CN102854415B - 一种区域电网线路雷击闪络风险评估方法 - Google Patents

Abstract

一种区域电网线路雷击闪络风险评估方法：通过计算各基杆塔耐雷水平并结合该地区的雷电流幅值概率分布函数来获得各杆塔的雷击跳闸率并推算出线路平均雷击跳闸率，然后结合自动重合闸失败率及手动强送电不成功率得到线路永久故障率，考虑线路在电网结构中的权重系数、线路在电网具体时间具体运行方式下永久性故障负荷损失系数、考虑其他影响因素的风险发生概率建立了区域输电网雷击闪络风险评估模型。本发明克服了雷击跳闸率的绝对数值不能真实反映各条线路的雷击灾害风险水平的不足，综合考虑电网内各线路走廊的雷电活动、地形地貌特征、线路结构和绝缘配置、防雷措施等差异性来评估线路各杆塔的雷击闪络风险水平，得到更加全面细致的评估结果。

Description

一种区域电网线路雷击闪络风险评估方法

技术领域

本发明涉及一种以雷电定位数据为基础的区域电网输电线路雷击闪络风险的评估方法。

背景技术

目前针对电网输电线路雷击闪络风险评估的研究甚少，一般以雷击跳闸率作为评估指标，认为跳闸率高的线路即为雷击闪络风险较高的线路。根据电网运行经验表明，虽然雷击引起的线路跳闸次数较多，但因自动重合闸装置较高的重合闸成功率，其占非计划停运比例要比其占跳闸比例低。主要原因为雷击跳闸为电力系统瞬时性故障，故障点绝缘恢复后一般都可自动重合闸成功，雷击跳闸转变为永久性故障的可能性较低。据国家电网公司2002-2008年的统计数据，220kV线路雷击重合闸成功率为86.6%，500kV线路雷击重合闸成功率达到93.0%。因此，仅以雷击跳闸率作为衡量电网雷击闪络风险的唯一评估指标是不妥的。雷击跳闸率是有效反映电网雷害风险来源的特征参数，但由于雷击跳闸未必造成中断供电等电力系统永久性故障的严重后果，因此雷击跳闸率的绝对数值并不能真实反映各条线路的雷击灾害风险水平，输电网雷击闪络风险评估应考虑线路遭受雷击跳闸后对电网运行、输变电设备造成的一系列损失进行综合评估，才能得到更加全面细致的评估结果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种综合考虑电网内各线路走廊的雷电活动、地形地貌特征、线路结构和绝缘配置、防雷措施等差异性更加全面细致的区域电网线路雷击闪络风险评估方法。

解决上述技术问题，本发明采用的技术解决方案是：

一种区域电网线路雷击闪络风险评估方法，包括以下步骤：

S1输入所述线路信息及所述区域的落雷情况

线路信息包括：线路的各级杆塔型号及海拔高度、绝缘子型号与串数、线路地形特点、杆塔接地电阻的大小；

落雷情况包括：每次雷击的时间、地点、雷电流幅值；

S2计算所述线路各级杆塔的雷击跳闸率并对其进行加权平均计算，得到所述线路平均雷击跳闸率，具体包括以下子步骤：

S2-1通过雷电定位数据筛选统计出各级杆塔的落雷情况；

输电线路走廊宽度按照0.02°、径向取200-500m的一个档距长度进行单档距网格划分，并依次对整条输电线路每两基杆塔之间连线进行编号，分别为1、2…20，统计每一档距输电线路走廊范围内雷击点雷电参数分布规律；

