CN105160049B - 一种35kV及以下配电线路直击雷跳闸率计算方法 - Google Patents

Abstract

一种35kV及以下配电线路直击雷跳闸率计算方法，所述方法首先获取配电线路所在地区雷害状况和线路、杆塔参数，得到雷电流击中杆塔和击中导线的概率。其次考虑到配电线路特殊的中性点接地方式，采用全新的公式计算出雷电流直接击中导线时导致绝缘子双相和三相闪络的雷电流幅值。然后通过电磁暂态仿真计算软件建立特定塔形和回路的雷电流击中杆塔和避雷线的仿真模型，得到绝缘子双相和三相闪络的雷电流幅值，进而分别采用新的公式计算出直击跳闸率和反击跳闸率，二者相加即得到总的直击雷跳闸率。本发明适用于配电线路不同塔形和回路下的跳闸率计算，为雷害评估和线路改造提供依据。

Description

一种35kV及以下配电线路直击雷跳闸率计算方法

技术领域

本发明涉及配电线路雷害水平评估及防护领域，具体涉及一种35kV及以下配电线路直击雷跳闸率计算方法。

背景技术

配电线路是电力系统中较靠近用户的一级，担负着向工农业生产、居民日常生活供电的重要职责，具有线路结构复杂、线路总量多、覆盖面积面广的特点。过去长期存在着重主网轻配网的思想，导致目前配网的设备状况、技术水平等方面与主网相比均存在着较大差距。配电线路绝缘水平较低，且一般无特别的防雷措施，不仅受到直击雷的影响，同时也会因雷击地面产生的感应过电压的影响而发生绝缘子闪络。相比高压输电线路，配电线路更容易发生雷击闪络跳闸，严重影响供电可靠性。

目前国内电网防雷研究的重点主要集中在主网，配网由于电压等级低，相关防雷研究问题一直不受重视，配网整体防雷研究较为薄弱。国外的配网防雷研究重点集中在防雷措施研究方面，国内一些学者对于配网防雷问题的研究，也缺乏对配电线路整体雷害水平的全面而准确的计算和评估。雷电参数的缺乏和计算方法的偏差与局限使得对配电线路的雷害水平评估难以精确化，在选择线路防雷措施时也带有很大的盲目性。在防雷计算评估方法中，缺乏对模型的精确建立，对各种影响因素的综合考虑，以及对雷击产生的总跳闸率的准确评估，结果无法确切反映线路雷击故障的风险，也不能确定影响雷击闪络的各因素所起的作用，据此提出的防雷措施的针对性、系统性、规划性也有待提高。因此，在配网防雷性能评估方法中，提出一整套全面的，同时各个部分有差异的、针对性的配电线路总雷击跳闸率的计算方法对于准确的评估配电线路防雷性能和进一步的防雷改造有着重要的意义和实用性。

配电线路绝缘水平低，直击雷过电压和感应雷过电压均可能造成线路闪络跳闸。直击雷过电压指雷击于导线或杆塔，使绝缘子承受较高的过电压而发生闪络。感应雷过电压指雷击于线路附近大地上，因电磁场效应在导线上感应出过电压。过电压达到一定程度将可能导致线路跳闸，影响配电线路的安全稳定运行，给居民生活和社会生产带来不利影响。

