CN101216864A - 大跨越线路的总雷击跳闸率仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种总雷击跳闸率仿真计算方法，尤其是涉及一种大跨越线路的总雷击跳闸率仿真计算方法。大跨越线路的总雷击跳闸率仿真计算方法，基于公式：N＝N反+N绕，其中N为大跨越线路的总雷击跳闸率，N反为大跨越线路的反击跳闸率，N绕为大跨越线路的绕击跳闸率，即包括大跨越线路的反击跳闸率的仿真计算方法以及大跨越线路的绕击跳闸率的仿真计算方法，该大跨越线路的反击跳闸率的计算方法基于EMTP程序，考虑了各种因素(杆塔波阻抗和波速、感应电压分量、空气间隙闪络判据、工作电压相位、导地线弧垂等)的影响，提供了一种完整的仿真方法。

Description

大跨越线路的总雷击跳闸率仿真计算方法

技术领域

本发明涉及一种总雷击跳闸率仿真计算方法，尤其是涉及一种大跨越线路的总雷击跳闸率仿真计算方法。

背景技术

大跨越输电线路的杆塔很高，遭受雷击的概率随高度大幅增大，其防雷问题一直备受关注。大跨越线路的雷击单相闪络概率超过常规线路，甚至发生多相闪络；多次闪络可造成绝缘子串及其金具永久性损害，修复困难，给系统的安全稳定运行带来危险。为了妥善设计防雷措施，避免大跨越高杆塔成为输电线路的薄弱环节，需对大跨越线路的雷电性能，即雷击跳闸率进行仿真计算，提出合理的防雷措施。

大跨越线路与常规线路有较多不同之处，如杆塔高很多，塔头尺寸较大，绝缘子串很长，档距和弧垂很大。电力行业标准推荐的雷电过电压计算方法较为粗糙，可以用于110～220kV常规线路的雷电性能计算，但不适合500kV线路防雷计算，更加不适用于大跨越线路防雷计算。如对于反击耐雷水平，电力行业标准采用

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

计算(式中各参数的含义详见电力行业标准“DL/T 620-1997”)。这种计算方法将杆塔的波阻抗当作固定值，将绝缘闪络判据简单的定义为绝缘子串两端的雷电过电压幅值大于绝缘子串的50％冲击放电电压即为闪络，与实际情况有较大的差别。同时，对于感应过电压的计算也存在较大的问题，与实际情况不符。对于绕击计算，雷绕击于导线上形成的电压U＝100I，明显偏低，而且没有考虑工作电压的影响，这与实际情况不符。

国内外有学者进行过类似的研究，但研究大多针对大跨越防雷中的某一问题进行，缺乏全面系统的方法，而且方法中也存在许多不合理的地方。因此，对大跨越线路采用新的仿真计算方法对于指导工程具有实际的意义。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的对于闪络的定义与实际情况有较大的差别，同时，对于感应过电压的计算也存在不精确性；提供了一种能够精确计算出闪络的发生，从而能精确计算出总雷击跳闸率的大跨越线路的总雷击跳闸率仿真计算方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

大跨越线路的总雷击跳闸率仿真计算方法，

基于公式：N＝N_反+N_绕，其中N为大跨越线路的总雷击跳闸率，N_反为大跨越线路的反击跳闸率，N_绕为大跨越线路的绕击跳闸率，即包括大跨越线路的反击跳闸率的仿真计算方法以及大跨越线路的绕击跳闸率的仿真计算方法，该大跨越线路的反击跳闸率的计算方法基于EMTP程序，该程序包含杆塔阻抗和波速，雷击塔顶时的导线上的感应电压分量以及空气间隙闪络的判据；杆塔阻抗和波速采用行波桩法获得，雷击塔顶时的导线上的感应电压分量采用计算式获得，闪络判据采用相交法获得，其特征在于，大跨越线路的反击跳闸率的仿真计算方法包括以下步骤：

