CN103488815A - 一种输电线路雷电绕击风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路雷电绕击风险评估方法。包括：获取输电线路参数；建立绝缘子闪络的先导发展模型，建立接地电阻的暂态非线性模型，利用线路参数和所建立的模型计算线路的雷电绕击耐雷水平，利用所求的雷电绕击耐雷水平结合电气几何模型计算绕击风险跳闸率。本发明的输电线路雷电绕击风险评估方法，以运行人员容易理解的方式，实现了输电线路绕击风险概率的快速计算，对确保电网的安全稳定运行有重要意义。该方法简单直观，易于实现和理解，有较好的可操作性。

Description

一种输电线路雷电绕击风险评估方法

技术领域

本发明涉及输电线路雷击监测与保护技术领域，具体涉及一种输电线路雷电绕击风险评估方法。

背景技术

雷击是输电线路的主要危害，是造成线路跳闸停电事故的主要原因，多年统计数据表明，雷害造成的故障占到了线路跳闸故障的50%～70%。雷击线路形成的雷电过电压波，沿线路传播侵入变电所，也是危害变电所设备安全运行的重要因素之一。从富兰克林的风筝引雷试验开始，人类对雷电的研究已有两百多年的历史。自上世纪60年代，有关雷电机理和防雷保护的研究发展到新的阶段，理论分析、模拟试验、现场实测和电子计算机等综合使用。每一次线路高度和电压等级的提高，都给防雷计算提出了新难题，同时也促使人们积极改进防雷保护计算模型。国内外研究人员现在使用的计算方法主要有规程法、电气几何模型、先导发展模型、行波法、EMTP法以及蒙特卡罗法等。蒙特卡洛法又称统计模拟法，是以概率和统计理论方法为基础，使用随机数来解决很多实际计算问题的方法，能够比较逼真地模拟事件的随机特性及物理实验过程，而且受几何条件限制小，可解决一些数值方法难以解决的问题。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种易于现场工作人员接受的输电线路雷电绕击风险评估方法，使线路雷电风险评估结果更接近运行实际情况，更易于现场推广使用。

本发明的技术方案为：

一种输电线路绕击风险评估方法，包括以下步骤:

步骤一、通过电力企业的管理信息系统简称MIS系统获取输电线路参数，所述输电线路参数包括：杆塔结构参数、绝缘子特性参数、导线参数、避雷线参数、避雷器参数，地形参数等。

步骤二、进行输电线路雷电绕击风险跳闸率的计算，所述绕击风险跳闸率又称绕击闪络率：

（1）、在电力系统暂态分析软件ATP-EMTP下利用上述步骤一获取的输电线路参数建立杆塔的波阻抗模型、绝缘子闪络的先导发展模型、以及接地电阻的暂态非线性模型；

（2）、利用第（1）步所建立的模型计算出线路的绕击耐雷水平；

绕击耐雷水平为利用电气几何模型计算绕击风险跳闸率的重要参数，其计算采用二分法获得，具体方法如下：

①在ATP-EMTP系统下建立的绝缘子闪络的先导发展模型中设定雷电流数值分别为I₁和I₂，满足I₁<I₂并且当雷电流幅值等于I₁时绝缘子不发生闪络，雷电流幅值等于I₂时绝缘子发生闪络；

②取I₃=（I₁+I₂）/2，判断当雷电流幅值等于I₃时绝缘子是否发生闪络，如果发生闪络则令I₂=I₃，否则令I₁=I₃；

③重复第②步多次，直到I₁和I₂的差值满足设定的精度要求时结束计算，输出绕击耐雷水平为I₁。

（3）、利用蒙特卡洛法对雷电绕击线路的随机特性进行模拟，并依据雷电参数所满足的概率分布抽取表征雷电特征的随机参数，包括：雷电流幅值、雷电先导位置、雷电流上升时间、半峰值时间。具体步骤如下：

