CN104635131A - 基于Weibull分布的保护间隙距离计算方法 - Google Patents

Abstract

基于Weibull分布的保护间隙距离计算方法，涉及一种保护间隙距离计算方法。采用正态分布来计算时，前序工作多，计算复杂。本发明包括以下步骤：对绝缘子串进行测试，记录雷电冲击闪络电压；并联可调式保护装置测量其击穿电压，记录雷电击穿电压；用Weibull概率分布的方法对绝缘子串雷电冲击闪络电压进行处理；选择若干间隙距离；继而根据U_i0.1％＞U_g99.9％的绝缘配合原则选择保护间隙距离。本技术方案为基于Weibull的方法来确定并联间隙的间距，保证最佳的雷电冲击绝缘配合，方便操作，便捷可靠。

Description

基于Weibull分布的保护间隙距离计算方法

技术领域

本发明涉及一种保护间隙距离计算方法，尤指一种绝缘子串并联保护间隙的计算方法。

背景技术

绝缘子串并联保护间隙在使用前要经过雷电冲击放电试验、热稳定试验和工频电弧试验等检测以确保可以起到保护绝缘子并防止雷击断线的目的。但在实际使用中，最重要的就是通过测量绝缘子串和保护间隙的雷电冲击放电电压，并使其达到最佳的绝缘配合，从而确定的并联保护间隙的间隙距离。

由于放电电压具有分散性，工程上通常采用50％冲击放电电压来衡量间隙的雷击闪络特性。国标GB/T16927.1规定可采用升降法进行30次有效试验来确定50％雷电冲击放电电压。然而仅通过试验得出绝缘子串和保护间隙的50％雷电冲击放电电压，仍不足以确定之间的绝缘配合，还需测量得出绝缘子串和保护间隙的伏秒特性曲线，以确定其绝缘配合是否满足要求。

通过绝缘子串和保护间隙的雷电放电伏秒特性曲线可准确反映能否在较大的击穿概率内使雷电流通过保护间隙泄流，而非通过绝缘子串。但绘制绝缘子串和保护间隙的伏秒特性曲线是一项很复杂的工作，且每个间隙的伏秒特性曲线应具有一个上包线和下包线，绘制完整的伏秒特性曲线将更加困难。根据间隙击穿电压数据的概率分布特征，来确定绝缘子串和保护间隙之间的绝缘配合是一种相对简单且实用的方法。

司马文霞等人采用正态分布的方法来对多次放电电压的数据进行处理，从而得到满足绝缘配合要求的间隙距离。徐鹏等人研究可调式保护间隙在35kV变电站防雷中的应用时，也采用正态分布的数据处理方法，给出了35kV变电站用并联保护间隙的间隙距离。

采用正态分布来计算时，需要采集的实验数组多，否则准确性低，一般需要上百组实验，才能达到准确性要求，前序工作多，计算复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供基于Weibull分布的保护间隙距离计算方法，以达到计算简便的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

基于Weibull分布的保护间隙距离计算方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在绝缘子上连接用于产生冲击电压的冲击电压发生器、用于分压的分压器、与分压器低压侧相连的示波器；

2)对绝缘子串进行测试，试验电压由低往高施加，测量其闪络电压，记录雷电冲击闪络电压，重复20～30次实验，得到一组试验数据；

3)在绝缘子串的两端并联可调式保护装置，可调式保护装置包括第一导电球、第二导电球，第一导电球与第二导电球分别与绝缘子串两端电连接，第一导电球与第二导电球之间存在可调的保护间隙，在各个设定的间隙距离下进行测试，试验电压由低往高施加，测量其击穿电压，记录雷电击穿电压，重复20～30次实验，得到一组试验数据；

4)用Weibull概率分布的方法对绝缘子串雷电冲击闪络电压进行处理，得到50％闪络概率的雷电冲击放电电压U_i50％，0.1％闪络概率的雷电冲击放电电压U_i0.1％；在各个间隙距离下，绝缘子加保护间隙后保护间隙50％闪络概率的雷电冲击放电电压U_g50％，99.9％闪络概率的雷电冲击放电电压U_g99.9％；

