小波变换超高压输电线路雷电干扰识别判据研究

马 杰袁 刘璐璐袁 姚 勇（河南省电力公司开封供电局，河南 开封 475004）

摘 要院超高压输电线路的继电保护装置不可避免地会受到各种高频信号的干扰，其中雷电干扰是最主要的干扰因

素，可能会造成线路保护误动作。针对雷电干扰问题，对不同情况下的暂态电流模分量进行信号能量分布和波形分

析，找出差异，提出区分输电线路上雷电干扰、故障性雷击及普通短路故障的判据，最终达到对雷电干扰的识别从而

避免误动作。通过大量的 Matlab 仿真计算验证该方法的正确性、有效性。

关键词院超高压输电线路；雷电干扰；频谱分析；小波变换

中图分类号院TN911.7曰TM723曰P427.32+1曰TN973.3 文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2013冤05-0034-05

On the wavelet based identification of lightning interference for transmission lines

MA Jie，LIU Lu-lu，YAO Yong（Kaifeng Administration of Electric Power Supply of Electric Power of Henan Kaifeng，

Kaifeng 475004，China）

Abstract: Protective relaying equipment play a significant role in transmission lines and suffersfrom varies of high frequency interference. Lightning interference is one of the major interferencefactors， which causes false operation during protection process. According to the lightninginterference problem， this paper analyzes the energy distribution and wave of current transientcomponents in different cases to find out the differences， and then proposes the criterion todistinguish the lightning interference， transmission induction lightning and short -cut fault fortransmission lines. Finally，through the proposed method，lightning interference can be identifiedto eliminate false operation during protection process. Simulation results in Matlab verify thevalidity and effectiveness of our proposed method.Key words: transmission line；lightning interference；spectrum analysis；wavelet transform

收稿日期院2013-04-08曰收到修改稿日期院2013-06-06作者简介：马 杰（1968-），男，河南开封市人，工程师，主要

从事电力系统及自动化研究。

0 引 言基于工频电气量的输电线路保护原理称为传统

保护原理。随着研究工作的深入和现代科技的进步，

传统保护得到了很大的提高和改善。我国于 1978 年

开始行波保护的研究，从瑞典引进两套 RALDA 型行

波保护装置。行波保护利用故障初始行波和后续几

个反射波包含的故障信息和行波的传播特点，能在

很短时间内判定故障[1-2]。

早期的行波保护是基于工频量的保护方案，而

雷电冲击通常为单极性脉冲波，上升和下降时间都

很短，所以对于早期的行波保护，雷电产生的高频分

量会作为干扰而滤掉。线路雷害的形成主要是在雷

电过电压的作用下，线路绝缘发生闪络，当闪络转变

为稳定的工频电弧时，才能引起保护的动作，使断路

器跳闸，此时实际上已发生了故障，所以雷电冲击对

基于工频量的传统保护影响不大。在雷电流高频的

干扰下，现有的几种暂态保护都可能出现误判。因

此，能否正确识别雷电干扰是行波保护与暂态保护

实用化所必须解决的关键问题之一[3-5]。

中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.39 No.5September，2013第 39 卷第 5 期2013 年 9 月

