此同時(shí)，無法對(duì)具體哪條出線存在過電壓情況進(jìn)行判定，得到的波形如果為疊加波，就難以對(duì)各殘壓波進(jìn)行提取。在出線上安裝監(jiān)測(cè)裝置，能夠?qū)ξ窗l(fā)生衰減的線路殘壓波進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。通過提高裝置采樣率，也可以對(duì)其他線路大幅衰減后的殘壓波進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定遭受雷擊的線路。從配電網(wǎng)管理角度來看，變電站出線多達(dá)數(shù)10 條，在線路檢修時(shí)還要對(duì)遭受雷擊的具體線路進(jìn)行確認(rèn)，因此應(yīng)該盡量在出線上安裝過電壓監(jiān)測(cè)裝置。但是要想保證完成多條線路過電壓的有效監(jiān)測(cè)，還要在合適的線路中進(jìn)行裝置的安裝。在實(shí)踐工作中，過去配電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置安裝主要依靠線路運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，即根據(jù)人員對(duì)線路維修事故發(fā)生次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后結(jié)合主觀判斷確定線路是否容易因雷擊而出現(xiàn)故障。通過定性分析的方式進(jìn)行裝置安裝，缺乏對(duì)線路影響因素的綜合考量，容易造成裝置在安裝后未能得到充分利用。受這一因素的影響，裝置安裝后可能長期未能監(jiān)測(cè)到線路過電壓數(shù)據(jù)，造成嚴(yán)重資源浪費(fèi)。與此同時(shí)，其他線路可能發(fā)生雷擊跳閘問題，難以得到有效保護(hù)。因此，結(jié)合裝置安裝原理，還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)線路影響因素的定量分析，確保裝置得到合理的安裝。

圖 1 配電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置不同安裝情形

3 配電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置安裝原理應(yīng)用分析

3.1 工程概況

某區(qū)域配電網(wǎng)部分線路時(shí)常出現(xiàn)雷擊事故，為加強(qiáng)線路運(yùn)營管理，計(jì)劃安裝10 個(gè)過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置。配電網(wǎng)線路包括35 kV 和10 kV 兩類，各自分配4 個(gè)和6 個(gè)過電壓監(jiān)測(cè)裝置。在實(shí)際施工階段，還要選擇裝置安裝線路，保證實(shí)現(xiàn)線路過電壓的有效監(jiān)測(cè)。

3.2 線路選擇方法

結(jié)合裝置原理，還應(yīng)在適合線路位置安裝裝置，從而對(duì)遭受雷擊的線路進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，為配電檢修工作開展提供依據(jù)。在線路選擇時(shí)，可以采用層次分析法進(jìn)行分析，從雷擊發(fā)生的可能性、雷電危害、是否頻繁發(fā)生雷擊事故3 個(gè)角度進(jìn)行評(píng)價(jià)。在定性分析的基礎(chǔ)上，分別設(shè)置地閃密度、雷電流幅值、雷擊事故率3 個(gè)指標(biāo)，引入專家進(jìn)行打分，對(duì)各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確認(rèn)，能夠?qū)崿F(xiàn)問題的量化分析。結(jié)合工程數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，能夠篩選出總體評(píng)分較高的線路，優(yōu)先完成過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置安裝。

對(duì)地閃密度進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠確定線路遭受雷擊可能性。運(yùn)用網(wǎng)格法進(jìn)行分析，可以在0.04×0.04°～0.2×0.2°經(jīng)緯度范圍內(nèi)進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)工程所在區(qū)域網(wǎng)格面積進(jìn)行選擇。線路地閃密度p 通常與長度、地形復(fù)雜度等因素有關(guān)，在確定各條線路p 值后，需要實(shí)現(xiàn)歸一化處理。對(duì)各出線雷電流幅值進(jìn)行分析，能夠反映出線路受到雷擊的危害程度。對(duì)該數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，可以根據(jù)雷電感應(yīng)影響半徑確定導(dǎo)線上感應(yīng)電壓最大值[3]。通常感應(yīng)半徑可取500 m，在0.02×0.02°網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)對(duì)最大雷電流幅值m 進(jìn)行計(jì)算，可以確定區(qū)域雷電流幅值分布情況。不同工程配電線路雷擊跳閘率不同，還應(yīng)結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出線故障率q 值，然后進(jìn)行歸一化處理，使雷擊給線路帶來的影響得到有效反映。指標(biāo)權(quán)重為w1-w3，線路安裝過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置的優(yōu)先度c=（w1×p+w2×m+w3×q）。

在權(quán)重系數(shù)計(jì)算時(shí)，需要完成比較矩陣Ann的構(gòu)建。在矩陣中，元素aij取值為0～2，確定Ai對(duì)Aj的重要程度，0 表示2 個(gè)因素相比Ai不重要，1 說明2 個(gè)因素同樣重要，2 說明Ai比較重要[4]。通過打分評(píng)價(jià)后，能夠得到各元素判斷矩陣，最終得到w=[w1，w2，w3]T=[0.105，0.258，0.637]T。根據(jù)各因素權(quán)重系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)來說，雷擊故障率最為重要，因?yàn)槟軌蛑苯荧@得真實(shí)數(shù)據(jù)，其次則為雷電流幅值。

