CN102156787B - 区域输电线路雷击闪络风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区域输电线路雷击闪络风险评估模型，包括数据库、绕击风险评估模型、反击风险评估模型和风险值综合模块，数据库用于提供各种参数及参数的取值，绕击风险评估模型主要采用改进电气几何模型算法求出绕击跳闸率，反击风险评估模型采用规程法计算反击跳闸率，风险值综合模块将绕击跳闸率和反击跳闸率相加得到总的雷击跳闸率。本模型综合了改进电气几何模型和规程法的优点，采用了雷电定位系统的数据，考虑了杆塔塔型对反击耐雷水平的影响，提高了区域输电线路雷击闪络风险评估的精确度。本发明还公开了一种与上述模型对应的区域输电线路雷击闪络风险评估方法，将模型与方法结合，即可实现雷击闪络风险的评估。

Description

区域输电线路雷击闪络风险评估方法

技术领域

本发明涉及输电线路雷电风险评估技术领域，特别涉及一种区域输电线路雷击闪络风险评估模型与方法。 

背景技术

雷击是引起输电线路故障的主要原因之一。输电线路遭受雷击不一定跳闸，只有当雷电流幅值超过耐雷水平时，才会出现闪络即跳闸，一旦跳闸，将产生严重影响。因此，对雷击闪络风险的评估或者说对雷击跳闸率的计算有利于输电线路的运行维护，便于各种防雷设计。 

根据雷击对象的不同，雷击可分为反击和绕击，反击的雷击对象为杆塔，绕击的雷击对象为导线。我国采用的规程法（DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》推荐的方法）就是将雷击分为反击和绕击来评估某条输电线路的雷击跳闸率。该方法根据模拟实验与运行经验指出，绕击率P_α与避雷线对导线外侧的保护角、杆塔高度以及沿线路的地形地貌有关，可以按近似公式计算： 

(平原输电线路)(1) 

(山区输电线路)(2) 

式中，P_α为绕击率，α为保护角(度)，h_b为避雷线高度(m)。 

设N₁为输电线路绕击跳闸率，则N₁可由下式计算： 

N₁＝N_LηP_αP₁            (3) 

设N₂为输电线路反击跳闸率，则N₂可由下式计算： 

N₂＝N_LηgP₂              (4) 

设N为输电线路总的雷击跳闸率，则N可由下式计算： 

N＝N₁+N₂            (5) 

其中，N_L为每100km输电线路每年(40个雷电日)遭受雷击的次数(次／(100km·年)，其表达式如下： 

N_L＝0.1N_s(b+4h_b)            (6) 

P₁为雷电流幅值超过绕击耐雷水平I₁的概率，P₂为雷电流幅值超过反击耐雷水平I₂的概率，耐雷水平I₂的计算公式如(7)式所示，η为建弧率，g为击杆率，平原地区取1/6，山区取1/4，N_s为地闪密度，b为两根避雷线之间的距离，h_b为避雷线的高度。 

$I_2=\frac{U_{50\%}}{(1-K_c)[{\mathrm{\β}}_g(R_{\mathrm{ch}}+\frac{L_0{h}_g}{2.6})+\frac{h_d^{\′}}{2.6}]}---\left(7\right)$

U_50%为绝缘子串冲击闪络放电电压，K_c为导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数，β_g为杆塔分流系数，R_ch为杆塔接地电阻，h′_d为导线高度，h_d为导线横担高度，h_g为杆塔高度，L₀为单位长度杆塔等值电感。 

规程法中地闪密度N_s的取值采用的是浙江地区的雷击数据，由于落雷情况存在地域差异，浙江地区的雷击数据显然不符合其他地区的落雷分布，而且浙江地区雷击数据的监测是基于气象部门目测、耳闻等一些感官手段，往往造成漏测、误测现象。另外，杆塔塔型对反击风险的影响较大，而规程法在计算反击跳闸率的时候并没有对杆塔塔型进行区分，反击耐雷水平的计算也忽略了塔顶和导线挂点的电位差。由式(1)、(2)可知，规程法将地形分为平原和山区两种来计算绕击率，影响绕击率P_α的因素为保护角α和避雷线高度h_b，将绕击率P_α乘上雷电流超过绕击耐雷水平的概率P₁既得到绕击引发跳闸的概率。 

上述规程法对绕击引发跳闸的概率的计算法过于简单，事实上影响该概率的因素还包括很多。改进电气几何模型是对经典电气几何模型进行改进后的一种评估绕击风险的几何分析计算方法，该方法以雷击机理为基础，与实际运行经验比较吻合，在许多国家早已得到公认和应用。其核心是Whitehead Brown的绕击模型，如图1所示。 

其提出了击距的概念，引入了绕击率与雷电流幅值有关的观点，将雷电的放电特性与线路的结构尺寸联系起来。 

改进电气几何模型最大击距的计算公式如下： 

$R_{\mathrm{SM}}=\frac{(h_d+h_b)\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{{(h_d+h_b)}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}-{\cos }^2(\mathrm{\α}+\mathrm{\θ}){(h_d-h_b)}^2}\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})}{2{\cos }^2(\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})}---\left(8\right)$

