CN102841280A - 500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，包括步骤：获取杆塔信息；其中，所述杆塔信息包括：横担高度、塔身等效半径、横担宽度；根据所述杆塔信息建立杆塔多波阻抗模型；建立基于EPRI先导模型的绝缘子闪络判据模型；根据所述杆塔多波阻抗模型和所述绝缘子闪络判据模型，建立输电线路耐雷水平仿真模型；在所述输电线路耐雷水平仿真模型中，调整电源相角以及模拟的雷电流幅值后，获取各个回路输电线的雷击跳闸率；其中，所述雷击跳闸率包括：反击跳闸率和绕击跳闸率。可以准确计算输电线路雷击跳闸率，提高电网的安全性和供电可靠性。

Description

500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法

技术领域

本发明涉及电网输电线设计领域，特别是涉及500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法。

背景技术

随着经济社会的发展，社会对电能的需求日趋增加，但是土地资源的持续开发却导致可供电网建设的输电走廊日益变得稀缺。为此，将四回500kV输电线路同塔架设，节约宝贵的土地资源，成为电网建设必然的趋势，同时也带来了一些新的亟待解决的问题，其中之一就是对雷击跳闸率的准确预估。

以500kV同塔四回输电线路为例，如果绝缘配置过高，则造成塔头间隙过大，增大线路的造价（如多配置一片绝缘子，线路综合造价增加约8.8万元/km）；若绝缘配置过低，则线路投运后的跳闸率偏高，不利于线路的安全运行及整个电网的安全稳定性。

目前普遍使用的是电力行业标准DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》推荐的输电线路雷击跳闸率计算，其计算方法主要是基于杆塔较矮的单回线路运行情况总结出来的经验公式，难于保证输电线路雷击跳闸率计算的准确性，影响电网的安全性和供电可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提出500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，可以准确计算输电线路雷击跳闸率，提高电网的安全性和供电可靠性。

500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，包括步骤：

获取杆塔信息；其中，所述杆塔信息包括：横担高度、塔身等效半径、横担宽度；

根据所述杆塔信息建立杆塔多波阻抗模型；

建立基于EPRI先导模型的绝缘子闪络判据模型；

根据所述杆塔多波阻抗模型和所述绝缘子闪络判据模型，建立输电线路耐雷水平仿真模型；

在所述输电线路耐雷水平仿真模型中，调整电源相角以及模拟的雷电流幅值后，获取各个回路输电线的雷击跳闸率；其中，所述雷击跳闸率包括：反击跳闸率和绕击跳闸率。

本发明提出的500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，通过获取杆塔的横担信息和塔身信息，建立杆塔多波阻抗模型；再根据基于EPRI先导模型的绝缘子闪络判据模型，建立输电线路耐雷水平仿真模型；在输电线路耐雷水平仿真模型中，调整输入的电源相角，以及调整输入的模拟的雷电流幅值；根据调整结果获取各个回路输电线的雷击跳闸率；相对于现有的等效电感模型及单一波阻抗模型，本发明建立的杆塔多波阻抗模型可以考虑雷电波在杆塔上的传播过程及传播畸变，并可考虑铁塔不同组件对传播过程及畸变的影响；这样建立的输电线路耐雷水平仿真模型，将更加真实的反应现实状况，由此可以准确计算输电线路雷击跳闸率，提高电网的安全性和供电可靠性。

附图说明

图1为本发明方法的一个实施例流程图；

图2为本发明中建立的输电线路耐雷水平仿真模型的一个结构示意图。

具体实施方式

为便于理解本发明，下面将结合附图进行说明。

本发明提出500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，请参考图1，具体包括步骤：

S1、获取杆塔信息；其中，杆塔信息包括：横担高度、塔身等效半径、横担宽度；

S2、根据杆塔信息建立杆塔多波阻抗模型；

多波阻抗模型将杆塔分为塔身、横担、支架等三部分组成，均用波阻抗表示，为精确计算，每部分又根据对地高度、塔材尺寸、几何形状的不同进一步细化为多段波阻抗；其中，根据杆塔信息建立杆塔多波阻抗模型的步骤可以包括以下步骤：

S201、根据杆塔信息，计算杆塔横担的波阻抗、塔身波阻抗、避雷线支架波阻抗;以及根据模拟的雷电流获取雷电通道波阻抗；

具体包括以下步骤：

a、根据横担高度、塔身等效半径计算塔身波阻抗；

b、根据横担高度和横担宽度计算杆塔横担的波阻抗；

在其中一个实施方式中，以三层横担的500kV同塔四回路杆塔为例，塔身波阻抗的计算公式如下：

塔身波阻抗 $Z_{\mathrm{TK}}=60(\ln \frac{2\sqrt{2}\·h_k}{r_{\mathrm{ek}}}-2)(k=\mathrm{1,2,3})$