线路地闪密度可由雷电定位系统监测到的输电线路受雷范围内的落雷次数除以受雷线路长度得到；

输电线路地闪密度定义为单位长度输电线路受雷次数，即：

$\mathrm{\λ}=\frac{N_i}{l}(i=\mathrm{1,2,3},.....20)---\left(1\right)$

式(1)中λ为线路地闪密度(次/m·a)，N_i为第i统计段输电线路受雷范围内的落雷次数(次/a)，l为第i统计段输电线路档距(m)；

S2-2结合各级杆塔的结构参数与地形地貌参数选用合理的耐雷水平计算模型计算出各级杆塔的反击耐雷水平及绕击耐雷水平：

反击耐雷水平计算采用规程法计算，绕击耐雷水平采用EGM电气几何法计算；

S2-3计算得到的各级杆塔耐雷水平结合该地区的雷电流幅值概率分布函数按规程法计算各级杆塔的雷击跳闸率N1；再通过对各级杆塔的雷击跳闸率进行加权平均计算，得到该线路平均雷击跳闸率PL，如公式（2）：

$P_L=\frac{N1+N2+...+N100}{n}---\left(2\right)$

N1，N2…N100：表示1号，2号…100号杆塔，n：表示杆塔的数目；

S3将步骤S2得到的线路平均雷击跳闸率结合线路遭受雷击跳闸自动重合闸不成功率及手动强送不成功率，计算线路永久故障率P_L和线路永久故障率相对风险值P_L＇；

P_L=线路雷击跳闸率N×自动重合闸失败率P_A×手动强送电失败率P_H（3）

其中具体线路的P_A、P_H由运行经验给出；

线路永久故障率相对风险值P_L＇计算公式为：

S4通过复杂网络理论计算线路在输电网结构中的权重系数判定线路在电网结构中的重要程度，包括以下子步骤：

S4-1将电网简化为拓扑模型，具体原则为：

⑤只考虑220kV及以上高压线路，不考虑配电网和发电厂、变电站的主接线结构；

⑥节点均为无差别节点，不考虑大地零点；

⑦所有边均为无向赋权边，不考虑输电线其他特性参数和电压等级的不同；

⑧合并同杆并架输电线，不计并联电容支路，使模型成为简单图。

S4-2采用拓扑图中权重计算公式（5）计算各边的权重：

其中永久性故障损失负荷可通过分析该时段的具体运行方式来获得，社会影响因素值则通过查表1确定；

表1社会影响因素取值

S5考虑所述线路雷击风险相关的现场施工因素、控制措施因素、天气影响因素、设备类型因素、故障类别因素、历史统计因素、设备缺陷因素和检修时间因素，计算得到风险概率发生值；

$P_{\mathrm{RO}}=\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Π}}}{K}_i$

其中：K₁为现场施工因素值，K₂为控制措施因素值，K₃为天气影响因素值，K₄为设备类型因素值，K₅为故障类别因素值，K₆为历史统计因素值，K₇为设备缺陷因素值，K₈为检修时间因素值；

各影响因素K_i的参考值可由该地区《电网安全风险量化评估方法（试行）》来给定；

S6计算线路遭受雷击跳闸时对电网的安全运行风险值Rc和区域输电网线路雷击闪络相对风险Rc'：

Rc=P_L×w_i，j×W₂×P_RO（R_c计量单位为MW/100km·a）（6）

Rc'＝P_L＇×w_i，j×w₂'×P_RO（R_c＇为无纲量值）（7）。

所述的线路遭受雷击跳闸具备以下两个条件才成立：

a）雷电流幅值必须超过线路的耐雷水平，能使绝缘子串发生闪络；

b）绝缘子串和空气间隙在冲击闪络之后，必须继而转化为稳定的工频电弧。

本发明通过计算各基杆塔耐雷水平并结合该地区的雷电流幅值概率分布函数来获得各杆塔的雷击跳闸率并推算出线路平均雷击跳闸率。然后结合自动重合闸失败率及手动强送电不成功率得到线路永久故障率，以线路永久故障率作为研究因子考虑线路在电网结构中的权重系数、线路在电网具体时间具体运行方式下永久性故障负荷损失系数、综合考虑其他影响因素的风险发生概率建立了区域输电网雷击闪络风险评估模型。

本发明的优点是：克服了雷击跳闸率的绝对数值不能真实反映各条线路的雷击灾害风险水平的不足，综合考虑电网内各线路走廊的雷电活动、地形地貌特征、线路结构和绝缘配置、防雷措施等差异性来评估线路各杆塔的雷击闪络风险水平，得到更加全面细致的评估结果。