①、构造或描述概率过程：

构造和描述雷电流幅值、雷电先导位置、雷电流上升时间、半峰值时间的随机概率过程，各随机参数都需满足给定的分布原则；

其中雷电流幅值满足规程规定的概率分布，规程法推荐我国一般地区雷电流幅值超过I的概率可按下式求得：

式中：I为雷电流幅值，单位为kA，P为雷电流幅值超过I的概率，推导得到雷电流幅值概率密度函数为：

；

雷电先导位置d需考虑包括垂直和平行于输电线路x，z两个方向上的位置d ₁ , d ₂ ；以杆塔所在位置处记为原点O，将一个档距记为spa；d ₁ , d ₂ 在引雷范围内服从

均匀分布；

雷电流上升时间服从对数正态分布，其中对数均值=2us，对数标准差

=0.4943us；

雷电流半峰值时间服从对数正态分布，其中对数均值=50us，对数标准差

=0.4943us；

②实现从已知概率分布抽样

利用上述概率模型产生随机变量，利用计算机随机抽取雷电流幅值、雷电先导位置、雷电流上升时间、半峰值时间等数值，使抽取的数值满足给定的分布；

（4）、结合绕击耐雷水平这一参数，将第（3）步中抽取到的一组随机数据代入建立的EGM模型，判断在这种条件下是否发生绕击闪络事故。

电气几何模型的基本理论如下所示：分析输电线路绕击屏蔽是否失效时，在垂直于线路的一个截面内，避雷线和导线的引雷范围都是通过以击距为半径的一段圆弧来表示，分别称为屏蔽弧，暴露弧，大地的引雷范围则通过一平行于地面的直线来表示。屏蔽弧，暴露弧和对地击距直线之间形成两点，这两点的位置决定了导线暴露在外的范围大小，也决定了导线被绕击的概率。取垂直于线路的一个截面来说明屏蔽失效的简化模型，该模型由一根导线、一根避雷线和参考地面组成。具体如图5所示。

附图中为导线高度，为避雷线高度，

为避雷线对相线的保护角。雷电流强度为

的雷电先导在该截面定位位置为曲线SPGE，避雷线、导线对应的击距弧段SP和PG分别是以各自所在位置为圆心，以击距

，

为半径的弧线，GE为平行于地面、高度为地面击距

的直线。定位于SP（屏蔽弧）上的落雷将击中避雷线，定位于PG（暴露弧）上的落雷将绕击导线，

为相线的暴露距离。定位于直线段GE上的落雷将击中地面。

（5）、重复以上（2）、（3）、（4）三个步骤N次，记录闪络的次数，便可得到绕击风险跳闸率或绕击闪络率的概率估计值，其公式如下： 

式中，如第k次抽样时绝缘子闪络

，否则

；N为抽样次数；p为绕击风险跳闸率的概率估计值；

步骤三、将上述得出的绕击风险跳闸率的概率估计值和国家电网公司发布的《110(66)kV～500kV架空输电线路管理规范》中线路跳闸率规定值进行比较，得出该线路的风险等级；

方法如下：设定规范规定值为风险等级阈值，以该阈值为参考，以50％、100％、150％为分级点将绕击性能分为A、B、C、D四个等级，具体分级标准为跳闸率小于阈值50％的杆塔为A级，大于50%并且小于100%的为B级，大于100%并且小于150%为C级，大于150%为D级。处于A级的杆塔具有较好的防雷性能，D级的杆塔雷击闪络风险较高。

根据本发明方法构建的输电线路雷电绕击风险评估软件系统包括：线路信息获取模块，绕击风险概率计算模块，雷击风险综合评价模块。

线路信息获取模块：从MIS系统中获取线路结构参数和雷电定位系统数据，存储在数据库中；

绕击风险概率计算模块：调用数据库中数据，建立模型，对输电线路进行绕击风险概率计算，结算结果存储在数据库中。

雷击风险综合评价模块：调用数据库中的计算结果，将雷电绕击风险跳闸率计算结果和绕击风险阈值标准作比较，判断雷击风险等级。

本发明的有益效果为：本方法开发完成达到产业化阶段以后，每年不需要再投入资金，而经系统优化的线路可以采用更经济有效的防雷策略，每年可节省资金上百万元。

以某电力公司负责维护40条输电线路为例，按常规评估方法，一次年检需要资金10万元，使用本项目开发的输电线路雷击风险评估系统后，仅需1万元，年节省维护资金：13×（10-1）=117万元。使用该系统，能够在故障前预警可能存在的风险，如及时检修，可避免停电事故，避免巨大的经济损失。