a.运用EMTP程序，首先记录输入工作电压相角φ从0°增大到360°，其中增幅为大于0°而小于或者等于30°，发生m次间隙闪洛时φ₁……φ_m所对应的输入电流值I₁、I₂、I₃……I_m；

b.定义ΔP表示雷电流在上述相邻两个电流之间出现的概率，Δφ表示与φ₁……φ_m对应的每一雷电流下出现反击的相角所占的百分比Δφ₁，Δφ₂，Δφ₃……Δφ₁₂，计算 ${\mathrm{\ΔP}}_1=P_1-P_2={10}^{-\frac{I_1}{88}}-{10}^{-\frac{I_2}{88}}......\mathrm{\Δ}{P}_m=$ $P_m-P_1={10}^{-\frac{I_m}{88}}-{10}^{-\frac{I_1}{88}},$ ......应用至求和公式N_反＝gN_L∑Δφ×ΔP中，其中，g为击杆率，N_L为线路每100km每年的雷击次数，从而得到大跨越线路的反击跳闸率N_反。

在上述的大跨越线路的总雷击跳闸率仿真计算方法，所述的增幅为30°，所述的m次间隙闪洛为12次，即发生12次间隙闪洛时φ₁……φ₁₂以及其分别所对应的输入电流值I₁、I₂、I₃……I₁₂如下得到：

I.设定计算步长Δt，其中Δt取值范围为0.03us到0.05us之间，并规定输入工作电压相角φ为0°；

II.取输入雷电流I为0～50kA，判断间隙是否闪络，若否，增大雷电流幅值，并再次判断间隙是否闪络，其中增加幅度为ΔI，其中ΔI为0～2kA，

III.若步骤II中间隙闪络，则记录此时的输出电流I₁值以及工作电压相角φ₁值，并将工作电压相角值增加30°，并判断此时φ值是否为360°，若否，重复步骤b；

IV.若步骤III中φ值为360°，由此得到与工作电压相角φ分别为φ₁为30°，φ₂为60°，φ₃为90°……φ₁₂为360°以及与其相对应的I₁，I₂，I₃……I₁₂值。

因此，本发明具有如下优点：能够精确计算出闪络的发生，从而能精确计算出总雷击跳闸率。

附图说明

图1是本发明的计算方法原理图；

图2是雷击线路的电气几何模型示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

大跨越线路的总雷击跳闸率仿真计算方法，

基于公式：N＝N_反+N_绕，其中N为大跨越线路的总雷击跳闸率，N_反为大跨越线路的反击跳闸率，N_绕为大跨越线路的绕击跳闸率，即包括大跨越线路的反击跳闸率的仿真计算方法以及大跨越线路的绕击跳闸率的仿真计算方法，该大跨越线路的反击跳闸率的计算方法基于EMTP程序，该程序包含杆塔阻抗和波速，雷击塔顶时的导线上的感应电压分量以及空气间隙闪络的判据；杆塔阻抗和波速采用行波桩法获得，雷击塔顶时的导线上的感应电压分量采用计算式获得，闪络判据采用相交法获得，本实施例中，杆塔阻抗和波速、雷击塔顶时的导线上的感应电压分量以及闪络判据采用如下方法计算：

(1)杆塔波阻抗和波速

杆塔用波阻抗和波速及长度来模拟，但不是简单地用一个波阻抗来表示，而是不同部件采用不同波阻抗。现有技术中有的把它称为行波桩法。它考虑了雷击地线后雷电波在杆塔上的传播过程和在杆塔不同位置上形成不同电压。