发明内容

本发明的目的在于，为了解决长期不受重视但十分重要且急需解决的配电线路直击雷跳闸率的计算问题，提出了全新的一种35kV及以下配电线路直击雷跳闸率计算方法。

本发明的技术方案是，一种35kV及以下配电线路直击雷跳闸率计算方法包括以下步骤，简明计算步骤示意图参见图1：

步骤一、获取配电线路所在地区雷害状况和线路、杆塔参数，包括落雷密度和回路数、电压等级、导线空间排列情况、塔形、杆塔波阻抗和接地电阻。

步骤二、根据导线空间排列情况，得到每次雷电流击中杆塔顶部与避雷线的概率和直接击中导线的概率。

步骤三、基于线路参数，根据全新的公式，计算得到雷电流直击导线导致绝缘子双相和三相闪络时的雷电流幅值。

步骤四、通过电磁暂态仿真软件建立特定回路和特定塔形情况下的雷电流反击模型，得到绝缘子双相和三相闪络时的雷电流幅值。

步骤五、根据直击、反击概率和对应的双相闪络、三相闪络的雷电流幅值，计算得出直击跳闸率和反击跳闸率，二者相加，即得总的直击雷跳闸率。

在本发明步骤一，收集雷击跳闸率计算所需的数据，为后续建模和计算做准备。

根据GIS系统确定配电线路的精确路径，利用雷电定位系统获得配电线路所在地区的落雷密度统计数据。确定线路电压水平、回路数、避雷线安装情况杆塔类型、导线空间排列情况、接地电阻等。

本发明步骤二，根据导线空间排列情况，得到每次雷击时，击中杆塔和线路的概率p，其中平原地区雷电流直接击中导线的概率p₁和击中杆塔、避雷线的概率p₂分别为0.5p。

本发明步骤三，计算雷电流直接击中导线时导致线路跳闸的雷电流幅值。雷电流直接击中导线的示意图如图2所示。由于配电线路中性点采取不接地或者经消弧线圈接地的非直接接地方式，因此，只有绝缘子双相闪络或三相闪络时才构成雷电流流通回路，形成稳定电弧，线路才会跳闸，这与主网不同。

绝缘子第i相和第j相先后闪络时雷电流幅值计算公式如下：

式中：I_ij为雷电流幅值，kA；U_50％为绝缘子50％击穿电压，kV；y_j为第j相导线悬挂高度，m；k_ij为第i相导线对第j相导线的耦合系数，i，j＝A，B，C，且i≠j；L_gt为杆塔电感,μH；R_ch为杆塔冲击接地电阻，Ω。

分别求出任意两相先后闪络的雷电流幅值I_ij，取其最小值作为双相闪络的雷电流I_1,2。

绝缘子第i相、第j相和第k相先后闪络时雷电流幅值计算公式如下：

式中：k_ijk为第i、j相导线对第k相导线的耦合系数，i，j，k＝A，B，C，且互不相同；y_k第k相导线悬挂高度，m；

分别求出任意三相先后闪络的雷电流幅值I_ij，取其最小值作为三相闪络的雷电流I_1,2,3。

当应用于多回路配电线路的计算时，分别求出每一回路的双相闪络和三相闪络雷电流，分别取最小值最为整条线路的双相闪络和三相闪络雷电流。

绝缘子闪络后，形成稳定电弧的概率也与主网不同，可按下式计算：

式中：η_1,2为绝缘子双相闪络后产生稳定电弧的概率；U_N为系统标称(线)电压，kV；l_dis为两相闪络时放电路径总长度，m。

本发明步骤四，通过电磁暂态仿真软件建立特定回路特定塔形情况下的雷电流反击模型，得到绝缘子双相闪络和三相闪络的雷电流幅值I'_1，2和I'_1，2，3。雷电流击中杆塔示意图如图3所示。

雷电流反击模型包括以下几个模块：线路模块、杆塔模块、雷电流模块和绝缘子闪络模块。

线路模块中可以基于现实情况自定义线路回路数和避雷线条数，设置导线电阻率、内外半径、横纵坐标、垂弧、线路长度、电压水平等，可以自定义是否加装避雷器、具体加装方式(全相加装或者单相加装等)以及避雷器的伏安特性等。

杆塔模块用单一波阻抗模拟，可以定义配电线路常用的各种塔形，包括十字型、上字型、门型等，并经接地电阻接地。

雷电流模块可以选择多种雷电流波形，并可自定义雷幅值、拨前波尾等雷电流参数。

本发明步骤五，根据直击、反击概率和对应的双相闪络、三相闪络的雷电流幅值，计算得出直击跳闸率和反击跳闸率。

我国一般地区雷电流幅值超过I的概率可按下式求得：

我国少雷地区雷电流幅值超过I的概率可按下式求得：

通过上式可以分别求得在雷电流直击导线时，导致绝缘子双相闪络和三相闪络的雷电流幅值概率P_1,2和P_1,2,3，以及雷电流击中杆塔和避雷线时，绝缘子双相闪络和三相闪络的雷电流幅值概率P′_1,2和P′_1,2,3。