附图说明

图1、线路永久故障率模型结构图；

图2、输电线路单档距受雷范围示意图；

图3、输电线路走廊法示意图；

图4、综合考虑各影响因子的风险发生概率值结构图；

图5、区域输电网雷击闪络风险评估模型结构图。

具体实施方式

本发明的区域电网线路雷击闪络风险评估方法实施例，包括以下步骤：

S1输入线路信息及该区域的落雷情况

给定需要进行雷电风险评估的输电线路信息，包括线路的各级杆塔型号及海拔高度、绝缘子型号与串数、线路地形特点、杆塔接地电阻的大小；

给定该区域的落雷情况，即每次雷击的时间、地点、雷电流幅值等雷电参数；

雷电参数统计的数据来源为雷电定位系统，目前雷电定位系统十分完善，可以提供较为准确的雷电参数；

S2计算所述线路各级杆塔的雷击跳闸率并对其进行加权平均计算得到该线路平均雷击跳闸率；

1）通过雷电定位数据筛选统计出各级杆塔的落雷情况。

输电线路走廊宽度按照0.02°(约2km)，径向取一个档距长度(约200-500m)进行单档距网格划分，并依次对整条输电线路每两基杆塔之间连线进行编号，分别为1、2…20。统计每一档距输电线路走廊范围内雷击点雷电参数分布规律。这种划分方法综合考虑了雷电定位系统定位误差范围内所有对线路有影响的雷击点的落雷情况。具体划分法见图2，按单档距走廊法对整条线路划分后的走廊示意如图3所示。

从图3中可以看出，将输电线路单档距划分弥补了传统用区域输电线路落雷情况的粗略概算，而且在输电线路走廊网格法基础上，将线路走廊落雷密度转化为对该段线路有直接影响的线路落雷密度的思想，更能真实地用每个统计段的雷电参数描述该段输电线路的雷电活动特征，线路地闪密度可由雷电定位系统监测到的输电线路受雷范围内的落雷次数除以受雷线路长度得到。

输电线路地闪密度定义为单位长度输电线路受雷次数，即：

$\mathrm{\λ}=\frac{N_i}{l}(i=\mathrm{1,2,3},.....20)---\left(1\right)$

式(1)中λ为线路地闪密度(次/m·a)，N_i为第i统计段输电线路受雷范围内的落雷次数(次/a)，l为第i统计段输电线路档距(m)。

2）结合各级杆塔的结构参数与地形地貌参数利用耐雷水平计算模型计算出各级杆塔的反击耐雷水平及绕击耐雷水平（反击耐雷水平计算采用规程法计算，而绕击耐雷水平采用EGM电气几何法计算）。

3）计算得到的各级杆塔耐雷水平结合该地区的雷电流幅值概率分布函数计算各级杆塔的雷击跳闸率N1（规程法计算）；再通过对各级杆塔的雷击跳闸率进行加权平均计算，得到该线路平均雷击跳闸率PL，如公式（2）所示。

$P_L=\frac{N1+N2+...+N100}{n}---\left(2\right)$

N1，N2…N100：表示1号，2号…100号杆塔，n：表示杆塔的数目。

S3将步骤S2得到的线路平均雷击跳闸率结合线路遭受雷击跳闸自动重合闸不成功率及手动强送不成功率，计算线路永久故障率P_L和线路永久故障率相对风险值P_L＇；

P_L＝线路雷击跳闸率N×自动重合闸失败率P_A×手动强送电失败率P_H（3）

其中具体线路的P_A、P_H由运行经验给出；

线路永久故障率相对风险值P_L＇计算公式为：

S4通过复杂网络理论计算线路在输电网结构中的权重系数判定线路在电网结构中的重要程度：

S4-1将电网简化为拓扑模型，具体原则为：①只考虑高压输电网（考虑220kV及以上高压线路），不考虑配电网和发电厂、变电站的主接线结构；②节点（包括发电厂、变电站和中间电气连接点）均为无差别节点，不考虑大地零点；③所有边（输电线、变压器支路）均为无向赋权边，不考虑输电线其他特性参数和电压等级的不同；④合并同杆并架输电线，不计并联电容支路（消除自环和多重边），使模型成为简单图。

