CN100578488C - 电网雷害分布确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电网雷害分布确定方法，其采用计算机对雷电自动监测数据进行处理，建立数据库，以地理信息系统和数据库为分析平台，采用网格法统计雷电参数，依据典型判据用计算机统计雷电资料，获得相应物体的雷害分布；其基本步骤如下：首先，将雷电自动监测数据通过计算机存入数据库；对数字地图上的选定区域进行网格划分；对每个网格的数据资料进行统计；统计出雷电参数；根据电网绝缘结构，将能引起输电线绝缘子串发生闪络的危险雷电流幅值范围值作为判据，统计雷电的电流幅值属性，剔除判据之外的数据；将已发生的输电线路雷击闪络事件记录的专题属性数据存储进计算机；用计算机计算出相应地理分布图层，获得电网电子雷害分布图。优点是，方法简单明了，具有很好的操作性和实用性。

Description

电网雷害分布确定方法

技术领域

本发明属于防雷工程技术领城，具体地说涉及一种雷害分布确定方法，特别是电网雷害分布确定方法。

背景技术

电网雷害分布是一种表示高压输电线路发生雷击闪络危险概率的统计技术，是输电线路防雷设计和制定防护措施的依据。长期以来，工程界只能依据仅有描述雷电活动规律的、且有长期记录的雷电日资料来划分雷电活动区域，如平均雷电日不超过15天的定义为少雷区，平均雷电日超过40天的定义为多雷区，平均雷电日超过90天的定义为强雷区。据申请人所知，这种简单划分雷区方法的最大不足是“雷电日”本身不能完全表征雷电活动特征，即一个雷电日无法表示具体雷电出现的频次。因而，这种简单划分雷区方法对防雷工程设计而言，其指导作用极为有限。今天，随着以雷电定位系统为代表的现代化雷电监测设备在世界范围内获得了广泛应用，使人们极为关注的区域地闪特征：如位置、雷电流幅值与极性、发生的时间等参数的获得及其应用成为可能。近来年，用表征雷电分布的地闪密度(fl/km²/a)替代雷电日是一种趋势。如中国专利文献(专利申请号200610124786.3)“雷电参数网格统计法”公开的采用网格法统计包括地闪密度的雷电参数统计方法就是一个很好的实例。申请人在研究中发现，地闪密度分布是表征地面雷电活动强弱及分布的最基础信息，是地面物体防雷设计可参照的基础；但具体到电网防雷设计而言，因其本身的结构特征以及所代表的绝缘特性，并非全部雷电能引起高压架空输电线路和变电站绝缘闪络，而只是部分被称为危险的雷电能造成电网闪络；这部分对电网有危害的雷电分布并不等同地闪密度分布；因此，就所关心的电网而言，现有地闪密度分布并没能直观反映出电网雷害分布，因而也非直接简明的电网防雷设计依据。目前，在我国超高压输电线路统计的跳闸事件中，由于雷击闪络造成的跳闸事件占了一半。尽管有些防雷装置的性能十分优良，但受其保护范围及造价限制，实难在高压输电线路的全线装设，因而工程迫切需要一种能表示出电网雷害分布的、能指导高压输电线路“有的放矢”实施防雷保护的技术。

由于电网因其分布广、输电线路绝缘等级多、雷害成因复杂，再加上用雷电定位系统获得的海量数据，以及在地理上处理各类复杂的空间专题属性数据均与电网雷害分布有关，因而必须用计算机及信息系统平台进行数据处理，才能实现电网雷害分布统计的自动化技术。到目前而止，还没有一种有效的、自动的统计技术能做到对大区域、大样本、多种绝缘电网雷害分布统计，这种状况急需改变。

发明内容

本发明的目的是，克服现有技术的不足，提出电网雷害分布确定方法。本发明属于一种生成电网雷害分布的计算机自动统计技术，适用于大区域、大样本、多种绝缘电网雷害分布统计。