式中：h_k为横担高度；r_ek为塔身的等效半径。

杆塔横担波阻抗计算公式：

杆塔横担波阻抗 $Z_{\mathrm{Ak}}=60\×\ln \left(\frac{{2h}_k}{r_{\mathrm{Ak}}}\right)(k=\mathrm{1,2,3})$

式中：r_Ak为横担宽度。

c、对地线支架，一般呈斜柱体布置，近似用避雷线支架在水平投影的横担波阻抗，与垂直投影的直柱波阻抗的均方根值，来表示避雷线支架波阻抗。

d、根据如下公式计算雷电通道波阻抗：

I为模拟的雷电流；Z为雷电通道波阻抗；

S202、根据杆塔横担的波阻抗、塔身波阻抗、避雷线支架波阻抗以及雷电通道波阻抗，建立杆塔多波阻抗模型。

S3、建立基于EPRI（Electric Power Research Institute，美国电力研究协会）先导模型的绝缘子闪络判据模型；

线路绝缘在雷过电压波的作用下，什么时候发生闪络，也就是绝缘闪络判据的问题，对杆塔的耐雷水平和跳闸率的计算有很大影响，尤其在计算同塔多回线路的雷击导致多相相继闪络时，对闪络相和闪络时间的判断会大大影响对第二回及其它回路的后续闪络判断。近年来，随着科学技术的发展和高速照相机的广泛应用，基于雷电观测和长间隙放电的研究成果，人们对长空气间隙放电过程的研究也越来越深入，先导法即是在此基础上提出和发展的。它以实验为依据，模拟雷电发展的物理过程，明确的分析了空气间隙击穿的过程。因此，在对空气间隙的击穿描述和计算上，该方法有着坚实的实验与理论物理基础。

长空气间隙中（即空气间隙长于1m）的放电物理过程包括三个连续的阶段：电晕起始(ti)、流柱传播(ts)和先导传播(tl)。击穿过程可以描述为：当施加到空气间隙上的电压超过电晕起始电压，流柱开始传播，如果电压保持足够高，经过时间ts后，流注贯穿整个间隙。随后先导快速发展，如果先导贯穿了间隙或者两个先导相遇就出现了击穿。由于先导法充分考虑间隙上先导的发展过程，因此可以确切的判断雷击时绝缘的闪络情况。

其中，先导发展过程可用如下公式描述：

$g=\underset{t_0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{kV}\left(t\right)[\frac{V\left(t\right)}{l-g}-E_0]\mathrm{dt}---\left(1\right)$

式中：g为先导发展长度，单位m；

l为间隙长度，单位m；

V_t为间隙承受雷电压瞬时值，单位kV；

E₀为间隙击穿强度，与间隙介质（空气、瓷、玻璃或复合绝缘子）、雷电流极性有关；k为常数，与间隙介质、雷电流极性有关，如表1所示。

上式（1）的物理意义为：当t0时间，绝缘间隙承受的雷电压梯度

大于间隙击穿强度E0时，先导开始发展，如剩余的绝缘间隙长度(l-g)上的雷电压梯度

仍大于间隙击穿强度，先导继续发展。当时间到达t、先导发展长度g大于等于间隙长度l时则绝缘闪络。

表1雷电冲击闪络先导发展模型的推荐取值

S4、根据杆塔多波阻抗模型和绝缘子闪络判据模型，建立输电线路耐雷水平仿真模型；

建立输电线路耐雷水平仿真模型可参照图2，其中，图2所示为三相导线部分的输电线路耐雷水平仿真模型。其中包括：J.Marti模型、接地电阻、A相电源、B相电源、C相电源、闪络判据模型（即是：基于EPRI先导模型的绝缘子闪络判据模型）、杆塔横担的波阻抗、塔身波阻抗、避雷线支架波阻抗以及雷电通道波阻抗。

S5、在输电线路耐雷水平仿真模型中，调整电源相角以及模拟的雷电流幅值后，获取各个回路输电线的雷击跳闸率；

其中，雷击跳闸率包括：反击跳闸率和绕击跳闸率。

以图2为基础进行说明，在输电线路耐雷水平仿真模型中，调整A、B、C三相电源的相角，调整输入放入模拟的雷电流幅值；根据调整后的结果获取各个回路输电线的雷击跳闸率；其中，雷击跳闸率包括：反击跳闸率和绕击跳闸率；下面将针对如何获取反击跳闸率和绕击跳闸率进行分别介绍；