式中，h_b为避雷线高度，h_d为导线横担高度，θ为地面倾角，α为保护角。最大绕击电流为： 

$I_{\mathrm{SM}}=0.65\sqrt{\frac{1}{8}{R}_{\mathrm{SM}}}---\left(9\right)$

最小绕击电流即绕击耐雷水平为： 

$I_{\mathrm{SC}}=\frac{U_{50\%}}{100}---\left(10\right)$

U_50％采用暴露弧投影法得到： 

$\mathrm{\ΔP}=P\left(I\right)\frac{X_c-X_b}{X_c}\mathrm{\ΔI}---\left(11\right)$

P(I)是雷电流幅值概率分布函数，X_c对应的是上图中Ci点的横坐标，X_b 对应的是Bi点的横坐标。绕击引发跳闸的概率为： 

$P_b={\∫}_{I_{\mathrm{SC}}}^{I_{\mathrm{SM}}}\mathrm{\ΔPdI}---\left(12\right)$

相比规程法对绕击风险的计算，改进电气几何模型有了较大进步，但采用该几何模型计算的结果为绕击引发跳闸的概率，如式(12)所示，这与规程法计算的结果绕击跳闸率不是同一物理量。 

发明内容

本发明提出了一种区域输电线路雷击闪络风险评估模型与方法，将改进电气几何模型与规程法相结合来计算输电线路的雷击跳闸率，使雷击闪络风险的评估更精确。 

本发明区域输电线路雷击闪络风险评估模型，包括： 

数据库，用于存储雷电参数、杆塔参数、地形地貌参数和线路参数及各参数的取值； 

绕击风险评估模型，用于采用所述数据库中的参数利用改进电气几何模型算法求出每个杆塔绕击引发跳闸的概率P_b，再计算每个杆塔的绕击跳闸率N₁，P_b和N₁的计算公式分别为： 

$P_b={\∫}_{I_{\mathrm{SC}}}^{I_{\mathrm{SM}}}P\left(I\right)\frac{X_c-X_b}{X_c}\mathrm{dI}$

N₁＝N_LηP_b

I表示雷电流幅值，I_SM为最大绕击电流，I_SC为最小绕击电流，P(I)为雷电流幅值概率分布函数，X_c为改进电气几何模型示意图中C_i点的横坐标，X_b为改进电气几何模型示意图中B_i点的横坐标，η为建弧率，N_L为每100km输电线路年落雷次数，该落雷次数以每年40个雷暴日为前提，每个杆塔对应的N_L的计算公式为： 

N_L＝0.1N_s(b+4h_b) 

N_s为地闪密度，b为两根避雷线之间的距离，h_b为避雷线的高度； 

反击风险评估模型，用于采用所述数据库中的参数运用规程法计算每个杆塔的反击跳闸率N₂，N₂的计算公式为： 

N₂＝N_LηgP₂

g为击杆率，P₂为雷电流幅值超过反击耐雷水平I₂的概率； 

风险值综合模块，用于对每个杆塔的所述绕击跳闸率N₁和所述反击跳闸率N₂求和，得到每个杆塔的雷击跳闸率N： 

N＝N₁+N₂。 

优选地，所述反击风险评估模型还用于采用下述公式计算每个杆塔的所述反击耐雷水平I₂： 

$I_2=\frac{U_{50\%}}{(1-K_c)({\mathrm{\β}}_g{R}_{\mathrm{ch}}+\frac{h_d^{\′}}{2.6})+\frac{{\mathrm{\β}}_g{L}_0}{2.6}(h_d-K_c{h}_g)}$

U_50%为绝缘子串冲击闪络放电电压，K_c为导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数，β_g为杆塔分流系数，R_ch为杆塔接地电阻，h′_d为导线高度，h_d为导线横担高度，h_g为杆塔高度，L₀为单位长度杆塔等值电感， 

所述反击风险评估模型还用于根据杆塔塔型对K_c和h′_d取不同的值： 

对于单回猫头型杆塔，K_c为杆塔平面剖图中间相导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数， 

$h_d^{\′}=h_d-l_f-\frac{2}{3}{f}_d$

l_f为绝缘子串长，f_d为导线弧垂； 

对于单回干字型杆塔，K_c为杆塔平面剖图中间相导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数， 

$h_d^{\′}=h_d-\frac{2}{3}{f}_d$

对于单回门型和酒杯型杆塔，K_c为杆塔平面剖图左边相或右边相导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数， 

$h_d^{\′}=h_d-l_f-\frac{2}{3}{f}_d$

对于多回转角塔，K_c和h′_d的取值与单回干字型杆塔的取值相同，对于多回直线塔，K_c和h′_d的取值与单回门型和酒杯型杆塔的取值相同。 

优选地，还包括雷电参数整理模块，用于根据雷电定位系统的数据计算所述地闪密度N_s并将其作为雷电参数存储到所述数据库。 

优选地，所述雷电参数整理模块还用于将待评估区域划分为若干个2km² 的网格，计算每个网格的地闪密度N_s，绕击风险评估模型与反击风险评估模 型在计算每个杆塔对应的N_L时，采用该杆塔所属网格的地闪密度N_s。 

优选地，还包括可视化模块，所述风险之综合模块还用于将各个杆塔的雷击跳闸率存入所述数据库，所述可视化模块与所述数据库相连，用于将所有网格的地闪密度N_s划分等级，每个等级对应一种颜色，生成kml文件，各个杆塔的参数、参数的取值及雷击跳闸率也生成kml文件，导入Google Earth软件，将待评估区域的风险等级分布图、各个杆塔的参数、参数的取值及雷击跳闸率显示出来。 

优选地，所述雷电参数整理模块还用于根据雷电定位系统的数据拟合出所述雷电流幅值概率分布函数P(I)并将其作为雷电参数存储到所述数据库。 

优选地，所述雷电参数整理模块还用于将所述雷电定位系统的雷电流幅值分为(0,47.5)和[47.5,+∞)两个区间来拟合所述雷电流幅值概率分布函数P(I)。 

本发明区域输电线路雷击闪络风险评估方法，包括步骤： 

S1、收集参数并记录参数的取值，所述参数包括雷电参数、杆塔参数、地形地貌参数和线路参数； 

S2、采用上述参数计算每个杆塔的绕击跳闸率N₁和反击跳闸率N₂； 

S3、对每个杆塔的所述绕击跳闸率N₁和所述反击跳闸率N₂求和，得到每个杆塔的雷击跳闸率N， 

所述步骤S2计算每个杆塔的绕击跳闸率时，首先利用改进电气几何模型算法求出每个杆塔绕击引发跳闸的概率P_b，再计算每个杆塔的绕击跳闸率N₁，P_b和N₁的计算公式分别为： 