附图说明

图1为本发明实施例中所述酒杯塔结构和波阻抗模型的示意图；

图2为本发明实施例中所述绝缘子串闪络判据仿真模块的示意图；

图3为本发明实施例中所述冲击接地阻抗的ATP-EMTP仿真控制模块的示意图；

图4为本发明实施例中所述雷电先导位置示意图；

图5为本发明实施例中所述电气几何模型示意图；

图6为本发明实施例计算绕击风险跳闸率流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施做进一步详述。

如附图6所示，本发明实施例一种输电线路绕击风险评估方法，包括以下步骤： 

步骤一、通过电力部门的MIS系统获取输电线路参数，所述输电线路参数包括：杆塔结构参数、绝缘子特性参数、导线参数、避雷线参数、避雷器参数，地形参数等。

步骤二、进行输电线路雷电绕击风险跳闸率的计算：

（1），在电力系统暂态分析ATP-EMTP系统下利用步骤一获取的参数建立杆塔的波阻抗模型，绝缘子闪络的先导发展模型，接地电阻的暂态非线性模型。

所述杆塔的波阻抗模型：利用多导体系统模型理论建立杆塔的多波阻抗模型，结合图1所示推导得到了酒杯塔波阻抗的计算公式： 

主架部分每部分的波阻抗Z _Tk （k＝1，2，3，4）计算公式如下所示：

式中：

为第k段导体的对地高度，m；

为第k段导体的等效半径，m。

杆塔主架间存在纵横交错的支架，存在支架的多导体系统波阻抗减小了10％左右，那么每部分支架的波阻抗Z _Lk （k＝1，2，3，4）由下式计算：

杆塔横担波阻抗为Z _A ，计算公式如下。

式中：

为横担的等值半径，m；h为横担的高度，m。

所述绝缘子闪络的先导发展模型：采用先导发展模型作为绝缘子串雷击闪络判据。根据先导发展法原理，建立绝缘子串闪络模型，确定最终的闪络过程，如图2所示，绝缘子串两端承受的过电压作为输入信号，通过绝缘闪络判据仿真模块的两个输入节点输入，利用绝缘闪络规则判断绝缘子串是否发生闪络，通过输出节点发送信号给控制开关，并由控制开关执行是否开断的操作。

所述接地电阻模型：当线路杆塔遭受雷击时，其接地体的冲击阻抗明显受流过其电流幅值及频率影响，表现出较强的非线性特性。本文采用暂态阻抗表征接地体特性。

式中  

——低频低电流幅值下的接地电阻值；

——土壤电阻率(Ω·m)；

——土壤电离时的场强，可取400 kV/m；

——流过接地体的冲击电流幅值。

利用ATP-EMTP软件实现接地阻抗非线性特性的模拟，仿真控制模块如图3所示。如图3中利用FORTRAN语言编写冲击接地电阻的仿真控制模块，其中*表示相乘，K表示常系数等。

(2)结合第（1）步所建立的模型计算出线路的绕击耐雷水平；

绕击耐雷水平为利用电气几何模型计算绕击风险跳闸率的重要参数，其计算采用二分法获得，具体方法如下：

①在ATP-EMTP系统下建立的绝缘子闪络的先导发展模型中设定雷电流数值分别为I₁和I₂，满足I₁<I₂并且当雷电流幅值等于I₁时绝缘子不发生闪络，雷电流幅值等于I₂时绝缘子发生闪络；

②取I₃=（I₁+I₂）/2，判断当雷电流幅值等于I₃时绝缘子是否发生闪络，如果发生闪络则令I₂=I₃，否则令I₁=I₃；

③重复第②步多次，直到I₁和I₂的差值满足设定的精度要求时结束计算，输出绕击耐雷水平为I₁。

（3）在电力系统暂态分析ATP-EMTP系统下，利用蒙特卡洛法生成随机参数，包括：雷电流幅值、雷击部位和工频电压。其中生成随机参数时雷电流幅值满足规程规定的概率分布，规程法推荐我国一般地区雷电流幅值超过I的概率可按下式求得：