本发明的技术解决方案是，采用计算机对雷电自动监测数据进行处理，建立数据库，以地理信息系统(简称GIS)和数据库为分析平台，采用网格法统计雷电参数，其特征在于，针对地面物体的抵御雷击能力及其特征，设定物体雷害的典型判据，再依据典型判据，采用计算机统计处理雷电资料，获得相应物体的雷害分布；基本步骤如下：

(1)首先，将雷电自动监测数据按时间、位置、雷电流幅值与极性、主放电与次序放电的专题属性数据通过计算机存入数据库；采用有地理信息系统处理功能的计算机程序对数字地图上的选定区域进行等面积网格划分；由计算机对每个网格的数据资料进行统计；并且使雷电监测数据被赋于雷电专题属性和地理属性，自动划分的每个网格具有与雷电监测数据相同坐标系地理属性；采用网格法统计出的雷电参数关联网格所在地域，设定每个网格为一个雷电统计单元；将数据库中的专题数据按地理属性调入对应网络作为统计样本，统计每个网格出现雷电次数；

(2)根据电网绝缘结构，即电网电压等级、输电线路构架、地形因素，将能引起输电线绝缘子串发生闪络的危险雷电流幅值范围值作为判据，统计每个网格中雷电的电流幅值属性，剔除判据之外的数据，再将各网格的年雷电次数除以网格面积，获得电网雷害分布；

(3)将已发生的输电线路雷击闪络事件记录按发生时间、位置坐标、闪络类型、电压等级的专题属性数据存储进计算机中的雷击故障数据库，将雷击闪络事件依次按照其专题属性调入其对应电网雷害分布网格，以该网格为中心，对相连网格进行标记，获得电网历史雷害区域；

(4)将各电压等级的电网反击雷害分布、电网绕击雷害分布和电网历史雷害区域用计算机计算出相应地理分布图层，再运用地理信息系统获得电网电子雷害分布图。

其特征在于，根据电网绝缘结构，即电网电压等级、输电线路构架、地形因素，将能引起输电线绝缘子串发生闪络的危险雷电流幅值范围值作为判据，此判据分为分反击危险电流和绕击危险电流判据，统计每个网格中雷电的电流幅值属性，剔除判据之外的数据，获得电网反击雷害分布和电网绕击雷害分布。

本发明的优点是，采用本发明实现了用计算机有效、自动的对大区域、大样本、自动监测的雷电资料与电网各种绝缘结构特性相结合雷电危害分布统计方法，解决了目前用雷电日分区、用地闪密度分布无法明确确定电网雷害分布的难题。本发明实现方法简单、明了，具有很好的操作性和实用性。

附图说明

图1、本发明的原理框图

图2、华北地区500kV电网2003年～2006年反击电网雷害分布图

图3、华北地区500kV电网2003年～2006年绕击电网雷害分布图

图4、华北地区2003年～2006年500kV电网雷害分布图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明以雷电定位系统自动监测数据为统计样本，使用计算机处理程序，将自动监测数据输入到具有地理信息系统(简称GIS)处理功能的计算机中，建立数据库，以地理信息系统(简称GIS)和数据库为分析平台，采用网格法统计雷电参数。针对地面物体的抵御雷击能力及其特征，设定物体雷害的典型判据，再依据典型判据，采用计算机统计处理的雷电资料，结合各电压等级电网绕击特征电流、反击特征电流，建立危险电流数据分析系统，采用网格法确定所需的数据和分析结果，对分析结果采用雷击事故记录进行比较、校验和修正。获得相应物体的雷害分布。其采用如下步骤：(1)将雷电自动监测数据按时间、位置、雷电流幅值与极性专题属性数据通过计算机存入数据库。采用有GIS处理功能的计算机，设定程序对目标对象——数字地图上的选定区域进行等面积网格划分，设定每个网格为一个雷电统计单元，将雷电数据库的数据与地理上的对应网格进行位置比较，将雷电数据库中的专题数据按地理属性调入对应网格作为统计样本，统计每个网格中的雷电数。(2)依据电网绝缘裕度设定绕击危险电流范围值、反击危险电流范围值(判据)。按照该判据进行幅值比较，将各网格中雷电流幅值在绕击、反击危险电流范围值外的数据剔除，由余下的地闪次数除以相应网格面积分别得到电网绕击雷害分布和电网反击雷害分布。(3)同时，将电网历史雷击闪络事故记录按发生时间、雷击点经纬度坐标、闪络类型、电压等级的专题属性数据存储进计算机，建立电网雷击故障数据库。将雷击故障数据库的数据与地理上的对应网格进行位置比较，依据地理信息的经纬度坐标将绕击故障点、反击故障点分别调入对应的地理网格中，以该网格为中心，对相连网格进行标记，获得电网历史雷害区域；(4)综合绕击电网雷害分布、反击电网雷害分布以及历史电网雷害分布，获得电网雷害分布图。