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.009

第 39 卷第 5 期

本文对输电线路直击雷、感应雷、短路故障等暂

态过程所产生的暂态电流附加分量进行了详细分

析，找出它们在行波波形和能量分布上的特征差异，

提出一种短路故障和雷电干扰的识别判据。

1 输电线路的感应雷和直击雷1.1 雷电流特点

雷电放电时，雷电流的幅值和波形与许多因素

有关，具有很大的随机性。广泛测量表明，尽管雷电

流的陡度、幅值、波尾和波头都不相同，但都是单极

性的脉冲波，而且多次观测所拟合出的曲线近似于

一个双指数曲线[6]，如图 1 所示。

雷电流双指数函数表达式为

i= i0（e - 琢t-e - 茁t） （1）式中：i0———雷电流幅值，大小是变化的，变化范围为

几千安到几十千安；

琢、茁———波前、波尾衰减系数；

t———时间。

国际电工委员会（IEC）和中国国家标准规定

1.2/50 滋s（波前时间/半峰值时间）为标准雷电流，本

文采用的都是这种雷电流波形。图 1 是 1.2/50滋s 雷电流波形，幅值为 180 kA。

1.2 输电线路的直击雷和感应雷特点

输电线路上出现的大气过电压有两种，一种是

雷直击于线路引起的，称为直击雷过电压；另一种是

雷击线路附近地面，由于电磁感应所引起的，称为感

应雷过电压。

雷直击于有避雷线路的情况可分为 3 种，即雷

击杆塔的塔顶、雷击避雷线档距中间和雷绕过避雷

线击中导线（绕击）。对于前两种情况，只要雷电流足

够大，就能引起塔顶或避雷线与导线间发生闪络，从

而使雷电流对导线放电，在线路上产生大量的高频信

号。当绝缘子没有出现闪络时，在耦合作用下，会在线路

上产生出高频信号。对于第 3 种情况，存在雷电流的

直接注入，显然会在线路中产生暂态高频信号。

当雷击线路附近地面（一般距离线路 50 m 外）

时，电磁场的作用使得架空线路的三相导线上同时发

生感应雷。它在三相导线上的幅值接近，极性相同，

波形类似。实测表明，感应雷过电压一般可达 300耀400 kV，对于 110 kV 及以上电压等级的线路，由于绝

缘水平较好，一般很少引起闪络事故，对于特高压线

路，也不会引起闪络事故。架空线路上感应雷过电压

的计算是一个复杂的过程，它主要包括了雷电流时

空分布特性的确定、雷电流所产生的电场计算及电

场与导线耦合产生感应电压的计算。一般采用较多

的是雷电流回击模型和耦合的 Agrawa l 模型。

Jankov [7]在此基础上给出了架空线路感应雷过电压

幅值的估计公式：

Umax（d）=k滋I0ek0+ k0lnd + k1ln5d （2）式中：ku抑k2h，h 为导线离地的高度；

d———雷击点到导线的距离；

系数 k0、k1 和 k2 则由雷电流的特性决定。

由上述可知，不论是感应雷过电压还是直击雷

过电压，都会在线路上产生许多高频信号，对这些高

频信号用小波多尺度分析来提出识别判据。感应雷

幅值不超过 400kV，对于绝缘水平较高的超高压线路

不会造成线路短路，本文把它称之为非故障性雷击，

也就是雷电干扰；对于直击雷造成的绝缘子闪络，并

且形成了稳定工频电弧的情况称之为故障性雷击。

2 非故障性雷击尧故障性雷击和短路故障的

暂态特征分析2.1 暂态特性的多分辨率分析方法

针对电力暂态信号的特点，国内外众多学者将

小波分析、数字形态学、支持向量机等理论引入电力

暂态信号的特征提取，在这一领域开展了系列的研究

工作，取得了一定的进展[8-12]。电力系统中暂态信号

具有高频、瞬间突变的特点，小波变换刚好能满足这

个要求。对于单一尺度的小波变换难以分析出复杂

多变的暂态信号的特征，只有通过小波变换的伸缩、

平移运算，对信号进行多分辨率分析，利用暂态信号

在各尺度上包含的信息，才能更准确地揭示出暂态

信号的内在特征。

利用正交小波基将信号分解为不同尺度的各个

分量是基于多分辨率分析的小波变换的核心，其实现

过程相当于使用一组滤波器，包括低通和高通，对信号

进行逐步分解，低通滤波器产生信号的低频粗略分

量，高通滤波器产生信号的高频细节分量。每次分解

后，将信号的采样率降低一半，重复上述分解过程[13]。

马 杰等：小波变换超高压输电线路雷电干扰识别判据研究

0 10 20 30 40 50 60t/滋s

18161412108642

图1 雷电流波形

35

中国测试 2013 年 9 月中国测试

设暂态信号 x（n）在经上述快速变换后，在第 j分解尺度下 k 时候的低频分量系数为 aj（k），高频分

量系数为 dj（k）。进行单支重构后，得到的信号分量

Dj（k）、A j（k）。原始信号可表示为各分量的和，即

x（n）=D1（n）+A 1（n）=D1（n）+D2（n）

+A 2（n）=m

j = 1移Dj（n）+Am（n）

（3）

Dj（n）表征了暂态信号 x（n）在不同尺度下的分

量，也为暂态信号的多尺度表述。设 dj（n）为小波变

换后的系数，对于正交小波变换，交换后各尺度的能

量可直接由其小波系数的平方得到。

2.2 输电线路暂态过程的Matlab仿真

本文研究的是电压等级为 500 kV 的超高压输

电线路，其系统接线图如图 2 所示。利用 Matlab 建

立线路仿真模型，其中三相电源元件参数为：S1=S2=500 kV，分布式线路元件参数为：正序阻抗 Z1=0.0262+j0.286 3赘/km，零序阻抗 Z0=0.172 8+j1.038 61赘/km，