雷电流直击导线导致的直击跳闸率可按下式计算：

n₁＝N·p₁·[(P_1，2-P_1，2，3)+P_1，2，3(2-η_1，2)]·η_1，2

雷击杆塔和避雷线导致的反击跳闸率可按下式计算：

n₂＝N·p₂·[(P′_1，2-P′_1，2，3)+P′_1，2，3(2-η_1，2)]·η_1，2

式中：n₁为直击跳闸率，次/(100km·a)；n₂为反击跳闸率，次/(100km·a)；N为落雷概率，次/(100km·a)；p₁为雷击导线的概率；p₂为雷击杆塔和避雷线的概率；P_1,2为雷击导线时导致绝缘子双相闪络概率；P_1,2,3为雷击导线时导致绝缘子三相闪络概率；P`<sub>1,2</sub>为雷击杆塔、绝缘子时导致绝缘子双相闪络概率；P`_1,2,3为雷击杆塔、绝缘子时导致绝缘子三相闪络概率；η_1,2为绝缘子双相闪络后产生稳定工频续流的概率，即建弧率。

落雷概率N按下式计算：

N＝0.1γT(b+10h_gt)

式中：γ为地面落雷密度，次/(km²·a)；T为雷电日数，计算时取40；

h_gt为杆塔高度，m；b为避雷线间的距离，m，无避雷线时取0，单避雷线时取避雷线到杆塔中心线之间的垂直距离。

总的雷击跳闸率计算公式为：

n＝n₁+n₂

直击雷跳闸率和感应雷跳闸率的计算步骤如图4所示。

本发明与原有的雷击跳闸率计算方法比较的有益效果如下：

(1)由于配电线路中性点采用非直接接地方式，这与主网不同，跳闸率计算方法也与主网不同。非直接接地方式下，只有绝缘子两相或两相以上闪络才可能导致线路跳闸，因此在计算直击导线跳闸率时，采用全新的公式计算出绝缘子两相闪络和三相闪络时的雷电流幅值，在计算反击跳闸率时，也通过仿真计算得到雷电流击中杆塔、避雷线时绝缘子两相闪络和三相闪络时的雷电流幅值。

(2)由于配电线路采用与主网不同的中性点非直接接地方式，绝缘子闪络后电弧轨迹也不同，因此采用新的两相闪络时的建弧率公式。

(3)得到直击和反击情况下的雷电流幅值和建弧率以后，继而采用的新的直击导线跳闸率和反击跳闸率的计算公式，计算更具有配电线路的针对性和特殊性，也为合理准确。

(4)本发明针对的是分布极为广泛，线路和地理环境复杂多变但却重视不够的35kV及以下的配电线路，提出了影响配电线路雷击跳闸率的所有情形的综合计算方法，具有全面和普遍适用性。包括雷击杆塔和避雷线造成的反击跳闸，雷击导线造成的直击跳闸。

(5)本发明对各种情形导致的雷击跳闸分别运用了不同的，但同时最合理准确的计算方法。其中直击跳闸率采用全新的理论公式法，反击跳闸率采用电磁暂态软件仿真建模与公式结合法。