上述数据处理可以在一台计算机上进行处理，也可以在多台计算机上通过网络连接，进行数据交换处理。从而有效地为本发明获得统计数据资源，做到统计数据资源共享。

图2～图4为本发明在华北地区数字地图上的具体应用。

采用计算机录入收集到的、含有地理属性的华北地区雷电定位系统自动监测数据和电网雷击事故记录，使用计算机程序进行数据处理，将华北地区划分成一系列大小为0.2°×0.2°的网格。其中：

1、危险电流范围的选取(即判据的选定)

电网雷害的发生有其特有的特征，受到电网绝缘水平的影响，只有在某些电流幅值段的地闪才能引起雷击事故，幅值不同的雷电流其危害程度也不同。

确定危险电流范围是确定电网雷害分布的前提条件，危险电流的选取是以电网中绝大部分输电线路的耐雷性能利用现有计算方法来确定的。不同电压等级电网绝缘水平显著不同，同一电压等级电网抗绕击、反击性能显著不同，且从应用角度来说，针对绕击和反击雷电防护措施不同，所以针对不同电压等级提出不同的绕击危险电流范围和反击危险电流范围。同时对同一电压等级来说，塔型不同、接地电阻不同、保护角不同时危险电流的范围也不同，危险电流范围选取应使绝大部分输电线路的危险电流都落在所选危险电流范围内。反击危险电流的范围(起止值)依据现行电力行业规程《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620-1997)求解，绕击耐雷水平仍然依据该规程，绕击最大临界电流则依据电气几何模型确定。

(1)反击危险电流的确定(即判据值的确定)

反击危险电流范围的确定采用现行电力行业规程《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620-1997)推荐的方法，按式(1)计算，其中各参数的含义分别为：u_50％为绝缘子串50％击穿电压，k为导线和避雷线间的耦合系数，k₀为导线和避雷线间的几何耦合系数，β为杆塔分流系数，R_i为杆塔冲击接地电阻，h_a为横担对地高度，h_t为杆塔对地高度，L_t为杆塔电感，h_g为避雷线平均高度，h_c为导线平均高度。

$I_1=\frac{u_{50\%}}{(1-k)\mathrm{\β}{R}_i+(\frac{h_a}{h_t}-k)\mathrm{\β}\frac{L_t}{2.6}+(1-\frac{h_g}{h_c}{k}_0)\frac{h_c}{2.6}}---\left(1\right)$

基于不同塔型、不同接地电阻的输电线路反击耐雷水平不同，在同一电压等级下，以耐雷水平较低的输电线路计算结果为反击危险电流下限，以使绝大部分输电线路的反击危险电流都落在所选反击危险电流范围内。

对500kV电网，假定绝缘子采用28片，U_50％为2420kV，档距为450m；临近杆塔接地电阻为15Ω，计算结果见表1所示。从计算结果可见，工频电压对于耐雷水平的影响是非常大的，考虑工频电压的影响(这是与实际相符的)情况下，耐雷水平比不考虑工频电压时平均下降了18％。