经过这种初步简化，电网即为一个由N个节点和l条边所构成的赋权、无向、稀疏连通图。

S4-2然后采用拓扑图中权重的计算公式（5）计算各边的权重。

由于不同时期、不同运行方式下输电线路的权重会不同，此时输电线路的权重按式子（5）来计算。

其中永久性故障损失负荷可通过分析该时段的具体运行方式来获得，社会影响因素值则通过表1来确定。

表1社会影响因素取值

S5考虑雷击风险相关的现场施工因素、天气影响因素、控制措施因素、设备类型因素、故障类别因素、历史统计因素、设备缺陷因素、检修时间因素等影响因素计算得到综合因素的风险概率发生值。

考虑到现场施工因素、现场控制因素、天气影响因素、设备类型因素、故障类别因素、历史统计因素、设备缺陷因素及检修时间因素等综合影响因素的风险发生概率模型如附图4所示。则基于问题的风险发生概率值由为各影响因素值的累积，即

$P_{\mathrm{RO}}=\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Π}}}{K}_i---\left(4\right)$

其中：K₁为现场施工因素值，K₂为控制措施因素值，K₃为天气影响因素值，K₄为设备类型因素值，K₅为故障类别因素值，K₆为历史统计因素值，K₇为设备缺陷因素值，K₈为检修时间因素值；

其中各影响因素K_i的参考值可由该地区《电网安全风险量化评估方法（试行）》来给定。

S6通过对上述步骤所计算得到的各影响因子值进行函数运算得到输电网中具体线路遭受雷击跳闸时对电网的安全运行风险值。

通过结合线路遭受雷击跳闸永久故障率模型、输电线路在电网结构中的权重系数模型、线路在具体时间具体运行方式下的权重系数模型及其他影响因素的风险发生概率模型本文建立了区域输电网雷击闪络风险评估模型，如附图5所示。

通过图5可推算区域输电网雷击闪络风险Rc的计算公式如下

Rc=P_L×W_i，j×W₂×P_RO（R_c计量单位为MW/100km·a）（6）

区域输电网雷击闪络相对风险Rc'

Rc'＝P_L＇×w_i，j×w₂'×P_RO（R_c'为无纲量值）（7）

本文提出的区域电网雷击闪络风险评估技术，综合考虑电网内各线路走廊的雷电活动、地形地貌特征、线路结构和绝缘配置、防雷措施等差异性评估线路各基杆塔的雷击闪络风险水平；并根据线路杆塔区段内各基杆塔对整个线路区段防雷性能的影响程度不同，评估全线各个区段的雷击闪络风险等级，确定线路重点防护区段；以各条线路雷击跳闸率为基础参数，综合考虑线路遭受雷击跳闸对电网安全运行影响进行输电网雷击闪络风险评估，重点防护线路；最终形成“电网→线路→杆塔区段→杆塔”的完整评估体系。

Claims (3)

1.一种区域电网线路雷击闪络风险评估方法，包括以下步骤：

S1输入所述线路信息及所述区域的落雷情况

线路信息包括：线路的各级杆塔型号及海拔高度、绝缘子型号与串数、线路地形特点、杆塔接地电阻的大小；

落雷情况包括：每次雷击的时间、地点、雷电流幅值；

S2计算所述线路各级杆塔的雷击跳闸率并对其进行加权平均计算，得到所述线路平均雷击跳闸率；

S3将步骤S2得到的线路平均雷击跳闸率结合线路遭受雷击跳闸自动重合闸不成功率及手动强送不成功率，计算线路永久故障率P_L和线路永久故障率相对风险值P_L'；

P_L＝线路雷击跳闸率N×自动重合闸失败率P_A×手动强送电失败率P_H  (3)

