CN102072992B

CN102072992B - 基于精细地形数据的输电线路绕击防雷性能评估方法

Info

Publication number: CN102072992B
Application number: CN2010105260350A
Authority: CN
Inventors: 谷山强; 赵淳; 陈家宏; 冯万兴; 李晓岚; 谢耀恒; 童雪芳; 卢恩泽; 吴焯军; 丁黎
Original assignee: State Grid Wuhan High Voltage Research Institute; Wuhan NARI Ltd
Current assignee: Wuhan NARI Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: CN102072992A

Abstract

本发明是基于精细地形数据的输电线路绕击防雷性能评估方法，采用线路基本信息、线路地理信息、线路结构特征、线路绝缘特征，运用雷电参数统计方法获取指定时间段内、线路走廊统计雷电数据，运用GIS软件对输电线路走廊三维坐标进行扫描，根据与线路走廊垂直方向的三维坐标确定沿线地貌和地面倾角；根据沿线路方向的三维坐标确定地面起伏引起的导线对地高度变化，通过三维GIS扫描取得线路沿线精细地形数据；依据基于三维GIS扫描提取的精细地形数据进行各基杆塔的绕击跳闸率计算，依据线路绕击跳闸率的设计值、规定值或运行经验值，根据线路绕击跳闸率的参考值进行比较，获得指定时间段内的线路绕击防雷评估真实数据，实现线路绕击防雷性能评估。

Description

基于精细地形数据的输电线路绕击防雷性能评估方法

技术领域

本发明涉及电网防雷领域，特别是基于精细地形数据的输电线路绕击防雷性能评估方法，其适用于电力系统高压、超高压及特高压架空输电线路绕击防雷性能评估。

背景技术

中国现有的电网防雷体系主要是由输电线路外部防御和变电站核心防御构成，据有关资料介绍，因输电线路地处旷野，绵延数千里，是最容易遭受雷击的地面设施，相关部门虽然采取了多种防雷技术措施，但由于雷击造成的线路跳闸仍然居于各类跳闸原因的首位。因此，如何更加有效的针对输电线路防雷性能进行评估已成为业内关注的重要科研课题，正在受到电网运行人员的高度重视。这是因为输电线路防雷性能评估是指导输电线路防雷设计、掌握输电线路防雷性能、改造输电线路防雷措施工作的基础和重要组成部分。

申请人在研究中发现，输电线路防雷性能评估需要综合考虑线路走廊雷电活动、地形地貌特征、线路结构和绝缘配置、防雷计算方法、防雷措施等差异性。

针对线路走廊雷电活动的差异性对于防雷性能评估的影响，中国专利文献(申请号200810048399.5)公开的《基于雷电参数统计的输电线路防雷性能评估方法》，包括以下步骤：(1)给定需要进行防雷性能评估的输电线路信息；(2)对给定输电线路进行指定时间段内的地闪密度、雷电流幅值概率分布统计；(3)计算以杆塔进行分段的输电线路各区段在指定时间段内的雷击跳闸率；(4)依据线路雷击跳闸率的设计值、规定值或运行经验值设定参考值，根据(3)的结果对输电线路防雷性能在时空上的差异性进行评估。申请人认为：该方法只考虑了雷电活动差异性对于线路防雷性能的影响，而对于地形地貌等影响因素没有认真给予考虑。

申请人在研究中还发现，影响线路绕击性能的主要因素应包括线路走廊雷电活动、地形地貌、线路结构和绝缘配置。对于线路走廊雷电活动特征，中国专利文献(申请号200810048399.5)《基于雷电参数统计的输电线路防雷性能评估方法》给予了关注，并细致考虑了雷电活动差异性对于线路绕击防雷性能的影响。对于线路结构和绝缘配置，目前所应用的绕击防雷性能评估尚能够细致反映各基杆塔的结构特征和绝缘配置差异。然而，对于地形地貌的差异性，目前所知的绕击防雷性能评估方法通常考虑的较为粗糙。

据申请人所知，影响绕击防雷性能的地形地貌参数主要有三个：地貌、地面倾角和地面起伏引起的传导地线对地高度变化。目前，地貌提取通常依靠电网运行人员人工估计确定；由于地面倾角的现场测量十分困难，因此目前提取地面倾角，同样是基本靠人为估算，估算的结果与实际情况差异很大；地面起伏引起的导线对地高度变化则在目前的绕击防雷计算中基本未考虑，但对于山区大跨越杆塔而言，由于地面起伏波动较大，尤其跨越大山谷地区，地面海拔高度发生变化极大，因此造成档距中央的导线对地高度相比杆塔处有明显增大，地面对于导线的雷电屏蔽作用显著减小，此时仅以杆塔处的导线高度进行绕击防雷性能评估已明显不满足条件，会造成绕击跳闸率计算值显著偏小，导致无法准确反映地形对于绕击防雷性能的影响。