因此，对于500kV输电线路可以取反击危险电流下限值134kA(标准化线路要求满足15Ω)，考虑更普遍的结果，取125kA。

同理，对220kV输电线路可以取反击危险电流下限值75kA。

表1500kV线路反击耐雷水平的计算结果

(2)绕击危险电流的确定(即判据的选定)

本发明中对绕击危险电流范围的确定方法综合了规程法、电气几何模型法两种方法，并结合了运行经验，对绕击危险电流的下限值采用现行电力行业规程《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620-1997)推荐的方法，由耐雷水平确定，用式(2)计算。对绕击危险电流的上限用电气几何模型法计算，由输电线路的参数确定临界击距，再由临界击距确定最大绕击危险电流。

$I_2=\frac{u_{50\%}}{100}---\left(2\right)$

不同塔型、不同保护角的输电线路绕击耐雷水平不同，最大绕击危险电流也不同，用上述方法计算多种杆塔类型(单回、双回、酒杯塔、猫型塔等)的输电线路绕击危险电流起止值，综合多个起止值，再进行适当放大，以使绝大部分输电线路的绕击危险电流都落在所选范围内。范围不能取得过大，否则不能体现该电压等级绕击危险电流的特征，范围也不能取得太小，太小会漏掉很多危险事件。

按照规程法：一般220kV绕击耐雷水平为14.0kA(对应U_50％为1400kV)。

对表2中的两种典型输电线路进行绕击临界电流计算，结果见表3所示。对承德地区2006年6月份7次220kV电网雷击跳闸事故进行分析，包含4次绕击事故，绕击电流计算结果见表4。

综合表3、表4，可见应用击距法计算得到对于220kV输电线路发生绕击的电流值一般在15-40kA左右。进一步对山西省电网和河北南网雷电绕击调查统计，绕击电流样本大小一般也在本研究中的绕击危险电流范围内。

综合考虑下将220kV绕击危险电流范围取为[10kA，40kA]。

同理，将500kV电网绕击危险电流范围取为[20kA，50kA]。

表2两种典型220kV输电线路参数表

杆塔类型	档距(m)	导线挂线点对地高度(m)	避雷线挂线点对地高度(m)	导线挂线点对塔中心水平距离(m)	避雷线挂线点对塔中心水平距离(m)	绝缘子串长度(m)
							SZ<sub>2</sub>	358	30	40	13	8.5	2.34
SJ<sub>2</sub>	306	30.5	41.5	7.2	3.8	2.34

表3最大绕击电流计算结果

表4220kV线路绕击电流的计算情况(实例)

2、电网雷害分布图的确定

首先应确定反击电网雷害分布图和绕击电网雷害分布图。以确定华北500kV电网雷害分布图为例说明，以上述危险电流起止值为判据，统计0.2°×0.2°网格下各网格的危险雷电密度值。统计各网格中幅值范围在125kA及以上范围内的地闪密度，得到华北500kV电网反击雷害分布图，见图2所示。图形的显示采用分区渲染方式分成四区，小细点填充区域表示该处幅值在125kA及以上的地闪密度值在[0，0.05)f/(km²·a)范围内，小圆点填充区域表示该处幅值在125kA及以上的地闪密度值在[0.05，0.09)f/(km²·a)范围内，斜线填充区域表示该处幅值在125kA及以上的地闪密度值在[0.09，0.11)f/(km²·a)范围内，面填充区域表示该处幅值在125kA及以上的地闪密度值大于或等于0.11f/(km²·a)。