$P_b={\∫}_{I_{\mathrm{SC}}}^{I_{\mathrm{SM}}}P\left(I\right)\frac{X_c-X_b}{X_c}\mathrm{dI}$

N₁＝N_LηP_b

I表示雷电流幅值，I_SM为最大绕击电流，I_SC为最小绕击电流，P(I)为雷电流幅值概率分布函数，X_c为改进电气几何模型示意图中C_i点的横坐标，X_b为改进电气几何模型示意图中B_i点的横坐标，η为建弧率，N_L为每100km 输电线路年落雷次数，该落雷次数以每年40个雷暴日为前提，每个杆塔对应的N_L的计算公式为： 

N_L＝0.1N_s(b+4h_b) 

N_s为地闪密度，b为两根避雷线之间的距离，h_b为避雷线的高度； 

所述步骤S2计算反击跳闸率N₂时，N₂的计算公式为： 

N₂＝N_LηgP₂

g为击杆率，P₂为雷电流幅值超过反击耐雷水平I₂的概率； 

所述步骤S3中每个杆塔的雷击跳闸率N的计算公式为： 

N＝N₁+N₂。 

优选地，所述步骤S2计算每个杆塔的反击跳闸率N₂时，采用步骤S1的参数利用下述公式计算每个杆塔的所述反击耐雷水平I₂： 

$I_2=\frac{U_{50\%}}{(1-K_c)({\mathrm{\β}}_g{R}_{\mathrm{ch}}+\frac{h_d^{\′}}{2.6})+\frac{{\mathrm{\β}}_g{L}_0}{2.6}(h_d-K_c{h}_g)}$

U_50%为绝缘子串冲击闪络放电电压，K_c为导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数，β_g为杆塔分流系数，R_ch为杆塔接地电阻，h′_d为导线高度，h_d为导线横担高度，h_g为杆塔高度，L₀为单位长度杆塔等值电感， 

杆塔塔型不同，K_c和h′_d的取值也不同： 

对于单回猫头型杆塔，K_c为杆塔平面剖图中间相导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数， 

$h_d^{\′}=h_d-l_f-\frac{2}{3}{f}_d$

l_f为绝缘子串长，f_d为导线弧垂； 

对于单回干字型杆塔，K_c为杆塔平面剖图中间相导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数， 

$h_d^{\′}=h_d-\frac{2}{3}{f}_d$

对于单回门型和酒杯型杆塔，K_c为杆塔平面剖图左边相或右边相导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数， 

$h_d^{\′}=h_d-l_f-\frac{2}{3}{f}_d$

对于多回转角塔，K_c和h′_d的取值与单回干字型杆塔的取值相同，对于多回直线塔，K_c和h′_d的取值与单回门型和酒杯型杆塔的取值相同。 

优选地，所述雷电参数包括地闪密度N_s，所述地闪密度N_s为根据雷电定位系统的数据求取得来。 

优选地，所述步骤S1之前还包括步骤： 

将待评估区域划分为若干个2km²的网格，根据雷电定位系统的数据计算每个网格的地闪密度N_s， 

所述步骤S1收集的雷电参数包括每个网格的地闪密度N_s，所述步骤S2在计算每个杆塔对应的N_L时，采用该杆塔所属网格的地闪密度N_s。 

优选地，所述步骤计算出每个网格的地闪密度N_s后还包括步骤： 

将所有网格的地闪密度N_s划分等级，每个等级对应一种颜色，生成kml文件，各个杆塔的参数、参数的取值及雷击跳闸率也生成kml文件，导入GoogleEarth软件，将待评估区域的风险等级分布图、各个杆塔的参数、参数的取值及雷击跳闸率显示出来。 

优选地，在所述步骤S1之前还包括步骤： 

根据雷电定位系统的数据拟合出所述雷电流幅值概率分布函数P(I)， 

所述步骤S1收集的雷电参数包括所述雷电流幅值概率分布函数P(I)。 

优选地，所述步骤根据雷电定位系统的数据拟合出所述雷电流幅值概率分布函数P(I)具体为： 

将所述雷电定位系统的雷电流分为(O，47.5)和[47.5，+∞)两个区间来拟合所 述雷电流幅值概率分布函数P(I)。 

本发明区域输电线路雷击闪络风险评估模型，其绕击风险评估模型先采用改进电气几何模型算法求出绕击引发跳闸的概率，再模拟规程法中绕击风险的公式算出绕击跳闸率，反击风险评估模型则采用规程法中反击风险的算法求出反击跳闸率，风险值综合模块则将绕击跳闸率和反击跳闸率相加得到总的雷击跳闸率。使得该模型既拥有改进电气几何模型计算绕击风险的优点，又具有规程法将绕击风险和反击风险综合考虑的全面性。另外，反击风险评估模型考虑了塔顶与导线横担之间的电位差，根据不同的塔型分别计算反击耐雷水平，雷电参数整理模块还根据雷电定位系统的数据整理出雷电参数，使计算出的雷击跳闸率更接近实际情况。本发明的区域输电线路雷击闪络风险评估方法是与上述模型相对应的一种方法，其有益效果不再赘述。 