线路对地的正序电容 C1=1.026 3 滋F/km，线路对地的

零序电容 C0=0.067 滋F/km。仿真时，故障性雷击、非

故障性雷击和短路故障都发生在 P 处，雷电流采用的

是 1.2/50滋s 的标准波形，仿真时间为 10ms。

2.3 行波暂态能量分布特征

三相系统中由于三相线路之间互相耦合，出现

短路或雷击故障后，在各相上产生的行波互相影响，

因而需要利用相模变换对三相电流暂态故障分量进

行解耦合[14]。由此得到模分量 Im：Im= Ia+ Ic-2Ib （4）对这个模分量进行小波变换可以消除线路的耦

合作用。

图 3 所示为输电线路发生故障性雷击、雷电干

扰、短路故障时，暂态电流模分量及其小波变换多

分辨率分析的输出波形[15-16]。图中对暂态电流进行了

6 层分解，将其分解为不同尺度的高频部分（d1耀d6）和低频部分（a6）。选取采样频率为 f=200 kHz，小波函

数为 Daubechies 的 4 阶小波（Db4），选取 1、2、3、4、5、6 尺度参数，根据多分辨分析的性质选定频率范围分

别为 100耀200kHz，50耀100kHz，25耀50kHz，12.5耀25kHz，6.25耀12.5 kHz，3.125耀6.25 kHz。表 1 中的 d1耀d6 分别

代表上述各频段的能量。

S1 S2M P N150 km 120 km

图2 500 kV超高压输电系统接线图

渊b冤雷电干扰

5 0000

-5000采样点

500 100 150 200 250 300 350 400 450

2 0000

-20000 25020015010050

2 0000

-20000 12010080604020

1 0000

-10000 605040302010

5000

-5000 355 10 15 20 25 30

5000

-5000 2018161412108642

5 0000

-50000 900800700600500400300200100

图3 暂态电流模故障分量及其多分辨率分解波形

渊c冤短路故障

2000

-2000 50 100 150 200 250 300 350 400 450采样点

0 25020015010050

1000

-100

500

-500 25020 40 60 80 100

500

-500 6010 20 30 40 50

500

-500 355 10 15 20 25 30

200

-200 2018161412108642

-4000

0-200

100 200 300 400 500 600 700 800 900

渊a冤故障性雷击

0 50 100 150 200 250采样点

300 350 400-202

450

0-101

50 100 150 200 250

0-505

12020 40 60 80 100

0-101

605040302010

0-8000

800

355 10 15 20 25 30

0-8000

800

2018161412108642

0-202

900800700600500400300200100

36

第 39 卷第 5 期

发生故障性雷击时，线路上产生的暂态电流是

由雷电流和故障点的工频附加电压源共同产生的。

它的暂态电流分量同时具有短路故障和雷电干扰特

征。短路故障使低频分量很大，雷电波的作用又使高

频段能量的分布和雷电干扰时相似，但由于雷击故

障时有截断波的作用，该频段能量值较大，并且 a6 仍

占主导地位。

雷电干扰时，电流暂态分量主要由雷电波以及

其在导线上传播时的折反射波叠加而成。由表 1 可

以看出能量主要集中在低频段，并且低频分量 a6 和高频分量 d1 是同一数量级，差别不大。

发生短路故障时，电流暂态分量主要由短路点

的附加工频电源产生，这就使得它的低频分量远远

大于非故障性雷击。低频分量 a6 要比高频分量 d1 大得多，相差两个数量级。

3 波形特征雷击输电线路引起绝缘闪络导致短路故障出现

时，雷电波被瞬间截断，持续时间缩短，截波后为线

路故障状态，延续传播的是故障行波。图 4 为故障性

雷击和雷电干扰时电流暂态的波形。横坐标是取的

200 个点，换成时间为 100滋s。

表 1 暂态电流的能量分布 单位院106 A2

类型 故障性雷击 雷电干扰 短路故障

a6 116.032 6 4.114 1 127.899 6d1 1.131 9 3.804 1 1.761 6d2 0.934 7 2.076 4 1.111 8d3 0.818 7 3.824 3 0.786 1d4 0.701 3 2.069 1 0.310 3d5 0.466 9 1.803 1 0.121 1d6 2.263 7 1.435 2 0.063 3