发明内容

本发明的目的是，针对现有输电线路绕击防雷性能评估中的不足，进行研究和改进，提出基于精细地形数据的输电线路绕击防雷性能评估方法。具体的说，其是一种利用三维GIS扫描数据提取输电线路走廊地貌、地面倾角、海拔高度对输电线路绕击防雷性能进行评估的方法。

本发明的技术解决方案是：采用线路基本信息、线路地理信息、线路结构特征、线路绝缘特征，在指定的时间段，运用雷电参数统计方法，获取指定时间段内、线路走廊统计雷电数据，其特征在于，运用GIS软件，通过计算机对输电线路走廊三维坐标进行扫描，根据与线路走廊垂直方向的三维坐标确定沿线地貌和地面倾角；根据沿线路方向的三维坐标确定地面起伏引起的导线对地高度变化，通过三维GIS扫描取得线路沿线精细地形数据；依据基于三维GIS扫描提取的精细地形数据进行各基杆塔的绕击跳闸率计算，并依据线路绕击跳闸率的设计值、规定值或运行经验值，再根据线路绕击跳闸率的参考值进行比较，获得指定时间段内的输电线路绕击防雷评估真实数据，实现考虑地形地貌差异化的输电线路绕击防雷性能评估，采用的基本步骤如下：

(1)根据输电线路各基杆塔的经纬度坐标，采用GIS软件进行沿线走廊三维坐标全扫描，获取杆塔处及档距内各点的地貌、地面倾角和导线对地高度的精细化参数；杆塔处及档距内各点的地貌包括平原、沿坡、山顶、山谷；

(2)以基本步骤(1)中获取的精细地形参数，结合给定的输电线路各基杆塔结构特征、绝缘配置和统计出的输电线路雷电参数，计算以杆塔进行分段的输电线路各区段在指定时间段内的绕击跳闸率，整条线路的绕击跳闸率为各基杆塔绕击跳闸率的加权平均值；

(3)依据输电线路绕击跳闸率的设计值、规定值和运行经验值，对基本步骤(2)中计算得到的各基杆塔和整条线路的绕击跳闸率进行绕击防雷性能评估，确定绕击闪络风险较高的杆塔号，为针对性的防雷改造提供依据。

其特征在于，输电线路绕击防雷性能评估所采用的地形数据是采用三维GIS扫描获取的。

其特征在于，地貌和地面倾角数据是根据垂直于线路方向的地形变化计算出的。

其特征在于，导线对地高度是根据沿线路走廊方向的地形变化计算出的。

其特征在于，评估结果能够反映杆塔处与档距内绕击防雷性能的差异性。

本发明的优点是，对输电线路绕击防雷性能的评估是基于三维GIS扫描提取的地形参数进行，其对输电线路绕击防雷性能的评估结果更加真实可靠，更能反映沿线地形对于评估结果的影响，改变以往输电线路绕击防雷性能以杆塔处计算结果代表全档距的状况。本发明的推广应用，将会有效的帮助输电线路设计和运行部门，掌握输电线路绕击防雷性能在地形分布上存在的差异，更加科学的、有针对性的采取防雷措施来提高输电线路的防雷性能，更加精细化的管理电网。

附图说明

图1、本发明的流程图

图2、本发明采用的三维GIS扫描路径图

图3、本发明采用的地貌数据扫描示意图

图4、本发明采用的地面倾角正负号判断示意图

图5、本发明采用的地貌判断示意图之一

图6、本发明采用的地貌判断示意图之二

图7、本发明采用的地貌判断示意图之二

图8、本发明采用的地貌判断示意图之四

图9、导线对地高度示意图

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的实施例作进一步的描述。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，本发明采用需要进行绕击防雷性能评估的线路信息，包括线路基本信息、线路地理信息、线路结构特征、线路绝缘特征，运用GIS软件，对输电线路走廊三维坐标进行扫描，根据与线路走廊垂直方向扫描点的三维坐标确定沿线地貌和地面倾角，根据沿线路方向扫描点的三维坐标确定地面起伏引起的导地线对地高度变化，基于三维GIS提取的精细地形数据；依据基于三维GIS扫描提取的精细地形数据进行各基杆塔的绕击跳闸率计算，并依据输电线路绕击跳闸率的设计值、规定值或运行经验值，实现考虑地形地貌差异化的输电线路绕击防雷性能评估；基本步骤包括：