附图说明

图1是改进电气几何模型示意图； 

图2是本发明区域输电线路雷击闪络风险评估模型实施例一的结构示意图； 

图3是单回猫头型杆塔平面剖图； 

图4是单回干字型杆塔平面剖图； 

图5是单回酒杯型杆塔平面剖图； 

图6是本发明区域输电线路雷击闪络风险评估模型实施例三的结构示意图； 

图7是本发明区域输电线路雷击闪络风险评估模型实施例五的结构示意图； 

图8是本发明区域输电线路雷击闪络风险评估方法实施例一的流程示意图； 

图9是本发明区域输电线路雷击闪络风险评估方法实施例四的流程示意 图； 

图10是本发明区域输电线路雷击闪络风险评估方法实施例五的流程示意图； 

图11是本发明区域输电线路雷击闪络风险评估方法实施例六的流程示意图。 

具体实施方式

本发明区域输电线路雷击闪络风险评估模型结合改进电气几何模型算法与规程法的优点，求出绕击跳闸率和反击跳闸率，还将杆塔塔型的影响考虑进来，并采用雷电定位系统的数据，使对雷击闪络风险的评估更加精确。下面结合附图和实施例详细解释本模型。 

实施例一 

本发明本发明区域输电线路雷击闪络风险评估模型，如图2所示，包括： 

数据库，用于存储雷电参数、杆塔参数、地形地貌参数和线路参数及各参数的取值； 

绕击风险评估模型，用于采用所述数据库中的参数利用改进电气几何模型算法求出每个杆塔绕击引发跳闸的概率P_b，再计算每个杆塔的绕击跳闸率N₁，P_b和N₁的计算公式分别为： 

$P_b={\∫}_{I_{\mathrm{SC}}}^{I_{\mathrm{SM}}}P\left(I\right)\frac{X_c-X_b}{X_c}\mathrm{dI}---\left(13\right)$

N₁＝N_LηP_b(14) 

I表示雷电流幅值，I_SM为最大绕击电流，I_SC为最小绕击电流即绕击耐雷水平，P(I)为雷电流幅值概率分布函数，X_c为改进电气几何模型示意图中C_i点的横坐标，X_b为改进电气几何模型示意图中B_i点的横坐标，η为建弧率，N_L为每100km输电线路年(40个雷暴日)落雷次数，每个杆塔对应的N_L的计算公式如式(6)所示： 

N_L＝0.1N_s(b+4h_b)(6) 

N_s为地闪密度，b为两根避雷线之间的距离，h_b为避雷线的高度； 

反击风险评估模型，用于采用所述数据库中的参数运用规程法计算每个杆塔的反击跳闸率N₂，N₂的计算公式如式(4)所示： 

N₂＝N_LηgP₂(4) 

g为击杆率，P₂为雷电流幅值超过反击耐雷水平I₂的概率； 

风险值综合模块，用于对每个杆塔的所述绕击跳闸率N₁和所述反击跳闸率N₂求和，得到每个杆塔的雷击跳闸率N，如式(5)所示： 

N＝N₁+N₂(5) 

如图2所示，数据库、绕击风险评估模型、风险值综合模块和反击风险评估模型四者依次相连，首尾相接围成一个环。其中，数据库存储着待评估区域内的各种参数及参数的取值，这些参数都影响着雷击闪络的风险值即关系着雷击后跳闸的概率，如雷电参数、杆塔参数。绕击风险评估模型和反击风险评估模型，顾名思义，是用来评估绕击风险和反击风险的，绕击风险评估模型用绕击跳闸率来反映绕击风险，反击风险评估模型用反击跳闸率来反映反击风险，两者各自计算出每个杆塔的绕击跳闸率和反击跳闸率，风险值综合模块则将每个杆塔的绕击跳闸率和反击跳闸率相加得到每个杆塔总的雷击跳闸率，本模型既用各个杆塔的雷击跳闸率来反映输电线路的雷击闪络风险。 

“绕击率”、“绕击引发跳闸的概率”和“绕击跳闸率”是三个不同的概念。“绕击率”是指雷击并绕击的概率，“绕击引发跳闸的概率”是指绕击并跳闸的概率，“绕击跳闸率”是指绕击并跳闸的频率，其单位是次/(100km·年)。 

绕击风险评估模型的中心思想是改进电气几何模型算法，但改进电气几何模型算法的结果是绕击引发跳闸的概率P_b，为了与反击风险评估模型的结果反击跳闸率统一量纲，绕击风险评估模型参考规程法中绕击跳闸率的计算公式，P_b就相当于公式中的P_αP₁。因此，将P_b作为P_αP₁带入规程法绕击跳闸率的公式，得到以改进电气几何模型为基础的绕击跳闸率。反击风险评估模型采用 的则是规程法中反击跳闸率的算法。 

实施例二 

耐雷水平是跳闸与否的关键所在，其高低直接关系着跳闸率的计算结果。塔顶与导线挂店的电位差及塔型的不同直接影响着反击耐雷水平，实施例一即规程法却忽略了这两个因素对反击耐雷水平的影响，导致反击跳闸率的计算不够精确。本实施例的反击风险评估模型则综合考虑了上述两个因素，首先修正了反击耐雷水平的计算公式，其次针对不同的塔型，反击耐雷水平公式中的两个参数取不同的值。 

规程法提到，作用在塔顶的电压为： 

$U_g={\mathrm{\β}}_{g}I(R_{\mathrm{ch}}+\frac{L_0{h}_g}{2.6})---\left(15\right)$

β_g为杆塔的分流系数，小于1，R_ch为杆塔接地电阻，L₀为单位长度杆塔等值电感，h_g杆塔高度。规程法将导线横担电压U_d与塔顶电压U_g视为相等，忽略了二者之间的电位差。本实施例的反击风险评估模型根据分压原理，求出了导线横担电压，即为冲击接地电阻上的电压与相应横担高度电感的电压之和： 