统计各网格中幅值范围在[20kA，50kA]范围内的地闪密度，得到华北500kV电网绕击雷害分布图，见图3所示。小细点填充区域表示该处幅值在[20，50]kA范围内的地闪密度值在[0，0.83)f/(km²·a)范围内，小圆点填充区域表示该处幅值在[20，50]kA范围内的地闪密度值在[0.83，1.44)f/(km²·a)范围内，斜线填充区域表示该处幅值在[20，50]kA范围内的地闪密度值在[1.44，1.85)f/(km²·a)范围内，面填充区域表示该处幅值在[20，50]kA范围内的地闪密度值大于或等于1.85f/(km²·a)。

其次应确定历史电网雷害分布区域。运行经验是对所有措施和基础理论的验证和总结，是电网与自然相结合的具体体现，雷害分布在危险电流分布的基础上首先应考虑的是运行经验进行补充。以华北地区2000年～2007年四年的雷击事故记录为基础建立具有地理属性的雷击故障数据库。华北地区2000～2007年500kV输电线路共出现雷击故障43次，其中反击故障4次，绕击故障39次。将故障点标注在华北地理电子地图中，找到与其相交的网格，将该网格及其相邻两个网格挑选出来，形成历史电网雷害分布区。

最后，综合反击电网雷害分布图、绕击电网雷害分布图和历史电网雷害分布区域确定电网雷害分布。将历史电网雷害区域依据故障点的性质分成反击故障点对应的区域和绕击故障点对应的区域，将这两个区域分别叠加在反击电网雷害分布图、绕击电网雷害分布图上。对两图中的历史故障区域采用与该区域向上相邻的属性进行渲染。在综合绕击雷害分布图和反击雷害分布图时，各网格以两图中对应位置密度值等级属性较高的渲染属性为基准进行渲染，形成电网雷害分布，如图4所示。以小细点渲染区域发生绕击、反击雷害风险最低，该区域地闪幅值在绕击危险范围内的密度最小，在反击危险范围内的密度也最小；以圆点渲染区域发生绕击、反击雷害风险次之；以斜线填充区域发生绕击、反击雷害风险再次之；以面填充区域绕击、反击雷害风险相对最高。

Claims (1)

1、电网雷害分布确定方法，采用计算机对雷电自动监测数据进行处理，建立数据库，以地理信息系统和数据库为分析平台，采用网格法统计雷电参数，其特征在于，针对地面物体的抵御雷击能力及其特征，设定物体雷害的典型判据，再依据典型判据，采用计算机统计处理雷电资料，获得相应物体的雷害分布；基本步骤如下：

(1)首先，将雷电自动监测数据按时间、位置、雷电流幅值与极性、主放电与次序放电的专题属性数据通过计算机存入数据库；采用有地理信息系统处理功能的计算机程序对数字地图上的选定区域进行等面积网格划分；由计算机对每个网格的数据资料进行统计；并且使雷电监测数据被赋于雷电专题属性和地理属性，自动划分的每个网格具有与雷电监测数据相同坐标系地理属性；采用网格法统计出的雷电参数关联网格所在地域，设定每个网格为一个雷电统计单元；将数据库中的专题数据按地理属性调入对应网络作为统计样本，统计每个网格出现雷电次数；

(2)根据电网绝缘结构，即电网电压等级、输电线路构架、地形因素，将能引起输电线绝缘子串发生闪络的危险雷电流幅值范围值作为判据，此判据分为反击危险电流和绕击危险电流判据，统计每个网格中雷电的电流幅值属性，剔除判据之外的数据，获得电网反击雷害分布和电网绕击雷害分布；再将各网格的年雷电次数除以网格面积，获得电网雷害分布；

(3)将已发生的输电线路雷击闪络事件记录按发生时间、位置坐标、闪络类型、电压等级的专题属性数据存储进计算机中的雷击故障数据库，将雷击闪络事件依次按照其专题属性调入其对应电网雷害分布网格，以该网格为中心，对相连网格进行标记，获得电网历史雷害区域；

(4)将各电压等级的电网反击雷害分布、电网绕击雷害分布和电网历史雷害区域用计算机计算出相应地理分布图层，再运用地理信息系统获得电网电子雷害分布图。

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