（1）获取各个回路输电线的反击跳闸率的步骤具体为：

在仿真各个回路输电线反击跳闸率前，选择模拟的雷电流输入杆塔的各个回路；然后进行S501至S504的步骤。

S501、在输电线路耐雷水平仿真模型中，调整电源相角和模拟的雷电流幅值后，获取各个回路输电线的反击耐雷水平I_i，j；其中，i为相导线所在的回路数；j为电源相角；

对于每个回路的输电线，从0°开始直至330°，每隔30°相角输入电源；并逐渐增大输入输电线路耐雷水平仿真模型的模拟的雷电流幅值；获取各个回路的输电线发生闪络时对应的电源相角和实时雷电流幅值，得到各个回路输电线的反击耐雷水平I_i，j；

在一个更具体的实施方式中，对每个回路的输电线，输入电源相角为0°的电源；然后进行以下步骤：

1、逐渐增大输入输电线路耐雷水平仿真模型的模拟的雷电流幅值；

2、当其中一个回路的输电线闪络时，记录此时输入的模拟的雷电流幅值以及此时的电源相角；以此时的模拟的雷电流幅值为当前回路输电线在当前电源相角下的耐雷水平I_i，j；

3、继续增大模拟的雷电流幅值，当有另外一个回路的输电线闪络时，记录此时的模拟的雷电流幅值和电源相角；重复此步骤，直至记录到所有回路的输电线都闪络时，对应的模拟的雷电流幅值和电源相角；

4、以30°的角度间隔，逐次增大输入的电源相角，直至电源相角为330°，每次增大电源相角后重复上述1至3的步骤，得到各个回路输电线在实时电源相角下的耐雷水平。

以500kV同塔四回输电线路为例；在不同相角下的单回、双回、三回、四

回输电线反击耐雷水平I_i，j，如下表所示：

S502、根据如下公式：

计算实际雷电流幅值大于各相导线在不同相角下的耐雷水平I_i，j的概率P_i,j；

S503、根据如下公式：n_i，j＝NgP_i,jη计算各个回路导线在不同相角下的耐雷水平I_i，j对应的反击跳闸率；其中，η为建弧率；g为雷电击杆率；N为每100km线路每年遭受雷击的次数；

S504、根据如下公式：

计算各个回路导线的反击跳闸率。

（2）获取各个回路输电线的绕击跳闸率的步骤具体为：

在仿真各相输电线绕击跳闸率前，选择模拟的雷电流输入杆塔的各个回路中的各相输电线；然后进行S601至S606的步骤。

S601、在输电线路耐雷水平仿真模型中，调整电源相角和模拟的雷电流幅值后，获取各相输电线的绕击耐雷水平；

调整电源相角时，从电源相角0°开始，每隔30°，直至330°，计算不同电源相角下各相导线的绕击耐雷水平。即是，将雷电流加载在第k相导线上，雷电流幅值从1kA往上累加；若在I_k，x+1kA时绝缘子串不闪洛，而在I_k，x+2kA时，其中一个回线路的绝缘子串闪洛，则相应的绕击耐雷水平为I_k，x+1kA。共计计算得到12个相角下的绕击耐雷水平；然后将其算术平均，即可得到第k相导线的绕击耐雷水平I_k，其中，x为当前电源相角。

为更好的理解，下面以第1相导线为例：若在电源相角为0°时，相应的绕击耐雷水平为I_1，0+1；若在电源相角为30°时，相应的绕击耐雷水平为I_1，30+1；若在电源相角为60°时，相应的绕击耐雷水平为I_1，60+1；若在电源相角为90°时，相应的绕击耐雷水平为I_1，90+1；若在电源相角为120°时，相应的绕击耐雷水平为I_1，120+1；……若在电源相角为330°时，相应的绕击耐雷水平为I_1，330+1；得到第1相导线在12个相角下的绕击耐雷水平；然后将其算术平均，即可得到第1相导线的绕击耐雷水平I₁。