$U_d={\mathrm{\β}}_{g}I(R_{\mathrm{ch}}+\frac{L_0{h}_d}{2.6})---\left(16\right)$

避雷线与导线之间存在耦合，极性与雷电流相同，因此，作用在绝缘子串的电压为： 

$U_0=U_d-K_c{U}_g={\mathrm{\β}}_{g}I(R_{\mathrm{ch}}+\frac{L_0{h}_d}{2.6})-K_c{\mathrm{\β}}_{g}I(R_{\mathrm{ch}}+\frac{L_0{h}_g}{2.6})---\left(17\right)$

记及雷击杆塔时导线上产生的感应电压为： 

$U_c=-\frac{I}{2.6}{h}_d^{\′}+K_c\frac{I}{2.6}{h}_d^{\′}---\left(18\right)$

此时，作用在中间导线绝缘子串上的电压为： 

$U_j=U_0-U_c={\mathrm{\β}}_{g}I(R_{\mathrm{ch}}+\frac{L_0{h}_d}{2.6})-K_c{\mathrm{\β}}_{g}I(R_{\mathrm{ch}}+\frac{L_0{h}_g}{2.6})+\frac{I}{2.6}{h}_d^{\′}-K_c\frac{I}{2.6}{h}_d^{\′}---\left(19\right)$

当U_j等于或大于绝缘子串50%冲击放电电压，绝缘子串将会出现闪络。 由此，修正后的反击耐雷水平的计算公式如下： 

$I_2=\frac{U_{50\%}}{(1-K_c)({\mathrm{\β}}_g{R}_{\mathrm{ch}}+\frac{h_d^{\′}}{2.6})+\frac{{\mathrm{\β}}_g{L}_0}{2.6}(h_d-K_c{h}_g)}---\left(20\right)$

反击风险评估模型既采用上述公式计算反击耐雷水平。其中，U_50%为绝缘子串冲击闪络放电电压，K_c为导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数，β_g为杆塔分流系数，R_ch为杆塔接地电阻，h′_d为导线高度，h_d为导线横担高度，h_g为杆塔高度，L₀为单位长度杆塔等值电感。 

K_c＝K_c0K_c1                   (21) 

$K_{c0}=\frac{\ln \frac{\sqrt{{(h_b+h_d)}^2+{(l_d-l_b)}^2}}{\sqrt{{(h_b-h_d)}^2+{(l_d-l_b)}^2}}+\ln \frac{\sqrt{{(h_b+h_d)}^2+{(l_d+l_b)}^2}}{\sqrt{{(h_b-h_d)}^2+{(l_d+l_b)}^2}}}{\ln \frac{2\×h_b}{r}+\ln \frac{\sqrt{4h_b^2+4l_b^2}}{2l_b}}---\left(22\right)$

K_c0为几何耦合系数，K_c1为电晕校正系数，l_b、l_d分别为避雷线横担长度和导线横担长度，r为避雷线半径。 

目前，单回输电线路主干网主要存在干字型、猫头型、酒杯型、门型四种型式的杆塔，图3、4、5分别为单回猫头型、干字型、酒杯型杆塔的平面剖图。输电线路上的导线有三相，按照水平位置的不同，三相导线分为左边相导线、右边相导线和中间相导线，左边相导线和右边相导线统又称为两边相导线。不同形式的杆塔，其绝缘子串不同，三相导线的空间排列不同，导致K_c与h′_d的取值不同，雷击杆塔时，各相导线绝缘子两端承受的电压也不同。计算K_c时，应以绝缘子两端承受电压最大的那相导线为对象，计算h′_d时，则要考虑绝缘子串是悬垂串还是耐张串。 

图3所示单回猫头型杆塔的三相导线排列成等腰三角形，通常设计为直线塔，采用悬垂串绝缘子悬挂导线。左右两相导线的高度相对于水平面平行，中间相导线绝缘子两端承受的电压大于左右两相导线绝缘子两端承受的电压，其记及电晕影响的耦合校正系数K_c也最大。因此，单回猫头型杆塔以中间相导线为对象计算K_c，又由于单回猫头型杆塔导线绝缘子串为悬垂串，其导线横 担高度与导线高度的关系为： 

$h_d^{\′}=h_d-l_f-\frac{2}{3}{f}_d$

l_f为绝缘子串长，f_d为导线弧垂。 

图4所示单回干字型杆塔三相导线通常设计为转角塔，采用耐张串绝缘子。与单回猫头塔相同，其中间相导线绝缘子两端承受的电压大于左右两相导线绝缘子两端承受的电压，中间相导线记及电晕影响的耦合校正系数K_c也最大。因此，单回干字塔以中间相导线为对象计算K_c，但由于其绝缘子串为耐张串，导线横担高度与导线高度之间的关系为： 

$h_d^{\′}=h_d-\frac{2}{3}{f}_d$

图5所示单回酒杯型杆塔，其三相导线水平排列，塔顶与各相导线之间的等值电感相等。两边相导线相对于中间相对称，两边相导线绝缘子两端承受的电压相等且大于中间相导线绝缘子两端承受的电压。因此，单回酒杯型杆塔以左边相或右边相导线为对象计算K_c，其绝缘子串也是悬垂串，导线横担高度和导线高度之间的关系与单回猫头塔相同： 