式中：I为雷电流幅值，单位为kA，P为雷电流幅值超过I的概率。推导得到雷电流幅值概率密度函数为：

雷电先导位置d需考虑包括垂直和平行于输电线路x，z两个方向上的位置d ₁ , d ₂ 。如图4所示，以杆塔所在位置处记为原点O，将一个档距记为spa。d ₁ , d ₂ 在引雷范围内服从

均匀分布。

雷电流上升时间服从对数正态分布，其中对数均值

=2us，对数标准差

=0.4943us。

雷电流半峰值时间服从对数正态分布，其中对数均值=50us，对数标准差

=0.4943us。

（4）结合绕击耐雷水平这一参数，将第（3）步中抽取到的一组随机数据代入已经建立的EGM模型，判断在这种条件下是否发生绕击闪络事故。

电气几何模型的基本理论如下所示：分析输电线路绕击屏蔽是否失效时，在垂直于线路的一个截面内，避雷线和导线的引雷范围都是通过以击距为半径的一段圆弧来表示，分别称为屏蔽弧，暴露弧，大地的引雷范围则通过一平行于地面的直线来表示。屏蔽弧，暴露弧和对地击距直线之间形成两点，这两点的位置决定了导线暴露在外的范围大小，也决定了导线被绕击的概率。取垂直于线路的一个截面来说明屏蔽失效的简化模型，该模型由一根导线、一根避雷线和参考地面组成。具体如图5所示。

如图5所示，

为导线高度，

为避雷线高度，

为避雷线对相线的保护角。雷电流强度为

的雷电先导在该截面定位位置为曲线SPGE，避雷线、导线对应的击距弧段SP和PG分别是以各自所在位置为圆心，以击距，

为半径的弧线，GE为平行于地面、高度为地面击距

的直线。定位于SP（屏蔽弧）上的落雷将击中避雷线，定位于PG（暴露弧）上的落雷将绕击导线，

为相线的暴露距离。定位于直线段GE上的落雷将击中地面。

随着雷电流的增加，各击距逐渐增大，各弧段的尺寸也相应地发生变化，致使导线被绕击的暴露弧段PG越来越小。当雷电流幅值增加到一定值时，P与G两点重合，此时对应的定位位置为曲线

，导线被完全屏蔽，不会发生绕击，此雷电流幅值为发生绕击的临界值，称为最大雷电流幅值，记为，对应的击距为最大击距

。

（5）重复以上2-4步骤N次，记录闪络的次数，便可得到绕击风险跳闸率的概率估计值，公式如下： 

式中，

第k次抽样时绝缘子闪络，否则

；N为抽样次数；p为绕击风险跳闸率的概率估计值；

步骤三、

将上述得出的绕击风险跳闸率的概率估计值和国家电网公司发布的《110(66)kV～500kV架空输电线路管理规范》中线路跳闸率规定值进行比较，得出该线路的风险等级。方法如下：设定规范规定值为风险等级阈值，以该阈值为参考，以50％、100％、150％为分级点将绕击性能分为A、B、C、D四个等级，具体分级标准为跳闸率小于阈值50％的杆塔为A级，大于50%并且小于100%的为B级，大于100%并且小于150%为C级，大于150%为D级。处于A级的杆塔具有较好的防雷性能，D级的杆塔雷击闪络风险较高。

实际算例：

选取某220kV典型双回线路的GUZ41和SDJ塔形为例，利用本方法计算绕击跳闸率。该线路相线采用钢芯铝绞线LGJ-240/30，地线采用钢绞线GJ-70。绝缘子采用FXB-220/100合成绝缘子，串长为2440mm。塔头参数见表1。

表1 塔头参数 

利用上述参数在ATP-EMTP建立杆塔的波阻抗模型，绝缘子闪络的先导发展模型，接地电阻的暂态非线性模型，计算得到线路的绕击耐雷水平为15kA。

利用蒙特卡洛法生成随机参数，并代入EGM模型中计算得到GUZ41和SDJ的绕击跳闸率分别为0.418和0.285次/100km.a。

《110(66)kV～500kV架空输电线路管理规范》中220kV线路跳闸率规定值为0.3次/100km.a，得出GUZ41和SDJ的风险等级分别为C和B级。

Claims (1)