5)根据U_i50％＞U_g50％的原则，选择若干间隙距离；继而根据U_i0.1％＞U_g99.9％的绝缘配合原则选择保护间隙距离。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

Weibull分布的概率函数为：式中，U是随机变量，为闪络电压(kV)，m和η为与U无关的参数，其中m为形状参数；η一般被称为尺度参数。

对试验数据，按照Weibull概率分布的方法进行处理，用Matlab软件进行计算，得到任意击穿或闪络概率的放电电压值。

所述的可调式保护装置还包括与第一导电球相连的第一球柄、与第二导电球相连的第二球柄、与绝缘子一端相连接的导线、与绝缘子另一端相连的导板，所述的导板弯折形成两段，分别为与绝缘子相连的固定段及与第二球柄相连的调节段，固定段与调节段的夹角为钝角，所述的调节段上设有与第二球柄相配的腰形槽，所述的第二球柄设有螺纹，第二球柄穿过腰形槽后通过两螺母将其夹持在导板上。

有益效果：本技术方案为基于Weibull的方法来确定并联间隙的间距，保证最佳的雷电冲击绝缘配合，方便操作，便捷可靠，本技术方案具有简单、易实施的特点，可以准确方便地确定保护间隙的间隙距离，对于架空线路防雷保护具有重要的意义。为绝缘子串加装并联间隙的“疏导式”防雷措施的实际应用奠定了基础，进而对保证电力线路的可靠运行，保障国民经济的安全具有重要作用。

附图说明

图1是本发明绝缘子串试验图。

图2是本发明并联可调式保护装置试验图。

图3是本发明可调式保护装置击穿图。

图4是本发明绝缘子串闪络图。

图5(a)是本发明试验波形记录中的空载波形图。

图5(b)是本发明试验波形记录中的并联保护间隙的典型击穿波形图。

图6是本发明的雷电冲击闪络(击穿)电压结果图。

图中：1-发生器；2-分压器；3-绝缘子；4-导线；5-导板；6-第一导电球；7-第二导电球；8-第一球柄；9-第二球柄；10-螺母；11-底座。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本技术方案包括以下步骤：

1)在绝缘子3上连接用于产生冲击电压的冲击电压发生器1、用于分压的分压器2、与分压器2低压侧相连的示波器；如图1所示；

2)对绝缘子3串进行测试，试验电压由低往高施加，测量其闪络电压，记录雷电冲击闪络电压，重复20～30次实验，得到一组试验数据；

3)在绝缘子3串的两端并联可调式保护装置，如图2所示，可调式保护装置包括第一导电球6、第二导电球7，第一导电球6与第二导电球7分别与绝缘子3串两端电连接，第一导电球6与第二导电球7之间存在可调的保护间隙，在各个设定的间隙距离下进行测试，试验电压由低往高施加，测量其击穿电压，记录雷电击穿电压，重复20～30次实验，得到一组试验数据；

4)用Weibull概率分布的方法对绝缘子3串雷电冲击闪络电压进行处理，得到50％闪络概率的雷电冲击放电电压U_i50％，0.1％闪络概率的雷电冲击放电电压U_i0.1％；在各个间隙距离下，绝缘子3加保护间隙后保护间隙50％闪络概率的雷电冲击放电电压U_g50％，99.9％闪络概率的雷电冲击放电电压U_g99.9％；

5)根据U_i50％＞U_g50％的原则，选择若干间隙距离；继而根据U_i0.1％＞U_g99.9％的绝缘配合原则选择保护间隙距离。

其中，Weibull分布的概率函数为：式中，U是随机变量，为闪络电压(kV)，m和η为与U无关的参数，其中m为形状参数；η一般被称为尺度参数。

在本实施例中，可调式保护装置还包括与第一导电球6相连的第一球柄8、与第二导电球7相连的第二球柄9、与绝缘子3一端相连接的导线4、与绝缘子3另一端相连的导板5，所述的导板5弯折形成两段，分别为与绝缘子3相连的固定段及与第二球柄9相连的调节段，固定段与调节段的夹角为钝角，所述的调节段上设有与第二球柄9相配的腰形槽，所述的第二球柄9设有螺纹，第二球柄9穿过腰形槽后通过两螺母10将其夹持在导板5上。导板5与绝缘子3之间设有金属底座11。