3.3 裝置安裝實(shí)踐

按照上述方法對(duì)工程安裝過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置的線路進(jìn)行選擇，結(jié)合配電網(wǎng)區(qū)域面積，可以將網(wǎng)格范圍設(shè)定為0.04×0.04°，然后進(jìn)行區(qū)域地閃密度分析。在實(shí)際分析過程中，區(qū)域地閃密度可以劃分為5 個(gè)區(qū)段，分別為0～2.60、2.61～5.23、5.24～7.84、7.85～10.45 和10.46～13.07，利用不同色彩顯示，能夠使線路所在區(qū)域的地閃密度分布情況得到有效反映。在對(duì)區(qū)域雷電流幅值進(jìn)行分析時(shí)，需要將網(wǎng)格范圍設(shè)定為0.02×0.02°，完成各網(wǎng)格最大雷電流幅值統(tǒng)計(jì)。雷電流幅值可以劃分為6 個(gè)區(qū)段，分別為0～10 kA、10 kA～20 kA、20 kA～50 kA、50 kA～80 kA、80 kA～120 kA 和大于120 kA，利用不同色彩顯示，能夠使線路雷電流幅值分布得到清晰展現(xiàn)。

通過變電站對(duì)各條線路雷擊跳閘率數(shù)據(jù)進(jìn)行查找，可以對(duì)線路雷電故障率進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。對(duì)得到的各數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，可以用于計(jì)算線路安裝過電壓監(jiān)測(cè)裝置的優(yōu)先度。在實(shí)際分析過程中，需要分別確認(rèn)35 kV 和10 kV 線路的裝置安裝位置。針對(duì)35 kV 線路，通過分析發(fā)現(xiàn)共計(jì)9 條線路中，p 值達(dá)到0.4 以上的共計(jì)6 條，數(shù)值最高的1 條線路p 值為1，另外5 條線路p 值維持在0.5～0.7，差異不大，剩余3條線路p 值不超0.2，發(fā)生雷擊的概率較小。結(jié)合不同線路雷電流幅值分布情況，對(duì)相關(guān)數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，能夠得到m 值超出0.6 的線路共計(jì)3 條，其他線路m 值均不超0.5，線路過電壓幅值不大。在對(duì)線路雷擊故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和歸一化處理計(jì)算，完成線路優(yōu)先度計(jì)算，能夠篩選出優(yōu)先度分別達(dá)到0.325、0.281、0.258 和0.208 的4 條線路，需要完成過電壓監(jiān)測(cè)裝置安裝。

對(duì)10 kV 線路展開分析，線路共計(jì)27 條，需要從中篩選出6 條線路安裝過電壓監(jiān)測(cè)裝置。圖2 為各條線路優(yōu)先度分析結(jié)果，可以從中篩選出優(yōu)先度超0.7 的6 條線路安裝監(jiān)測(cè)裝置。從分析結(jié)果來看，相較于35kV 線路優(yōu)先度最大僅為0.325，10 kV 配電線路中有多條線路的優(yōu)先度超出了0.4，說明線路更容易發(fā)生雷擊事故。因此，相較于35 kV 線路，10 kV 線路需要完成更多過電壓監(jiān)測(cè)裝置安裝工作，在合理布設(shè)的基礎(chǔ)上能夠使安全隱患最大的線路狀態(tài)得到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證線路穩(wěn)定運(yùn)行。

按照分析結(jié)果完成線路過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置安裝后，經(jīng)過為期3 個(gè)月的試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，共計(jì)3 條10 kV 線路監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓波形，其中2 條發(fā)現(xiàn)過電壓波形的線路均為安裝監(jiān)測(cè)裝置的線路，另一條則為其他線路。監(jiān)測(cè)得到的波形中2 個(gè)較為完整，無衰減問題，另外1 個(gè)存在噪聲干擾，但是依然可以用于協(xié)助人員迅速判定發(fā)生故障的線路。從線路現(xiàn)場檢修結(jié)果來看，3 條線路確實(shí)出現(xiàn)了雷擊事故，線路發(fā)生了跳閘，其他線路并未發(fā)現(xiàn)雷擊事故，能夠說明裝置安裝可以對(duì)線路過電壓進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的監(jiān)測(cè)，為線路故障診斷提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)合配電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用實(shí)踐可知，在裝置安裝過程中，還要通過提前分析制定科學(xué)的安裝計(jì)劃。對(duì)線路所在地區(qū)雷擊跳閘率、地閃密度等因素進(jìn)行綜合考量的基礎(chǔ)上，遵循科學(xué)的布線原則制定裝置安裝方案，能夠保證裝置在不同等級(jí)變電站線路出線上得到合理分布，從而使線路整體運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性得到提高。

圖2 10 kV 配電線路優(yōu)先度分析結(jié)果

4 結(jié)論

通過分析配電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)原理可以發(fā)現(xiàn)，裝置可以在母線或出線上安裝，取得不同的過電壓監(jiān)測(cè)效果。但是在線路出線較多的情況下，還應(yīng)該選擇在適合的出線上安裝監(jiān)測(cè)裝置，以便于幫助人員確定發(fā)生故障的線路，為配電檢修工作的高效開展提供支持。實(shí)際在線路選擇的過程中，可以采用層次分析法對(duì)線路地閃密度、區(qū)域雷電流幅值、線路雷電事故率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評(píng)價(jià)，根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)完成線路優(yōu)先度的加權(quán)計(jì)算。按照優(yōu)先度排列，選擇數(shù)值較大的線路進(jìn)行過電壓在線監(jiān)測(cè)裝置的安裝，能夠使較容易發(fā)生雷擊事故和過電流的線路得到優(yōu)先監(jiān)測(cè)，同時(shí)也能對(duì)其他線路過電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，滿足線路管理要求。