$h_d^{\′}=h_d-l_f-\frac{2}{3}{f}_d$

门型杆塔，由于其三相导线空间排列与酒杯型杆塔相似，绝缘子串也是悬垂串。因此，门型杆塔K_c和h′_d的取值与酒杯型杆塔一致。 

对于多回转角塔，K_c和h′_d的取值与单回干字型杆塔相同，对于多回直线塔，K_c和h′_d的取值与单回酒杯型杆塔相同。 

本实施例的其他技术特征与实施例一相同，在此不予赘述。 

实施例三 

数据库中存储的雷电参数包括地闪密度，实施例一与实施例二采用的雷电参数是从气象部门的监测数据得来，受人为因素的影响，这些监测数据不够准确。本实施例增加了雷电参数整理模块，如图6所示，该模块从雷电定位系统 输入雷电数据，对输入的雷电数据整理后计算出待评估区域的地闪密度N_s，再将地闪密度N_s作为雷电参数存储到数据库。 

雷电定位系统是20世纪70年代中期发展起来的基于磁场定位和时差定位原理的记录雷击数据的监测系统，它能够实时测定雷击和回击的次数、时间、地点、雷电流幅值和极性。雷电参数整理模块统计待评估区域内最近几年每年的年雷击次数，将每年的年雷击次数相加，除以年份数，得到最近几年年雷击次数的均值，再除以待评估区域的面积，得到地闪密度Ns。“最近几年”的年份数越多，所计算出的年雷击次数的均值越能反映平均水平。 

本实施例的其他技术特征与实施例二相同，在此不予赘述。 

实施例四 

实施例三的地闪密度是以整个待评估区域为对象而计算的，是一个平均值。实际上，待评估区域内不同的地区，地闪密度的差异可能较大。将整个地区的地闪密度统一成一个值，计算起来方便简单，但与实际情况可能相差较远。本实施例的雷电参数整理模块则将待评估区域划分为若干个等面积的网格，以网格为对象，计算各个网格内的地闪密度。在计算每个杆塔的N_L时，采用该杆塔所属网格的地闪密度，更能反映地闪密度对雷击跳闸率的影响。本实施例的这种计算方法更精细，所得的结果更符合本地区的实际情况，但网格面积并不是越小越好，因为雷电定位系统的数据存在一定的误差，网格面积过小会降低地闪密度的准确度。经过反复验证，当网格面积为2km²时，计算结果最准确。 

本实施例的其他技术特征与实施例三相同，在此不予赘述。 

实施例五 

为了方便电力部门工作人员了解输电线路的各种情况，本实施例增加了可视化模块，用以显示各个杆塔的雷击跳闸率及其他参数。如图7所示，风险值综合模块与数据库相连，以便于将每个杆塔的雷击跳闸率存入数据库，可视化模块也与数据库相连，以便于从数据库读取各个杆塔的参数和参数的取值及该杆塔的雷击跳闸率，再将读取到各种数据生成kml文件，导入Google Earth软 件，将输电线路上各个杆塔的情况显示出来。 

除上述功能外，可视化模块还可以用来显示各个网格的风险等级，为未来输电线路的架设提供参考。所采用的方法为：从数据库读取各个网格的地闪密度，将这些地闪密度划分为几个等级，每个等级对应一种颜色，生成kml文件，导入Google Earth软件，将待评估区域内各个网格的风险等级分布图显示出来。有了该风险等级分布图，工程师可以选择性地将输电线路架设在风险较低的区域。 

本实施例的其他技术特征与实施例四相同，在此不予赘述。 

实施例六 

除了地闪密度，雷电参数还包括雷电流概率分布函数，该函数也可以由雷电定位系统的雷击数据整理得来。本实施例的雷电参数整理模块还用于根据雷电定位系统近十年的平均的数据拟合出雷电流幅值概率分布函数P(I)并将其作为雷电参数存储到所述数据库。同样地，从雷电定位系统的数据整理得来的雷电流概率分布函数具有更准确的优点。 

本实施例的其他技术特征与实施例五相同，在此不予赘述。 

实施例七 

为了更精确的拟合雷电流概率分布函数，本实施例的雷电参数整理模块将雷电定位系统的雷电流幅值分段来拟合雷电流幅值概率分布函数。经验证，将雷电流幅值分为(0,47.5)和[47.5,+∞)两个区间时，拟合效果最佳。 

在区间(0,47.5)上所得的雷电流幅值密度函数表达式为： 

p＝0.000001941I³-0.000191I²+0.00514I-0.0128 

相应的雷电流幅值概率分布函数为： 

P＝0.953149-4.8525*10^-7I⁴+6.3667*10^-5I³-0.00257I²+0.0128I 

在区间[47.5,+∞)上所得的雷电流幅值密度函数表达式为： 

p＝0.0714e^-0.051I

相应的雷电流幅值概率分布函数为： 

P＝1.4e^-0.051I

本实施例的其他技术特征与实施例六相同，在此不予赘述。 

本发明区域输电线路雷击闪络风险评估方法是与本发明区域输电线路雷击闪络风险评估模型对应的一种方法，下面结合附图与实施例详细解释本方法。 

实施例一 

本发明区域输电线路雷击闪络风险评估方法，如图8所示，包括步骤： 

S1、收集参数并记录参数的取值，所述参数包括雷电参数、杆塔参数、地形地貌参数和线路参数； 

S2、采用上述参数计算每个杆塔的绕击跳闸率N₁和反击跳闸率N₂； 

S3、对每个杆塔的所述绕击跳闸率N₁和所述反击跳闸率N₂求和，得到每个杆塔的雷击跳闸率N， 

所述步骤S2计算每个杆塔的绕击跳闸率时，首先利用改进电气几何模型算法求出每个杆塔绕击引发跳闸的概率P_b，再计算每个杆塔的绕击跳闸率N₁，P_b和N₁的计算公式分别为： 

$P_b={\∫}_{I_{\mathrm{SC}}}^{I_{\mathrm{SM}}}P\left(I\right)\frac{X_c-X_b}{X_c}\mathrm{dI}$