(1)根据输电线路各基杆塔的经纬度坐标，采用GIS软件进行沿线走廊三维坐标扫描，获取杆塔处及档距内各点的地貌、地面倾角和导地线对地高度的精细地形数据；其中，杆塔处及档距内各点的地貌包括平原、沿坡、山顶、山谷；

(2)以基本步骤(1)中获取的精细地形数据，结合给定的输电线路各基杆塔结构特征、绝缘配置和统计出的输电线路雷电参数，计算以杆塔进行分段的输电线路各区段在指定时间段内的绕击跳闸率，整条线路的绕击跳闸率为各基杆塔绕击跳闸率的加权平均值；

(3)依据输电线路绕击跳闸率的设计值、规定值或运行经验值，对基本步骤(2)中计算得到的各基杆塔和整条线路的绕击跳闸率进行绕击防雷性能评估，确定绕击闪络风险较高的杆塔号，为针对性的防雷改造提供依据。

其中，输电线路绕击防雷性能评估所采用的地形数据是采用三维GIS扫描获取的；地貌和地面倾角数据是根据垂直于线路方向的地形变化计算出的；导地线对地高度是根据沿线路走廊方向的地形变化计算出的；

基本要求是，评估结果能够真实反映杆塔处与档距内绕击防雷性能的差异性。

本发明在实施中，针对需要进行绕击防雷性能评估的线路，具体采用以下步骤：

1)输电线路信息录入

给定需要进行绕击防雷性能评估的线路信息，包括线路基本信息、线路地理信息(线路各基杆塔的经纬度坐标)、线路结构特征(杆塔、导线、地线的结构和几何尺寸)、线路绝缘特征(绝缘子串干弧距离、杆塔接地电阻)。

2)输电线路走廊精细地形地貌数据计算分析

地形地貌数据基于三维GIS扫描技术提取，扫描路径如图2所示。以图2中46#杆塔为例，计算其绕击跳闸率时，需考虑46#杆塔小号侧半档距至大号侧半档距内各点的绕击跳闸率，进行积分。由于三维GIS扫描计算量十分巨大，在一小段档距内地形起伏可以近似认为是线性变化。因此，本发明选择在小号侧1/2、3/8、1/4、1/8档距处，杆塔处，大号侧1/8、1/4、3/8、1/2档距处(即每隔1/8档距)设置一个扫描点，提取各点的海拔高度；同时对各点垂直于导线方向(若为转角塔，则取前后档距角平分线方向)左右各100m的路径进行扫描，左右分别在距离杆塔25m、50m、75m、100m处提取地面海拔高度。

地貌数据扫描示意图如图3所示。以杆塔为中心(若在档距中央，则以线路为中心)，对左右两侧分别距其25m、50m、75m、100m处进行GIS扫描，提取这些点的海拔高度，在此基础上计算出各点相对杆塔的地面倾角θ_i(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)。

由于地面倾角的取值正负对于绕击防雷计算存在影响，因此除了得到地面倾角值，还需要分析其正负。图4所示为地面倾角θ符号的定义。h₁、h₂均为海拔高度，有：

h₂＜h₁，θ＞0

h₂＞h₁，θ＜0

地貌分为山顶、沿坡、山谷和平地，用杆塔左右各50m处获得的地面倾角θ(即θ₃和θ₆)来定义。对地貌判断示如图5、图6、图7、图8所示。根据图5所示，如果θ₃＞0、θ₆＞0，则该杆塔所处地貌为山顶；根据图6所示，如果θ₃＞0、θ₆＜0或θ₃＜0、θ₆＞0，则该杆塔所处地貌为沿坡；根据图7所示，如果θ₃＜0、θ₆＜0，则该杆塔所处地貌为山谷；根据图8所示，如果θ₃＝0、θ₆＝0，则该杆塔所处地貌为平地。

最终的地面倾角

θ_i(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)。即最终的地面倾角是上述8个扫描点处地面倾角的绝对值的加权平均值。

为反映由地势起伏造成的线路走廊上各点的导地线对地高度变化，沿线路方向每个1/8档距设置一个扫描点，提取该点的海拔高度。如图9所示，L1是小号侧档距，L2是大号侧档距，AB、BC、CD、DE间隔为L1/8，EF、FG、GH、HI间隔为L2/8，E点杆塔处的导线高度为h_E，E点地面海拔高度为H_E；前一基杆塔1的导线高度为h₁，杆塔1处地面海拔高度为H₁；后一基杆塔2的导线高度为h₂，杆塔2处地面海拔高度为H₂。若求A点的导线对地高度h_A，通过GIS扫描可以获取A点的海拔高度为H_A，A点导线弧垂为Larcdown_A，则有：