S602、获取各相导线的击距、地线的击距以及幅值大于各相输电线的绕击耐雷水平的概率；

其中，如何获取各相导线的击距以及地线的击距，可根据一般的方式得到；

而获取幅值大于各相输电线的绕击耐雷水平的概率时，可采用如下公式：

获得自然界中幅值大于各相导线的绕击耐雷水平的概率；

其中，I_k为各相输电线的绕击耐雷水平；其中，k为输电线所在的相。

S603、根据各相导线的击距、地线的击距以及雷电流入射角概率分布函数，得到各相导线的绕击率；

其中，雷电流入射角概率分布函数为

其中，

为入射角，垂直方向为0度，M、n应满足

因此，M取2/π，n取2。

获取各相导线的绕击率可采用以下方式：

根据各相导线的击距，获得各外侧导线暴露弧投影长；根据地线的击距，获得地线屏蔽弧投影长；

利用公式：

获得各相导线的绕击率；

其中，χk(Rs)为击距是Rs时的第k相导线绕击率；为在击距为R_s的情况下，雷电流入射角为时的地线屏蔽弧投影长，T为外侧地线标识；

为在击距为R_s的情况下，雷电流入射角为

时的各外侧导线暴露弧投影长，k为外侧各导线相标识；

S604、根据各相导线的绕击率、幅值大于各相输电线的绕击耐雷水平的概率，获得各相导线的绕击闪络率；

具体的可采用公式

获得各相导线的绕击闪络率；其中，I_s，k为使第k相导线发生绕击的最大雷电流；I_s，k可采用目前一般的方法获取。

S605、根据各相导线的绕击闪络率、建弧率以及年落雷次数，获得各相导线的绕击跳闸率；

具体的，可根据公式N_k＝M_Lηp_k获得各相导线的绕击跳闸率；其中，年落雷次数

N_k为第k相导线绕击跳闸率；η为建弧率；T_d为年均雷暴日；b为两根避雷线之间的距离；h_T为避雷线高度。

S606、将各相导线的绕击跳闸率进行算术叠加，得到输电线路的绕击跳闸率。

至此，可得到输电线雷击跳闸率，本发明提出的500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，通过获取杆塔的横担信息和塔身信息，建立杆塔多波阻抗模型；再根据基于EPRI先导模型的绝缘子闪络判据模型，建立输电线路耐雷水平仿真模型；在输电线路耐雷水平仿真模型中，调整输入的电源相角，以及调整输入的模拟的雷电流幅值；根据调整结果获取各个回路输电线的雷击跳闸率；相对于现有的等效电感模型及单一波阻抗模型，本发明建立的杆塔多波阻抗模型可以考虑雷电波在杆塔上的传播过程及传播畸变，并可考虑铁塔不同组件对传播过程及畸变的影响；这样建立的输电线路耐雷水平仿真模型，将更加真实的反应现实状况，由此可以准确计算输电线路雷击跳闸率，提高电网的安全性和供电可靠性。

在得到输电线雷击跳闸率之后，还可以包括步骤：根据各个回路输电线的雷击跳闸率调整杆塔的绝缘配置。

调整好杆塔的绝缘配置后，可继续采用上述获取输电线雷击跳闸率的流程，以进一步保证电网的安全性和供电可靠性。

本发明可以适用于500kV同杆塔四回路输电线雷击跳闸率的仿真，也可适用于其它电压回路输电线的雷击跳闸率的仿真。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，其特征在于，包括步骤：