1.一种输电线路雷电绕击风险评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:

步骤一、通过电力企业的管理信息系统简称MIS系统获取输电线路的各项结构参数和运行参数；

步骤二、进行输电线路雷电绕击风险跳闸率的计算，所述绕击风险跳闸率又称绕击闪络率：

（1）、在电力系统暂态分析软件ATP-EMTP下利用上述步骤一获取的输电线路参数建立杆塔的波阻抗模型、绝缘子闪络的先导发展模型、以及接地电阻的暂态非线性模型；

（2）、利用第（1）步所建立的模型计算出输电线路的绕击耐雷水平，绕击耐雷水平为利用电气几何模型计算绕击风险跳闸率的重要参数，其计算采用二分法获得；其具体方法如下：

①在ATP-EMTP系统下建立的绝缘子闪络的先导发展模型中设定雷电流数值分别为I₁和I₂，满足I₁<I₂并且当雷电流幅值等于I₁时绝缘子不发生闪络，雷电流幅值等于I₂时绝缘子发生闪络；

②取I₃=（I₁+I₂）/2，判断当雷电流幅值等于I₃时绝缘子是否发生闪络，如果发生闪络则令I₂=I₃，否则令I₁=I₃；

③重复第②步多次，直到I₁和I₂的差值满足设定的精度要求时结束计算，输出绕击耐雷水平为I₁；

（3）、利用蒙特卡洛法对雷电绕击线路的随机特性进行模拟，并抽取表征雷电特征的随机参数：

①、构造或描述概率过程：

构造和描述雷电流幅值、雷电先导位置、雷电流上升时间、半峰值时间的随机概率过程，各随机参数都需满足给定的分布原则；

其中雷电流幅值满足规程规定的概率分布，规程法推荐我国一般地区雷电流幅值超过I的概率可按下式求得：

式中：I为雷电流幅值，单位为kA，P为雷电流幅值超过I的概率，推导得到雷电流幅值概率密度函数为：

；

雷电先导位置d需考虑包括垂直和平行于输电线路x，z两个方向上的位置d ₁ , d ₂ ；以杆塔所在位置处记为原点O，将一个档距记为spa；d ₁ , d ₂ 在引雷范围内服从

均匀分布；

雷电流上升时间服从对数正态分布，其中对数均值=2us，对数标准差

=0.4943us；

雷电流半峰值时间服从对数正态分布，其中对数均值

=50us，对数标准差

=0.4943us；

②实现从已知概率分布抽样

利用上述概率模型产生随机变量，利用计算机随机抽取雷电流幅值、雷电先导位置、雷电流上升时间、半峰值时间等数值，使抽取的数值满足给定的分布；

（4）、结合绕击耐雷水平这一参数，将第（3）步中抽取到的一组随机数据代入建立的EGM模型即电气几何模型，判断在这种条件下是否发生绕击闪络事故；

（5）、重复以上（2）、（3）、（4）三个步骤N次，记录闪络的次数，便可得到绕击风险跳闸率或绕击闪络率的概率估计值，其公式如下： 

式中，在第k次抽样时绝缘子闪络，则

，否则

；N为抽样次数；p为绕击风险跳闸率的概率估计值；

步骤三、将上述得出的绕击风险跳闸率的概率估计值和国家电网公司发布的《110(66)kV～500kV架空输电线路管理规范》中线路跳闸率规定值进行比较，得出该线路的风险等级：

设定规范规定值为风险等级阈值，以该阈值为参考，以50％、100％、150％为分级点将绕击性能分为A、B、C、D四个等级，具体分级标准为跳闸率小于阈值50％的杆塔为A级，大于50%并且小于100%的为B级，大于100%并且小于150%为C级，大于150%为D级；

处于A级的杆塔具有较好的防雷性能，D级的杆塔雷击闪络风险较高。

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