h_A＝(H₁+h₁-(H_E+h_e))/2+H_E+h_e-H_A-Larcdown_A

档距中央处的地线对地高度也可以通过该方法求得。

3)输电线路各基杆塔绕击跳闸率计算

综合雷电统计参数、线路结构特征、线路绝缘特征，采用基于三维GIS扫描提取的精细地形参数进行线路绕击跳闸率计算。如图9所示，计算时分别采用A～I各点的地貌、地面倾角、导地线对地高度，E点处杆塔绕击跳闸率SFFOR为(SFFOR_A、SFFOR_B、SFFOR_C、SFFOR_D、SFFOR_E、SFFOR_F、SFFOR_G、SFFOR_H、SFFOR_I为A～I各点处的绕击跳闸率)：

SFFOR＝(SFFOR_A×L1/16+SFFOR_B×L1/8+SFFOR_C×L1/8++SFFOR_D×L1/8

+SFFOR_E×(L1/16+L2/16)+SFFOR_F×L2/8+SFFOR_G×L2/8+SFFOR_H×L2/8

+SFFOR_I×L2/16)/(L1/2+L2/2)

即各基杆塔的绕击跳闸率为杆塔小号侧半档距至大号侧半档距内各扫描点处绕击跳闸率的加权平均值。

4)输电线路绕击防雷性能评估

根据线路绕击跳闸率的设计值、规定值或运行经验值确定参考标准，将输电线路各基杆塔的绕击跳闸率计算值与参考标准比较，确定绕击闪络风险评估等级，分级指标如表1所示，其中Pr为计算绕击跳闸率，Sr为参考标准，A级为最优，D级为风险等级最高。

表1绕击防雷性能分级指标

作为一个例子，本发明针对某500kV输电线路2004～2010年的绕击防雷性能进行了评估。表2是该线路内某10个(17#-26#)基杆塔的地貌数据，其中包括采用三维GIS扫描提取的地貌数据和电网运行人员根据人工估计提供的数据。可见，两组地貌数据差异明显。

表2某500kY线路内10基杆塔地貌数据

分别采用两组地貌数据进行绕击防雷性能评估，其中三维GIS扫描数据同时考虑档距中央处导线对地高度修正，而人工估计参数只采用杆塔处的导线对地高度进行计算(即常规防雷计算方法)。表3为这10个(17#-26#)基杆塔的绕击防雷性能评估结果。这里，绕击跳闸率参考标准选为0.14次/百公里·年，其中18#杆塔实际运行中曾发生过绕击跳闸。比较两组评估结果，发现采用三维GIS扫描数据得到的评估结果中18#杆塔绕击闪络风险等级为D级，而采用人工估计参数得到18#杆塔的绕击风险等级为B级；且扫描数据得到的这10个(17#-26#)基杆塔整体防雷性能较差，而人工估计参数得到的评估结果表明这10个(17#-26#)基杆塔整体防雷性能较好。可见，基于精细地形数据的输电线路绕击防雷性能评估结果能够更加客观真实的反映线路防雷性能，能更加有效的指导运行部门进行差异化防雷治理改造。

表3某500kV线路内10基杆塔绕击防雷性能评估结果

Claims

1.基于精细地形数据的输电线路绕击防雷性能评估方法，采用线路基本信息、线路地理信息、线路结构特征、线路绝缘特征，在指定的时间段，运用雷电参数统计方法，获取指定时间段内、线路走廊统计雷电数据，其特征在于，运用GIS软件，通过计算机对输电线路走廊三维坐标进行扫描，根据与线路走廊垂直方向的三维坐标确定沿线地貌和地面倾角；根据沿线路方向的三维坐标确定地面起伏引起的导线对地高度变化，通过三维GIS扫描取得线路沿线精细地形数据；依据基于三维GIS扫描提取的精细地形数据进行各基杆塔的绕击跳闸率计算，并依据线路绕击跳闸率的设计值、规定值或运行经验值，再根据线路绕击跳闸率的参考值进行比较，获得指定时间段内的输电线路绕击防雷评估真实数据，实现考虑地形地貌差异化的输电线路绕击防雷性能评估，采用的基本步骤如下：

2.根据权利要求1所述的基于精细地形数据的输电线路绕击防雷性能评估方法，其特征在于，地貌和地面倾角数据是根据垂直于线路方向的地形变化计算出的。

3.根据权利要求1所述的基于精细地形数据的输电线路绕击防雷性能评估方法，其特征在于，导线对地高度是根据沿线路走廊方向的地形变化计算出的。

4.根据权利要求1所述的基于精细地形数据的输电线路绕击防雷性能评估方法，其特征在于，讦估结果能够反映杆塔处与档距内绕击防雷性能的差异性。