(2)雷击塔顶时的导线上的感应电压分量

中国电力行业标准规定感应过电压U_i由下式计算

$U_i=a{h}_c(1-\frac{h_g}{h_c}{k}_0)$

式中，h_c为导线对地平均高度，h_g为避雷线对地平均高度，k₀为导线和避雷线间的耦合系数，a为雷电流陡度。

采用上式计算时，感应过电压U_i已经占到绝缘子临界放电电压的70％～80％。再加上杆塔横担电压，无论杆塔接地电阻多多小，绝缘子串肯定要闪络。这和实际情况是不相符合的。此计算电压远远大于实际电压。

本发明中推荐采用下式计算感应电压U_i。式中各参数含义同前。

计算导线上的电压同时考虑了工作电压的影响。

(3)空气间隙闪络的判据

电力行业标准推荐的方法是依据绝缘两端过电压U≥U₅₀(绝缘临界放电电压)作为绝缘闪络的判据。国际电工标准IEC有关文件已经明确表示，不推荐采用此方法。这方法更不能用于大跨越线路的雷击跳闸计算。本发明采用相交法作为空气间隙闪络判据，认为过电压波形和绝缘放电的伏秒曲线相交即为绝缘闪络。

对于绕击雷电性能，采用电气几何模型EGM计算。电气几何模型EGM是当今国际上流行的分析绕击率的方法。它以雷击机理的现代知识作为基础，其基本原理建立在下列基本概念和假设基础上。

(1)由雷云向地面发展的先导通道头部到达被击物体的临界击穿距离一击距以前，击中点是不确定的。先到哪个物体的击距内，即向该物体放电。

(2)击距r_s是雷电流幅值I的函数。各国采用此函数关系不完全相同，本发明考虑了下列4种函数关系式，取其最严重者，并考虑10％误差。

(a)r_s＝7.1I0.75   (Whitehead)

(b)r_s＝8I0.65     (IEEE工作组)

(c)r_s＝10I0.65    (美国)

(d)r_s＝6.72I0.8   (日本)

(3)先导接近地面时的入射角ψ服从某一给定的概率分布函数。本发明中认为其分布概率为

$g\left(\mathrm{\ψ}\right)=\frac{3}{4}{\cos }^3\mathrm{\ψ}$

。

(4)雷电对大地和对导线的击距不同，两击距的比值定义为击距系数。击距系数对避雷线的保护范围有较大影响。国际上对于击距系数选取没有定论。本发明中认为击距系数可取0.7。

如图2为雷击线路的电气几何模型。S为地线，C为导线，α为保护角，β为击距系数，对于不同的雷电流幅值I_i，由上述关系式可算出相应的击距r_si。当先导头部进入B_iC_i弧面，放电将击向地线。当先导头部进入C_iD_i弧面则击中导线，即发生绕击。所以C_iD_i弧面称为暴露面。当先导头部进入D_iE_i平面，则击中大地。

随着雷电流幅值的增大，暴露弧C_iD_i逐渐缩小。当雷电流增大到I_m时缩小为零。此时雷或击中地线，或击中大地，不再发生绕击。I_m称为最大绕击电流。相应的击距称为最大击距r_sm。

$r_{\mathrm{sm}}=\frac{h_s+h_c+2\sqrt{h_s{h}_c}\sin \mathrm{\α}}{{2\cos }^2\mathrm{\α}}$

并非所有的绕击都会引起绝缘的闪络，只有当雷电流在导线上引起的电压U_c(包括工作电压)大于绝缘放电电压U₅₀时

$U_c=\frac{I_0\×Z_c}{2.2}+E_m\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\≥U_{50}$

才会闪络。I₀为最小危险绕击电流。Z_c为导线波阻抗；E_m为工作电压幅值。

对应一雷电流I，有一相应的击距r_c。在一定的r_s下，暴露弧在地面的投影为X，采用下式计算，式中θ为地面倾斜角。

$\mathrm{\χ}={\∫}_{{\mathrm{\θ}}_2}^{{\mathrm{\θ}}_1}{\∫}_{{\mathrm{\ψ}}_2\left(\mathrm{\θ}\right)}^{{\mathrm{\ψ}}_1\left(\mathrm{\θ}\right)}\frac{{\mathrm{\γ}}_s\·\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\ψ})}{\cos \mathrm{\ψ}}g\left(\mathrm{\ψ}\right)\mathrm{d\ψd\θ}$