(6)本发明的方法具有灵活性和针对性，可以自定义回路参数、避雷线参数、塔形、避雷器参数等，加之计算方法的差异性和合理性，保证了改计算方法的准确性和权威性。

本发明适用于配电线路不同塔形和回路下的跳闸率计算。

附图说明

图1为公式法计算直击导线跳闸率的计算过程；

图2为雷电流直接击中导线导致线路跳闸的示意图；

图3为雷电流击中杆塔导致线路跳闸的示意图；

图4为利用电磁暂态软件建立的模型，并通过编程调用模型来计算反击跳闸率的计算过程；

图中，I₂为仿真雷电流，初值(I_N+I_S)/2；I_N为最大耐受电流；I_S为最小闪络电流。

具体实施方式

本发明实施例一种35kV及以下配电线路直击雷跳闸率计算方法，包括以下步骤：

步骤一，获取配电线路所在地区雷害状况和线路、杆塔参数，包括落雷密度和回路数、电压等级、导线空间排列情况、塔形、杆塔波阻抗和接地电阻，为后续建模和计算做准备。

根据GIS系统确定配电线路的精确路径，利用雷电定位系统获得配电线路所在地区的落雷密度统计数据。确定线路电压水平、回路数、避雷线安装情况杆塔类型、导线空间排列情况、接地电阻等。

步骤二，根据导线空间排列情况，得到每次雷击时，击中杆塔和线路的概率p，其中雷电流击中杆塔顶部的概率p₁和直接击中导线的概率p₂分别为0.5p；

步骤三，基于线路参数，计算得到雷电流直击导线导致绝缘子双相和三相闪络时的雷电流幅值。雷电流直接击中导线示意图如图2所示。

由于配电线路中性点采取不接地或者经消弧线圈接地的非直接接地方式，因此，只有绝缘子双相闪络或三相闪络时才构成雷电流流通回路，形成稳定电弧，线路才会跳闸，这与主网不同。

绝缘子第i相和第j相先后闪络时雷电流幅值计算公式如下：

式中：I_ij——雷电流幅值，kA；

U_50％——绝缘子50％击穿电压，kV；

y_j——第j相导线悬挂高度，m；

k_ij——第i相导线对第j相导线的耦合系数，i，j＝A，B，C，且i≠j；

L_gt——杆塔电感,μH；

R_ch——杆塔冲击接地电阻，Ω；

其中第i相导线对第j相导线的耦合系数k_ij按下式计算：

式中：Z_ij——第i相导线与第j相导线之间的互阻抗，Ω；

Z_ii——第i相导线的自阻抗，Ω；

d_ij'——第i相导线到第j相导线镜像之间的距离，m；

d_ij——第i相导线到第j相导线之间的距离，m；

h_i——第i相导线的高度，m；

r_i——第i相导线的半径，m；

分别求出任意两相先后闪络的雷电流幅值I_ij，取其最小值作为双相闪络的雷电流I_1,2。

绝缘子第i相、第j相和第k相先后闪络时雷电流幅值计算公式如下：

式中：k_ijk——第i、j相导线对第k相导线的耦合系数，i，j，k＝A，B，C，且互不相同；

y_k——第k相导线悬挂高度，m；

其中第i相导线和第j相导线对第k相导线的耦合系数k_ijk按下式计算：

分别求出任意三相先后闪络的雷电流幅值I_ij，取其最小值作为三相闪络的雷电流I_1,2,3。

当应用于多回路配电线路的计算时，分别求出每一回路的双相闪络和三相闪络雷电流，分别取最小值最为整条线路的双相闪络和三相闪络雷电流。

绝缘子闪络后，形成稳定电弧的概率也与主网不同，可按下式计算：

式中：η_1,2——绝缘子双相闪络后产生稳定电弧的概率。

U_N——系统标称(线)电压，kV；

l_dis——两相闪络时放电路径总长度，m。

步骤四，通过电磁暂态仿真软件建立特定回路特定塔形情况下的雷电流反击模型，得到反击耐雷水平。该模型包括：线路模块、杆塔模块、雷电流模块、绝缘子闪络模块。雷电流击中杆塔的示意图如图3所示。

当雷电流击中杆塔顶端时，通过观察绝缘子状态，来判断是否闪络。当两相绝缘子闪络时的雷电流幅值即为配电线路耐雷水平。在计算耐雷水平时，可初步设定一个最大耐受电流I_N和一个最小闪络电流I_S，通过二分法，逐步缩小耐受电流和闪络电流的范围，接近真实耐雷水平值，当耐受电流和闪络电流的范围小于某个很小的确定值时，可停止二分，取耐受电流和闪络电流的平均数作为近似耐雷水平。上述过程可通过编程调用电磁暂态仿真模型，并自动实现循环过程，最终输出绝缘子双相闪络和三相闪络的雷电流幅值I'_1，2和I'_1，2，3。