N₁＝N_LηP_b

I表示雷电流幅值，I_SM为最大绕击电流，I_SC为最小绕击电流即绕击耐雷水平，P(I)为雷电流幅值概率分布函数，X_c为改进电气几何模型示意图中C_i点的横坐标，X_b为改进电气几何模型示意图中B_i点的横坐标，η为建弧率，N_L为每100km输电线路年(40个雷暴日)落雷次数，每个杆塔对应的N_L的计算公式为： 

N_L＝0.1N_s(b+4h_b) 

N_s为地闪密度，b为两根避雷线之间的距离，h_b为避雷线的高度； 

所述步骤S2计算反击跳闸率N₂时，N₂的计算公式为： 

N₂＝N_LηgP₂

g为击杆率，P₂为雷电流幅值超过反击耐雷水平I₂的概率； 

所述步骤S3中每个杆塔的雷击跳闸率N的计算公式为： 

N＝N₁+N₂

步骤S2分两步骤，一个步骤是计算绕击跳闸率，一个步骤是计算反击跳闸率，两个步骤互不影响，先后自定。在计算绕击跳闸率的过程中，先采用改进电气几何模型算法求出绕击引发跳闸的概率，再将该概率作为绕击率和雷电流超过绕击耐雷水平概率的乘积带入规程法绕击跳闸率的计算公式，得出以改进电气几何模型为基础的绕击跳闸率。反击跳闸率的计算则沿用规程法的思想。 

实施例二 

本实施例对实施例一步骤S2涉及的反击耐雷水平做了进一步限定。每个杆塔的反击耐雷水平I₂的计算公式如下： 

$I_2=\frac{U_{50\%}}{(1-K_c)({\mathrm{\β}}_g{R}_{\mathrm{ch}}+\frac{h_d^{\′}}{2.6})+\frac{{\mathrm{\β}}_g{L}_0}{2.6}(h_d-K_c{h}_g)}$

U_50%为绝缘子串冲击闪络放电电压，K_c为导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数，β_g为杆塔分流系数，R_ch为杆塔接地电阻，h′_d为导线高度，h_d为导线横担高度，h_g为杆塔高度，L₀为单位长度杆塔等值电感， 

杆塔塔型不同，K_c和h′_d的取值也不同： 

对于单回猫头型杆塔，K_c为杆塔平面剖图中间相导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数， 

$h_d^{\′}=h_d-l_f-\frac{2}{3}{f}_d$

l_f为绝缘子串长，f_d为导线弧垂； 

对于单回干字型杆塔，K_c为杆塔平面剖图中间相导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数， 

$h_d^{\′}=h_d-\frac{2}{3}{f}_d$

对于单回门型和酒杯型杆塔，K_c为杆塔平面剖图左边相或右边相导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数， 

$h_d^{\′}=h_d-l_f-\frac{2}{3}{f}_d$

对于多回转角塔，K_c和h′_d的取值与单回干字型杆塔相同，对于多回直线塔，K_c和h′_d的取值与单回酒杯型杆塔相同。 

本实施例的其他技术特征与实施例一相同，在此不予赘述。 

实施例三 

本实施例对步骤S1中的雷电参数做了进一步限定。雷电参数包括地闪密度N_s，地闪密度N_s是根据雷电定位系统的数据求取得来的。 

本实施例的其他技术特征与实施例二相同，在此不予赘述。 

实施例四 

本实施例增加了将待评估区域划分成等面积的网格的步骤，具体如下。 

如图9所示，在步骤S1之前包括步骤： 

步骤S0、将待评估区域划分为若干个2km²的网格，根据雷电定位系统的数据计算每个网格的地闪密度N_s。 

所述步骤S1收集的雷电参数包括每个网格的地闪密度N_s，所述步骤S2在计算每个杆塔对应的N_L时，采用该杆塔所属网格的地闪密度N_s。 

本实施例的其他技术特征与实施例三相同，在此不予赘述。 

实施例五 

本实施例增加了将各个网格的风险等级显示出来的步骤，具体如下。 

如图10所示，在步骤S0计算出每个网格的地闪密度N_s后还包括步骤： 

步骤S4、将所有网格的地闪密度N_s划分成若干等级，每个等级对应一种颜色，生成kml文件，各个杆塔的参数、参数的取值及雷击跳闸率也生成kml文件，导入Google Earth软件，将待评估区域的风险等级分布图、各个杆塔的参数、参数的取值及雷击跳闸率显示出来。 

上述步骤可在步骤S0之后的任一阶段执行，图10所示只是一个实施例。 

本实施例的其他技术特征与实施例四相同，在此不予赘述。 

实施例六 

如图11所示，在所述步骤S1之前还包括步骤S5。 

步骤S5、根据雷电定位系统的数据拟合出所述雷电流幅值概率分布函数P(I)。 

所述步骤S1收集的雷电参数包括所述雷电流幅值概率分布函数P(I)。 

本实施例的其他技术特征与实施例五相同，在此不予赘述。 

实施例七 

步骤S5根据雷电定位系统的数据拟合出所述雷电流幅值概率分布函数P(I)具体为： 

将所述雷电定位系统的雷电流分为(0,47.5)和[47.5,+∞)两个区间来拟合所述雷电流幅值概率分布函数P(I)。 

在区间(0,47.5)上所得的雷电流幅值密度函数表达式为： 

p＝0.000001941I³-0.000191I²+0.00514I-0.0128 

相应的雷电流幅值概率分布函数为： 

P＝0.953149-4.8525*10^-7I⁴+6.3667*10^-5I³-0.00257I²+0.0128I 

在区间[47.5,+∞)上所得的雷电流幅值密度函数表达式为： 

p＝0.0714e^-0.051I

相应的雷电流幅值概率分布函数为： 

P＝1.4e^-0.051I

本实施例的其他技术特征与实施例六相同，在此不予赘述。 

将本发明的区域输电线路雷击闪络风险评估模型与方法结合使用，即可完成雷击闪络风险的评估。 

以上所述的本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明的保护范围的限定，而是针对本发明的可行实施例进行说明。任何基于本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种区域输电线路雷击闪络风险评估方法，其特征在于，包括步骤：