考虑不同雷电流的出现概率，

${\mathrm{\χ}}^{\′}={\∫}_{I_0}^{I_k}\mathrm{\χP}\left(I\right)\mathrm{dI}$

式中P(I)为雷电流I的概率分布密度， $F=\frac{{2X}^{\′}}{W}$ 为危险绕击率，式中W为引雷宽度。

在上述基础上，可进行大跨越线路的防雷仿真计算。

大跨越线路的总雷击跳闸率仿真计算方法，

基于公式：N＝N_反+N_绕，其中N为大跨越线路的总雷击跳闸率，N_反为大跨越线路的反击跳闸率，N_绕为大跨越线路的绕击跳闸率，即包括大跨越线路的反击跳闸率的仿真计算方法以及大跨越线路的绕击跳闸率的仿真计算方法，该大跨越线路的反击跳闸率的计算方法基于EMTP程序，该程序包含杆塔阻抗和波速，雷击塔顶时的导线上的感应电压分量以及空气间隙闪络的判据；杆塔阻抗和波速采用行波桩法获得，雷击塔顶时的导线上的感应电压分量采用计算式获得，闪络判据采用相交法获得，大跨越线路的反击跳闸率的仿真计算方法包括以下步骤：

如图1所示，大跨越线路的反击跳闸率的仿真计算方法包括以下步骤：

a.运用EMTP程序，首先记录输入工作电压相角φ从0°增大到360°，其中增幅为30°，发生12次间隙闪洛时φ₁……φ₁₂所对应的输入电流值I₁、I₂、I₃……I₁₂；

b.定义ΔP表示雷电流在上述相邻两个电流之间出现的概率，Δφ表示与φ₁……φ₁₂对应的每一雷电流下出现反击的相角所占的百分比Δφ₁，Δφ₂，Δφ₃……Δφ₁₂，计算 ${\mathrm{\ΔP}}_1=P_1-P_2={10}^{-\frac{I_1}{88}}-{10}^{-\frac{I_2}{88}}......\mathrm{\Δ}{P}_{12}=$ $P_{12}-P_1={10}^{-\frac{I_{12}}{88}}-{10}^{-\frac{I_1}{88}},$ 应用至求和公式N_反＝gN_L∑Δφ×ΔP中，其中，g为击杆率，N_L为线路每100km每年的雷击次数，从而得到大跨越线路的反击跳闸率N_反。

发生12次间隙闪洛时φ₁……φ₁₂以及其分别所对应的输入电流值I₁、I₂、I₃……I₁₂如下得到：

I.设定计算步长Δt，其中Δt取值范围为0.03us到0.05us之间，并规定输入工作电压相角φ为0°；

II.取输入雷电流I为0～50kA，判断间隙是否闪络，若否，增大雷电流幅值，并再次判断间隙是否闪络，其中增加幅度为ΔI，其中ΔI为0～2kA，

III.若步骤II中间隙闪络，则记录此时的输出电流I₁值以及工作电压相角φ₁值，并将工作电压相角值增加30°，并判断此时φ值是否为360°，若否，重复步骤b；

IV.若步骤III中φ值为360°，由此得到与工作电压相角φ分别为φ₁为30°，φ₂为60°，φ₃为90°……φ₁₂为360°以及与其相对应的I₁，I₂，I₃……I₁₂值。