以下以PS15/500支柱式绝缘子3及其并联可调式保护间隙作为试验对象具体说明其间隙计算确定。

10kV架空配电线路常用的绝缘子3类型有P10、P15、P20等支柱式绝缘子3，X-45悬式(两片串联)绝缘子3，但在雷电活动更加强烈的特殊地形区域，采用了具有更高耐压水平的绝缘子3类型，典型的有PS15/500支柱式绝缘子3等。在雷电活动更加强烈的区域装设保护间隙对绝缘子3的保护效果更好，因而，选择PS15/500支柱式绝缘子3及其并联可调式保护间隙作为试验对象，系统研究保护间隙的最佳距离，完善其绝缘配合。

对PS15/500支柱式绝缘子3及其并联的可调式保护间隙进行雷电冲击试验，整体实验装置，如图2所示。

图中，冲击电压发生器1可以提供波前时间T1和半波峰值时间T2分别为1.2μs和50μs(误差分别在30％和20％以内)峰值范围为30kV～1200kV的雷电冲击波。分压器2为BHT1200kV弱阻尼电容式分压器2，变比为1380，TektronixTDS3012C型示波器接于分压器2的低压侧，设置自动触发用于捕捉波形，配套的LIANAPAC冲击波形分析软件可以对捕捉到的波形进行分析，得出视在峰值、波前时间和半波峰值时间等参数。试验的空载波形和典型的闪络波形如图5(a)，5(b)所示。

试验步骤：

首先，测量PS15/500支柱式绝缘子3(不加保护间隙)的雷电冲击闪络电压，重复20次；然后，在绝缘子3旁并联可调式保护间隙后，设置若干间隙距离，分别测量20次间隙的雷电冲击击穿电压，间隙距离一般小于绝缘子3绝缘结构长度的95％。最后，用weibull概率分布的方法对各个间隙的20次雷电冲击闪络(击穿)电压进行处理，选择出最佳的间隙距离。

PS15/500支柱式绝缘子3及其并联保护间隙雷电冲击特性试验结果

PS15/500支柱式绝缘子3及其并联可调式保护间隙后，20次雷电冲击闪络(击穿)电压结果如图6所示。

用Matlab软件对各个间隙下的20次雷电冲击放电电压按照Weibull概率分布的方法进行处理，可计算出对应概率的雷电冲击放电电压，如表1所示。

表1 PS15/500支柱式绝缘子3及其并联保护间隙服从Weibull分布的闪络电压值

仅从50％雷电冲击放电电压的角度来判断，保护间隙的3个距离下的U_g50％均小于PS15/500支柱式绝缘子3的U_i50％。

但根据U_i0.1％＞U_g99.9％的绝缘配合原则，分析表1的数据，可得出：绝缘子3并联130mm保护间隙不满足绝缘配合的要求；绝缘子3并联124mm保护间隙和绝缘子3并联118mm保护间隙均满足绝缘配合的要求。

试验验证

绝缘子3(串)与并联保护间隙的闪络路径是并联保护间隙对于绝缘子3串保护性能最直观的体现。同时也是绝缘子3(串)与并联保护间隙绝缘配合的重要参考依据。

图3中，放电电弧的路径从保护间隙经过，说明当雷击闪络时，保护间隙能够成功保护绝缘子3；图4中，放电电弧的路径从绝缘子3表面经过，说明保护间隙保护绝缘子3失败。

为了验证不同间隙距离的保护间隙对绝缘子3的保护效果，对PS15/500支柱式绝缘子3并联的3个间距下的保护间隙在施加特定电压等级下的闪络路径进行了观察，以验证基于Weibull分布的绝缘配合方法的准确性。