S1、收集参数并记录参数的取值，所述参数包括雷电参数、杆塔参数、地形地貌参数和线路参数；

S2、采用上述参数计算每个杆塔的绕击跳闸率N₁和反击跳闸率N₂；

S3、对每个杆塔的所述绕击跳闸率N₁和所述反击跳闸率N₂求和，得到每个杆塔的雷击跳闸率N，

所述步骤S2计算每个杆塔的绕击跳闸率时，首先利用改进电气几何模型算法求出每个杆塔绕击引发跳闸的概率P_b，再计算每个杆塔的绕击跳闸率N₁，P_b和N₁的计算公式分别为：

$P_b={\∫}_{I_{\mathrm{SC}}}^{I_{\mathrm{SM}}}P\left(I\right)\frac{X_c-X_b}{X_c}\mathrm{dI}$

N₁＝N_LηP_b

I表示雷电流幅值，I_SM为最大绕击电流，I_SC为最小绕击电流，P(I)为雷电流幅值概率分布函数，X_c为改进电气几何模型示意图中C_i点的横坐标，X_b为改进电气几何模型示意图中B_i点的横坐标，η为建弧率，N_L为每100km输电线路年落雷次数，该落雷次数以每年40个雷暴日为前提，每个杆塔对应的N_L的计算公式为：

N_L＝0.1N_s(b+4h_b)

N_s为地闪密度，b为两根避雷线之间的距离，h_b为避雷线的高度；

所述步骤S2计算反击跳闸率N₂时，N₂的计算公式为：

N₂＝N_LηgP₂

g为击杆率，P₂为雷电流幅值超过反击耐雷水平I₂的概率；

所述步骤S3中每个杆塔的雷击跳闸率N的计算公式为：

N＝N₁+N₂。

2.根据权利要求1所述的区域输电线路雷击闪络风险评估方法，其特征在于，所述步骤S2计算每个杆塔的反击跳闸率N₂时，先采用步骤S1的参数利用下述公式计算每个杆塔的所述反击耐雷水平I₂：

$I_2=\frac{U_{50\%}}{(1-K_c)({\mathrm{\β}}_g{R}_{\mathrm{ch}}+\frac{h_d^{\′}}{2.6})+\frac{{\mathrm{\β}}_g{L}_0}{2.6}(h_d-K_c{h}_g)}$

U_50%为绝缘子串冲击闪络放电电压，K_c为导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数，β_g为杆塔分流系数，R_ch为杆塔接地电阻，

为导线高度，h_d为导线横担高度，h_g为杆塔高度，L₀为单位长度杆塔等值电感，杆塔塔型不同，K_c和

的取值也不同：

对于单回猫头型杆塔，K_c为杆塔平面剖图中间相导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数，

$h_d^{\′}=h_d-l_f-\frac{2}{3}{f}_d$

l_f为绝缘子串长，f_d为导线弧垂；

对于单回干字型杆塔，K_c为杆塔平面剖图中间相导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数，

$h_d^{\′}=h_d-\frac{2}{3}{f}_d$

对于单回门型和酒杯型杆塔，K_c为杆塔平面剖图左边相或右边相导线与避雷线之间记及电晕影响的电晕校正系数，

$h_d^{\′}=h_d-l_f-\frac{2}{3}{f}_d$

对于多回转角塔，K_c和

的取值与单回干字型杆塔的取值相同，对于多回直线塔，K_c和

的取值与单回门型和酒杯型杆塔的取值相同。

3.根据权利要求1或2所述的区域输电线路雷击闪络风险评估方法，其特征在于，所述雷电参数包括地闪密度N_s，所述地闪密度N_s为根据雷电定位系统的数据求取得来。

4.根据权利要求3所述的区域输电线路雷击闪络风险评估方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括步骤：

将待评估区域划分为若干个2km²的网格，根据雷电定位系统的数据计算每个网格的地闪密度N_s，

所述步骤S1记录的雷电参数包括每个网格的地闪密度N_s，所述步骤S2在计算每个杆塔对应的N_L时，采用该杆塔所属网格的地闪密度N_s。

5.根据权利要求4所述的区域输电线路雷击闪络风险评估方法，其特征在于，所述步骤计算出每个网格的地闪密度N_s后还包括步骤：

将所有网格的地闪密度N_s划分等级，每个等级对应一种颜色，生成kml文件，各个杆塔的参数、参数的取值及雷击跳闸率也生成kml文件，导入GoogleEarth软件，将待评估区域的风险等级分布图、各个杆塔的参数、参数的取值及雷击跳闸率显示出来。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的区域输电线路雷击闪络风险评估方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括步骤：

根据雷电定位系统的数据拟合出所述雷电流幅值概率分布函数P(I)，

所述步骤S1收集的雷电参数包括所述雷电流幅值概率分布函数P(I)。

7.根据权利要求6所述的区域输电线路雷击闪络风险评估方法，其特征在于，所述步骤根据雷电定位系统的数据拟合出所述雷电流幅值概率分布函数P(I)具体为：

将所述雷电定位系统的雷电流幅值分为(0,47.5)和[47.5,+∞)两个区间来拟合所述雷电流幅值概率分布函数P(I)。

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