本实施例中，对于绕击跳闸率的计算方法仍然基于现有技术的电器几何模型即EMG模型，但不同于现有技术的是，计算绕击跳闸率本实施例是将大跨越线路分为10～100段，分别计算每一段的导、地线的空间几何位置，然后对大跨越线路各段的绕击跳闸率进行加权平均计算，最后得到大跨越线路总的绕击跳闸率，其步骤如下：

a.将大跨越线路分为10～100段，计算每一段的导、地线的空间几何位置；

b.根据每一段的空间几何位置，采用电气几何模型计算出现的最大绕击电流和绝缘的临界闪络电流；

c.采用绕击率计算公式计算每一段的绕击跳闸率；

d.对大跨越线路各段的绕击跳闸率进行加权平均计算，得到大跨越线路总的绕击跳闸率。

通过上述的步骤，分别计算出绕击跳闸率和反击跳闸率，即通过公式N＝N反+N绕，其中N为大跨越线路的总雷击跳闸率，N反为大跨越线路的反击跳闸率，N绕为大跨越线路的绕击跳闸率，得到大跨越线路的总雷击跳闸率。

本实施例同样也适用于侧高压的总雷击跳闸率的计算。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种大跨越线路的总雷击跳闸率仿真计算方法，

基于公式：N＝N_反+N_绕，其中N为大跨越线路的总雷击跳闸率，N_反为大跨越线路的反击跳闸率，N_绕为大跨越线路的绕击跳闸率，即包括大跨越线路的反击跳闸率的仿真计算方法以及大跨越线路的绕击跳闸率的仿真计算方法，该大跨越线路的反击跳闸率的计算方法基于EMTP程序，该程序包含杆塔阻抗和波速，雷击塔顶时的导线上的感应电压分量以及空气间隙闪络的判据；杆塔阻抗和波速采用行波桩法获得，雷击塔顶时的导线上的感应电压分量采用计算式获得，闪络判据采用相交法获得，其特征在于，大跨越线路的反击跳闸率的仿真计算方法包括以下步骤：

a.运用EMTP程序，首先记录输入工作电压相角φ从0°增大到360°，其中增幅为大于0°而小于或者等于30°，发生m次间隙闪洛时φ₁……φ_m所对应的输入电流值I₁、I₂、I₃……I_m；

b.定义ΔP表示雷电流在上述相邻两个电流之间出现的概率，Δφ表示与φ₁……φ_m对应的每一雷电流下出现反击的相角所占的百分比Δφ₁，Δφ₂，Δφ₃……Δφ_m，计算 ${\mathrm{\ΔP}}_1=P_1-P_2={10}^{-\frac{I_1}{88}}-{10}^{-\frac{I_2}{88}}......\mathrm{\Δ}{P}_m=$ $P_m-P_1={10}^{-\frac{I_m}{88}}-{10}^{-\frac{I_1}{88}},$ ......应用至求和公式N_反＝gN_L∑Δφ×ΔP中，其中，g为击杆率，N_L为线路每100km每年的雷击次数，从而得到大跨越线路的反击跳闸率N_反。

2.根据权利要求1所述的大跨越线路的总雷击跳闸率仿真计算方法，其特征在于，所述的增幅为30°，所述的m次间隙闪洛为12次，即发生12次间隙闪洛时φ₁……φ₁₂以及其分别所对应的输入电流值I₁、I₂、I₃……I₁₂如下得到：

I.设定计算步长Δt，其中Δt取值范围为0.03us到0.05us之间，并规定输入工作电压相角φ为0°；

II.取输入雷电流I为0～50kA，判断间隙是否闪络，若否，增大雷电流幅值，并再次判断间隙是否闪络，其中增加幅度为ΔI，其中ΔI为0～2kA，

III.若步骤II中间隙闪络，则记录此时的输出电流I₁值以及工作电压相角φ₁值，并将工作电压相角值增加30°，并判断此时φ值是否为360°，若否，重复步骤b；

IV.若步骤III中φ值为360°，由此得到与工作电压相角φ分别为φ₁为30°，φ₂为60°，φ₃为90°……φ₁₂为360°以及与其相对应的I₁，I₂，I₃……I₁₂值。

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