绝缘子3和间隙从0.01％放电概率到99.9％放电概率的放电电压区间一旦有交集，即说明并联间隙无法全面保护绝缘子3。而在其绝缘子3和并联间隙的伏秒特性曲线上也表现为两条曲线必然出现交点，因而，选择两个较高的电压等级进行测量，观察其闪络路径。表2给出了在特定电压等级下观察到的闪络路径特征的数据统计结果。

表2特定电压等级下闪络路径特征的数剧统计

由表2的数据统计结果可得，PS15/500支柱式绝缘子3并联130mm保护间隙时，仍有一定概率出现绝缘子3本体闪络，保护间隙保护失效；而PS15/500支柱式绝缘子3并联124mm、118mm保护间隙时，闪络均发生在保护间隙中，成功地保护了绝缘子3。该试验结果与基于Weibull分布的绝缘子3串与并联保护间隙的雷电冲击绝缘配合方法的计算结果一致，由此说明，基于Weibull分布的绝缘子3串与并联保护间隙的雷电冲击绝缘配合方法是准确有效的。

以上图1-6所示的基于Weibull分布的保护间隙距离计算方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (4)

1.基于Weibull分布的保护间隙距离计算方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在绝缘子(3)上连接用于产生冲击电压的冲击电压发生器(1)、用于分压的分压器(2)、与分压器(2)低压侧相连的示波器；

2)对绝缘子(3)串进行测试，试验电压由低往高施加，测量其闪络电压，记录雷电冲击闪络电压，重复20～30次实验，得到一组试验数据；

3)在绝缘子(3)串的两端并联可调式保护装置，可调式保护装置包括第一导电球(6)、第二导电球(7)，第一导电球(6)与第二导电球(7)分别与绝缘子(3)串两端电连接，第一导电球(6)与第二导电球(7)之间存在可调的保护间隙，在各个设定的间隙距离下进行测试，试验电压由低往高施加，测量其击穿电压，记录雷电击穿电压，重复20～30次实验，得到一组试验数据；

4)用Weibull概率分布的方法对绝缘子(3)串雷电冲击闪络电压进行处理，得到50％闪络概率的雷电冲击放电电压U_i50％，0.1％闪络概率的雷电冲击放电电压U_i0.1％；在各个间隙距离下，绝缘子(3)加保护间隙后保护间隙50％闪络概率的雷电冲击放电电压U_g50％，99.9％闪络概率的雷电冲击放电电压U_g99.9％；

5)根据U_i50％＞U_g50％的原则，选择若干间隙距离；继而根据U_i0.1％＞U_g99.9％的绝缘配合原则选择保护间隙距离。

2.根据权利要求1所述的基于Weibull分布的保护间隙距离计算方法，其特征在于：Weibull分布的概率函数为：式中，U是随机变量，为闪络电压(kV)，m和η为与U无关的参数，其中m为形状参数；η一般被称为尺度参数。

3.根据权利要求2所述的基于Weibull分布的保护间隙距离计算方法，其特征在于：对试验数据，按照Weibull概率分布的方法进行处理，用Matlab软件进行计算，得到任意击穿或闪络概率的放电电压值。

4.根据权利要求1所述的基于Weibull分布的保护间隙距离计算方法，其特征在于：所述的可调式保护装置还包括与第一导电球(6)相连的第一球柄(8)、与第二导电球(7)相连的第二球柄(9)、与绝缘子(3)一端相连接的导线(4)、与绝缘子(3)另一端相连的导板(5)，所述的导板(5)弯折形成两段，分别为与绝缘子(3)相连的固定段及与第二球柄(9)相连的调节段，固定段与调节段的夹角为钝角，所述的调节段上设有与第二球柄(9)相配的腰形槽，所述的第二球柄(9)设有螺纹，第二球柄(9)穿过腰形槽后通过两螺母(10)将其夹持在导板(5)上。