其中具体线路的P_A、P_H由运行经验给出；

线路永久故障率相对风险值P_L'计算公式为：

S4通过复杂网络理论计算线路在输电网结构中的权重系数判定线路在电网结构中的重要程度；

所述的步骤S4包括以下子步骤：

S4-1将电网简化为拓扑模型，具体原则为：

①只考虑220kV及以上高压线路，不考虑配电网和发电厂、变电站的主接线结构；

②节点均为无差别节点，不考虑大地零点；

③所有边均为无向赋权边，不考虑输电线其他特性参数和电压等级的不同；

④合并同杆并架输电线，不计并联电容支路，使模型成为简单图；

S4-2采用拓扑图中权重计算公式(5)计算各边的权重：

其中永久性故障损失负荷可通过分析所述具体时间段的具体运行方式来获得，社会影响因素值则通过查表确定；

S5考虑所述线路雷击风险相关的现场施工因素、控制措施因素、天气影响因素、设备类型因素、故障类别因素、历史统计因素、设备缺陷因素和检修时间因素，计算得到风险概率发生值；

$P_{\mathrm{RO}}=\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Π}}}{K}_i$

其中：K₁为现场施工因素值，K₂为控制措施因素值，K₃为天气影响因素值，K₄为设备类型因素值，K₅为故障类别因素值，K₆为历史统计因素值，K₇为设备缺陷因素值，K₈为检修时间因素值；

各影响因素K_i的参考值可由所述现场施工地区《电网安全风险量化评估方法(试行)》来给定；

S6计算线路遭受雷击跳闸时对电网的安全运行风险值R_c和区域输电网线路雷击闪络相对风险R_c'：

R_c＝P_L×w_i,j×w₂×P_RO  (6)；

R_c计量单位为MW/100k_m·_a；

R_c'＝P_L'×w_i,j×w₂'×P_RO  (7)；

R_c'为无纲量值。

2.根据权利要求1所述的区域电网线路雷击闪络风险评估方法，其特征是：所述的步骤S2包括以下子步骤：

S2-1通过雷电定位数据筛选统计出各级杆塔的落雷情况；

输电线路走廊宽度按照0.02°、径向取200-500m的一个档距长度进行单档距网格划分，并依次对整条输电线路每两基杆塔之间连线进行编号，分别为1、2...20，统计每一档距输电线路走廊范围内雷击点雷电参数分布规律；

线路地闪密度可由雷电定位系统监测到的输电线路受雷范围内的落雷次数除以受雷线路长度得到；

输电线路地闪密度定义为单位长度输电线路受雷次数，即：

式(1)中λ为线路地闪密度，单位为次/m·a，N_i为第i统计段输电线路受雷范围内的落雷次数，单位为次/a，l为第i统计段输电线路档距，单位为m；

S2-2结合各级杆塔的结构参数与地形地貌参数选用合理的耐雷水平计算模型计算出各级杆塔的反击耐雷水平及绕击耐雷水平：

反击耐雷水平计算采用规程法计算，绕击耐雷水平采用EGM电气几何法计算；

S2-3计算得到的各级杆塔耐雷水平结合所述现场施工地区的雷电流幅值概率分布函数按规程法计算各级杆塔的雷击跳闸率N1；再通过对各级杆塔的雷击跳闸率进行加权平均计算，得到该线路平均雷击跳闸率N的公式(2)：

N＝(N1+N2+…+N100)/n(2)

N1，N2…N100：表示1号，2号…100号杆塔，n：表示杆塔的数目。

3.根据权利要求1-2所述的任意一项区域电网线路雷击闪络风险评估方法，其特征是：所述的线路遭受雷击跳闸具备以下两个条件才成立：

a)雷电流幅值必须超过线路的耐雷水平，能使绝缘子串发生闪络；

b)绝缘子串和空气间隙在冲击闪络之后，必须继而转化为稳定的工频电弧。