获取杆塔信息；其中，所述杆塔信息包括：横担高度、塔身等效半径、横担宽度；

根据所述杆塔信息建立杆塔多波阻抗模型；

建立基于EPRI先导模型的绝缘子闪络判据模型；

根据所述杆塔多波阻抗模型和所述绝缘子闪络判据模型，建立输电线路耐雷水平仿真模型；

在所述输电线路耐雷水平仿真模型中，调整电源相角以及模拟的雷电流幅值后，获取各个回路输电线的雷击跳闸率；其中，所述雷击跳闸率包括：反击跳闸率和绕击跳闸率。

2.根据权利要求1所述的500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，其特征在于，

所述根据所述杆塔信息建立杆塔多波阻抗模型的步骤具体为：

根据所述杆塔信息，计算杆塔横担的波阻抗、塔身波阻抗、避雷线支架波阻抗；根据模拟的雷电流获取雷电通道波阻抗；其中，根据公式

计算所述雷电通道波阻抗；I为所述模拟的雷电流；Z为所述雷电通道波阻抗；

根据所述杆塔横担的波阻抗、所述塔身波阻抗、所述避雷线支架波阻抗以及所述雷电通道波阻抗，建立杆塔多波阻抗模型。

3.根据权利要求1所述的500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，其特征在于，

所述在输电线路耐雷水平仿真模型中，调整电源相角以及模拟的雷电流幅值后，获取各个回路输电线的所述反击跳闸率的步骤具体为：

在所述输电线路耐雷水平仿真模型中，调整电源相角和模拟的雷电流幅值后，获取各个回路输电线的反击耐雷水平I_i,j；其中，i为相导线所在的回路数；j为电源相角；

根据如下公式：

计算实际雷电流幅值大于所述各相导线在不同相角下的耐雷水平I_i，j的概率P_i,j；

根据如下公式：n_i，j＝NgP_i,jη计算各个回路导线在不同相角下的耐雷水平I_i，j对应的反击跳闸率；其中，η为建弧率；g为雷电击杆率；N为每100km线路每年遭受雷击的次数；

根据如下公式：

计算各个回路导线的反击跳闸率。

4.根据权利要求3所述的500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，其特征在于，

所述在输电线路耐雷水平仿真模型中，调整电源相角和模拟的雷电流幅值后，获取各个回路输电线的所述反击耐雷水平的步骤具体为：

对于每个回路的输电线，从0°开始直至330°，每隔30°相角输入电源；并逐渐增大输入所述输电线路耐雷水平仿真模型的模拟的雷电流幅值；

获取各个回路的输电线发生闪络时对应的电源相角和实时雷电流幅值，得到各个回路输电线的反击耐雷水平I_i，j。

5.根据权利要求1所述的500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，其特征在于，

所述在输电线路耐雷水平仿真模型中，调整电源相角以及模拟的雷电流幅值后，获取各个回路输电线的所述绕击跳闸率的步骤具体为：

在所述输电线路耐雷水平仿真模型中，调整电源相角和模拟的雷电流幅值；

根据调整后的结果，获取各相输电线的所述绕击耐雷水平；

获取各相导线的击距、地线的击距以及幅值大于所述各相输电线的绕击耐雷水平的概率；

根据所述各相导线的击距、所述地线的击距以及雷电流入射角概率分布函数，得到各相导线的绕击率；

根据所述各相导线的绕击率、所述幅值大于所述各相输电线的绕击耐雷水平的概率，获得各相导线的绕击闪络率；

根据所述各相导线的绕击闪络率、建弧率以及年落雷次数，获得各相导线的绕击跳闸率；

将所述各相导线的绕击跳闸率进行算术叠加，得到输电线路的绕击跳闸率。

6.根据权利要求5所述的500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，其特征在于，

所述获取幅值大于所述各相输电线的绕击耐雷水平的概率的步骤具体为：

根据公式

获得自然界中幅值大于所述各相导线的绕击耐雷水平的概率；其中，I_k为各相输电线的绕击耐雷水平；其中，k为输电线所在的相。

7.根据权利要求6所述的500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，其特征在于，

所述根据各相导线的击距、所述地线的击距以及雷电流入射角概率分布函数，得到各相导线的绕击率的步骤具体为：

根据所述各相导线的击距，获得各外侧导线暴露弧投影长；根据所述地线的击距，获得地线屏蔽弧投影长；

利用公式：

获得各相导线的绕击率；

其中，x_k(R_s)为击距是R_s时的第k相导线绕击率；

为在击距为R_s的情况下，雷电流入射角为

时的地线屏蔽弧投影长，T为外侧地线标识；

为在击距为R_s的情况下，雷电流入射角为时的各外侧导线暴露弧投影长，k为外侧各导线相标识；

8.根据权利要求7所述的500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，其特征在于，

所述根据各相导线的绕击率、所述幅值大于所述各相输电线的绕击耐雷水平的概率，获得各相导线的绕击闪络率的步骤具体为：

利用公式获得各相导线的绕击闪络率；其中，I_s,k为使第k相导线发生绕击的最大雷电流。

9.根据权利要求8所述的500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，其特征在于，

所述根据各相导线的绕击闪络率、建弧率以及落雷次数，获得各相导线的绕击跳闸率的步骤具体为：

根据公式N_k＝M_Lηp_k获得各相导线的绕击跳闸率；其中，年落雷次数

N_k为第k相导线绕击跳闸率；η为建弧率；T_d为年均雷暴日；b为两根避雷线之间的距离；h_T为避雷线高度。

10.根据权利要求1至9任一项所述的500kV同塔四回路输电线雷击跳闸率仿真方法，其特征在于，

在所述计算各个回路输电线的雷击跳闸率的步骤后，还包括：

根据所述各个回路输电线的雷击跳闸率调整杆塔的绝缘配置。

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