由图 4 可以看出，故障性雷击和雷电干扰的波

前部分非常相似，但波尾处差别很大。故障性雷击

时，截波处变化剧烈，雷电波仅持续十几甚至几微

秒；雷电干扰时，电流幅值在波尾出变化缓慢，对于

1.2/50滋s 的雷电波，电流在 50滋s 后衰减为峰值一半；

发生短路故障时，电流故障行波的波前是阶跃式突

变，波尾按正弦规律变化，和雷电波相比，波尾变化

非常缓慢。

4 暂态特征综合分析4.1 根据高低频能量分布提出判据

通过前面对故障性雷击、雷电干扰、短路故障的

暂态电流分量进行的能量分布计算和时域的波形特

征分析，可以从中看出一些差异。

在小波分析多分辨率的基础上，判据可以通过

提取暂态电流模分量的高低频段上的能量比构成。

k = j移 N

m = 1移 i2dj

m

N

m = 1移 i2am

（5）

式中：idjm———暂态电流附加分量在尺度 j 上高频分

量第 m 个点的输出；

iam———暂态电流附加分量的中低频分量第 m个

点的输出；

N———所取时间段所对应的采样点数。

显然，当发生感应雷击时，比值 k 较大，反之则

较小。当高频能量取 d1耀d6，而中低频能量取 a6 时，

由表 1算出这 3种情况的 k 值分别为：0.0544，3.6489，0.032 5，可见它们的区分度是很明显的。因此，可以

给出发生感应雷击的判据为

k 跃k0 （6）k0 为设定的门槛值，它的大小和高低频能量所取的频

率范围有关。但不同情况下 k 的区分还是很明显的，

所以设定合适的 k0 值，就能把雷电干扰同另外两种

情况区分开来。

4.2 根据波形特征提出判据

令 km 和 kn 分别表示波前、波尾的最大斜率。对

于故障性雷击，可以看出波前与非故障性雷击相似，

波尾变化剧烈，理论上 kn/km寅1。发生雷电干扰时，波

采样点0 50 100 150 200 250

76543210

-1

渊a冤故障性雷击

采样点0 50 100 150 200 250

30002500200015001000500

0-500

渊b冤雷电干扰

采样点0 50 100 150 200 250

-80-100-120-140-160-180-200-220

渊c冤短路故障

图4 暂态分量行波波形

马 杰等：小波变换超高压输电线路雷电干扰识别判据研究 37

中国测试 2013 年 9 月中国测试

前陡而波尾缓慢，则 kn/km寅0。普通短路故障时，与雷

电波相比，波尾变化非常缓慢，因此 kn/km寅0。由上可知，通过高低频能量分布，可以把雷电干

扰同短路故障和故障性雷击轻易区分，再根据波形

特征，又可以把故障性雷击和短路故障区别开来。

5 Matlab仿真研究建立如图 2 的算例模型进行 Matlab 仿真计算，

验证所提判据的性能。在仿真计算中，模拟了 3 种情

形：故障性雷击、雷电干扰、短路故障。对于故障性雷

击，雷电流幅值取 30 kA；雷电干扰时，由式（2）可估

算出各相的感应雷过电压幅值相差约为 10%（取系

数 k1=-0.708，k2=-0.000 007 31），所以电流也相差约

10%，因此取各相感应雷电流 ia=1.1伊ib=1.12伊ic=5 kA；

短路故障为单相接地短路。可以看出暂态电流各个

频段的能量变化的规律不是很强，但是利用高频能

量 EH 和低频能量 EL 的比值可轻易的把雷电干扰区

别开来，然后再通过三阶B 样小波变换提取暂态电流

的 km 和 kn，利用 kn 和 km 比值的绝对值，又进一步把

故障性雷击和短路故障区分出来。由上面仿真得出

的数据可以看出，本文所提出的判据能有效、可靠地

完成雷击干扰的识别。

6 结束语本文利用小波变换对故障性雷击、雷电干扰和

短路故障的电流暂态信号的模分量进行了多尺度分

解，高低频段上的能量被提取出来；然后又算出它们

波前波尾斜率的比值，用这两个判据可以将不同情

况的暂态过程区分出来。经过 Matlab 仿真验证该方

法可行，提高了抗雷电干扰能力。

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