我国一般地区雷电流幅值超过I的概率可按下式求得：

少雷地区雷电流幅值超过I的概率可按下式求得：

通过上式可以分别求得在雷电流直击导线时，导致绝缘子双相闪络和三相闪络的雷电流幅值概率P_1,2和P_1,2,3，以及雷电流击中杆塔和避雷线时，绝缘子双相闪络和三相闪络的雷电流幅值概率P′_1,2和P′_1,2,3。

雷电流直击导线导致的直击跳闸率可按下式计算：

n₁＝N·p₁·[(P_1，2-P_1，2，3)+P_1，2，3(2-η_1，2)]·η_1，2

雷击杆塔和避雷线导致的反击跳闸率可按下式计算：

n₂＝N·p₂·[(P′_1，2-P′_1，2，3)+P′_1，2，3(2-η_1，2)]·η_1，2

式中：n₁,n₂——直击跳闸率和反击跳闸率，次/(100km·a)；

N——落雷概率，次/(100km·a)；

p₁,p₂——雷击导线和雷击杆塔、避雷线概率；

P_1，2,P_1，2，3——雷击导线时导致绝缘子双相闪络和三相闪络概率；

P′_1，2,P′_1，2，3——雷击杆塔、绝缘子时导致绝缘子双相闪络和三相闪络概率；

η_1,2——绝缘子双相闪络后产生稳定电弧的概率；

直击雷跳闸率和感应雷跳闸率的简明计算步骤如图1和图4所示。

落雷概率N按下式计算：

N＝0.1γT(b+10h_gt)

式中：γ——地面落雷密度，次/(km²·a)；

T——雷电日数，计算时取40；

h_gt——杆塔高度，m；

b——避雷线间的距离，m，无避雷线时取0，单避雷线时取避雷线到杆塔中心线之间的垂直距离。

总的雷击跳闸率计算公式为：

n＝n₁+n₂。

Claims (3)

1.一种35kV及以下配电线路直击雷跳闸率计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、获取配电线路所在地区雷害状况和线路、杆塔参数，包括落雷密度和回路数、电压等级、导线空间排列情况、塔形、杆塔波阻抗和接地电阻；为后续建模和计算做准备；

步骤二、根据导线空间排列情况，得到每次雷电流击中杆塔顶部与避雷线的概率和直接击中导线的概率；

步骤三、基于线路参数，计算得到雷电流直击导线导致绝缘子双相和三相闪络时的雷电流幅值；

步骤四、通过电磁暂态仿真软件建立特定回路和特定塔形情况下的雷电流反击模型，得到绝缘子双相和三相闪络时的雷电流幅值；

步骤五、根据直击、反击概率和对应的双相闪络、三相闪络的雷电流幅值，计算得出直击跳闸率和反击跳闸率，二者相加，即得总的直击雷跳闸率；

所述雷电流幅值计算公式为：

绝缘子第i相和第j相先后闪络时雷电流幅值计算公式如下：

式中：I_ij为雷电流幅值，单位kA；U_50％为绝缘子50％击穿电压，单位kV；y_j为第j相导线悬挂高度，单位m；k_ij为第i相导线对第j相导线的耦合系数，i，j＝A，B，C，且i≠j；L_gt为杆塔电感，单位μH；R_ch为杆塔冲击接地电阻，单位Ω；f_d为导线垂弧，单位m；

分别求出任意两相先后闪络的雷电流幅值I_ij，取其最小值作为双相闪络的雷电流I_1,2；

绝缘子第i相、第j相和第k相先后闪络时雷电流幅值计算公式如下：

式中：k_ijk为第i、j相导线对第k相导线的耦合系数，i，j，k＝A，B，C，且互不相同；y_k为第k相导线悬挂高度，单位m；

分别求出任意三相先后闪络的雷电流幅值I_ijk，取其最小值作为三相闪络的雷电流I_1,2,3；

当应用于多回路配电线路的计算时，分别求出每一回路的双相闪络和三相闪络雷电流，分别取最小值最为整条线路的双相闪络和三相闪络雷电流；

绝缘子闪络后，形成稳定工频续流的概率也与主网不同，可按下式计算：

式中：η_1,2为绝缘子双相闪络后产生稳定工频续流的概率；U_N为系统标称线电压，单位kV；l_dis为两相闪络时放电路径总长度，单位m。

2.根据权利要求1所述的一种35kV及以下配电线路直击雷跳闸率计算方法，其特征在于，所述雷电流反击模型包括以下模块：

(1)线路模块：在模块中设置导线电阻率、内外半径、横纵坐标、垂弧、线路长度和电压水平；

(2)杆塔模块：利用相关公式计算得到杆塔波阻抗，建立杆塔的单一阻抗模型，模拟现实中不同塔形的空间形态，并精确设定杆塔每段长度；并对杆塔进行接地，接地电阻由试验实测得到；

(3)雷电流模块：采用最接近实际雷电流波形的Heidler雷电流模型，波前时间1.2μs，波尾时间50μs，模块中可设定任一雷电流幅值，并并联一个接地的恒定电阻；

(4)绝缘子闪络模块：利用试验所得到的绝缘子伏秒特性曲线进行函数拟合，或者直接已知伏秒特性函数，在TACS元件中进行模拟；同时测得发生雷击时绝缘子两端的电压值，利用相交法，当绝缘子两端的实际伏秒曲线与绝缘子的伏秒特性曲线发生相交时，绝缘子即发生闪络；

通过仿真计算，得到绝缘子两相闪络的雷电流幅值I′_1,2和绝缘子三相闪络的雷电流幅值I′_1,2,3。

3.根据权利要求1所述的一种35kV及以下配电线路直击雷跳闸率计算方法，其特征在于，所述总的直击雷跳闸率计算方法如下：

我国一般地区雷电流幅值超过I的概率可按下式求得：

少雷地区雷电流幅值超过I的概率可按下式求得：

通过上式可以分别求得在雷电流直击导线时，导致绝缘子双相闪络和三相闪络的雷电流幅值概率P_1,2和P_1,2,3，以及雷电流击中杆塔和避雷线时，绝缘子双相闪络和三相闪络的雷电流幅值概率P′_1,2和P′_1,2,3；

雷电流直击导线导致的直击跳闸率可按下式计算：

n₁＝N·p₁·[(P_1，2-P_1，2，3)+P_1，2，3(2-η_1，2)]·η_1，2

雷击杆塔和避雷线导致的反击跳闸率可按下式计算：

n₂＝N·p₂·[(P′_1，2-P′_1，2，3)+P′_1，2，3(2-η_1，2)]·η_1，2

式中：n₁为直击跳闸率，单位为次/100km·a；n₂为反击跳闸率，单位为次/100km·a；N为落雷概率，单位为次/100km·a；p₁为雷击导线的概率；p₂为雷击杆塔和避雷线的概率；P_1,2为雷击导线时导致绝缘子双相闪络概率；P_1,2,3为雷击导线时导致绝缘子三相闪络概率；P`<sub>1,2</sub>为雷击杆塔、绝缘子时导致绝缘子双相闪络概率；P`_1,2,3为雷击杆塔、绝缘子时导致绝缘子三相闪络概率；η_1,2为绝缘子双相闪络后产生稳定工频续流的概率，即建弧率；

落雷概率N按下式计算：

N＝0.1γT(b+10h_gt)

式中：γ为地面落雷密度，单位为次/km²·a；T为雷电日数，计算时取40；h_gt为杆塔高度，单位m；b为避雷线间的距离，单位m，无避雷线时取0，单避雷线时取避雷线到杆塔中心线之间的垂直距离；

总的雷击跳闸率计算公式为：n＝n₁+n₂。