CN105224797A - 一种特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明及一种特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法，包括如下步骤：（1）基于Heidler函数与长均匀传输线模拟，建立雷电流和雷电通道仿真模型，Heidler函数表达示，如式（1）所示；（2）建立特高压大跨越线路及杆塔模型，确定线路反击耐雷水平；（3）根据闪电定位系统，拟合出线路走廊范围内雷电流幅值分布概率，确定不同工频电压相位下的闪络概率；（4）根据闪电定位系统及GIS系统确定大跨越线路走廊的落雷密度，转化为线路落雷次数；（5）确定雷击杆塔塔顶的概率；（6）确定浪涌冲击闪络转为稳定工频电弧的概率；（7）确定特高压大跨越线路的反击跳闸率。有益效果为：通过雷电定位系统和GIS系统获得输电线路走廊范围内准确的雷电参数，拟合雷电流幅值概率分布公式，计算出较为精确的线路落雷密度。

Description

一种特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法

技术领域

本发明涉及环境监控领域，尤其涉及一种特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法。

背景技术

特高压大跨越杆塔的高度高、档距长，杆塔及地线引发上行先导导致雷击的概率很高，且发生雷击事故后不易维修，因此其耐雷性能一直是输电线路防雷保护的关键问题之一。大跨越线路雷击跳闸的主要原因之一是反击。这是因为大跨越杆塔比一般杆塔更易遭受雷击；同时杆塔波阻抗大且杆塔较高增加了绝缘闪络概率。而现有的计算输电线路反击跳闸率的方法一般都是针对高压及其以下线路提出的，其并未考虑特高压大跨越线路的特殊性，需要提出一种系统的反击跳闸率分析方法，准确反映特高压大跨越线路雷击故障的风险，提供更符合防雷要求的设计标准。

随着闪电定位系统的推广，地闪的发生时间、地点、强度、陡度等一系列参数能够被准确记录，可以结合地理信息系统(GIS)考虑大跨越段线路地形地貌特征、雷电活动差异性、环境特征差异性、线路结构差异性。同时电力系统电磁暂态分析(ATP)等电磁暂态仿真软件的广泛应用，可以建立符合特高压大跨越线路特征的雷击放电通道、绝缘子闪络、接地电阻等模型。

以下通过研究相关最新发明和实用新型专利，进一步说明本发明的技术背景。专利-一种特高压输电线路雷电反击性能仿真计算方法(201310714012)通过将大跨越杆塔之间的导线分为多个线段，对每个线段建立线路分布参数电路模型，并对每个杆塔建立多波阻抗模型，然后根据雷电活动情况选定雷电参数，整合所有模型并计算出耐雷水平，然后根据耐雷水平以及一系列公式计算得出特高压输电线路的反击跳闸率水平。但是此方法线路采用Bergeron模型，没有考虑线路参数的频变特征，同时没有考虑雷击杆塔线路上产生的感应过电压。专利-一种特高压输电线路大跨越段雷电反击性能的确定方法(201410050630)对大跨越杆塔及档中导线进行分段分布参数模型建模，提高了雷电反击性能的仿真计算精度。但是该方法没有考虑线路走廊范围内的雷电参数，线路建模没有考虑冲击电晕与接地电阻的影响，计算结果做不到精确。

发明内容

本发明目的在于克服以上现有技术之不足，提供特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法，具体由以下技术方案实现：

所述特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法，包括如下步骤：

(1)基于Heidler函数与长均匀传输线模拟，建立雷电流和雷电通道仿真模型，Heidler函数表达示，如式(1)所示，

$i\left(t\right)=I_0\frac{{(t/{\mathrm{\τ}}_1)}^n}{1+{(t/{\mathrm{\τ}}_1)}^n}{e}^{-t/{\mathrm{\τ}}_2}---\left(1\right)$

式中，I₀为峰值电流，τ₁和τ₂分别为波头时间常数和波尾时间常数，n为电流陡度因子；

(2)建立特高压大跨越线路及杆塔模型，确定线路反击耐雷水平；

(3)根据闪电定位系统，拟合出线路走廊范围内雷电流幅值分布概率，确定不同工频电压相位下的闪络概率；

(4)根据闪电定位系统及GIS系统确定大跨越线路走廊的落雷密度，转化为线路落雷次数；

(5)确定雷击杆塔塔顶的概率；

(6)确定浪涌冲击闪络转为稳定工频电弧的概率；

(7)确定特高压大跨越线路的反击跳闸率。

所述特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法的进一步设计在于，所述步骤(1)中的雷电通道波阻抗根据GB50064-2014的波阻抗随雷电流幅值变化的规律确定。

所述特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法的进一步设计在于，所述步骤(2)中的输电线路及杆塔模型包括输电线路的导线、避雷线模型、线路冲击电晕模型、杆塔模型、绝缘子串闪络模型、接地电阻模型和雷击塔顶感应过电压模型；所述导线、避雷线模型选用Jmarti模型，用于反映频率与线路参数的关系以及分布的损耗特性；避雷线模型采用双回避雷线，输电导线末端选用10km的长线模拟，用于消除雷电流在输电线路末端的折反射；所述杆塔模型采用多波阻抗模型，根据杆塔的主材和横担长度的无损线路进行建模；所述绝缘子串闪络模型采用先导发展模型。

所述特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法的进一步设计在于，所述步骤(3)中的雷电流累积概率分布公式，根据IEEE给出的雷电流累积概率分布公式，如式(3)所示，

$P\left(I\right)=\frac{1}{1+{\left(\frac{i}{\mathrm{\α}}\right)}^{\mathrm{\β}}}---\left(3\right)$

结合闪电定位系统的雷电数据，可以拟合得出α和β，P(I)是线路走廊范围内雷电流幅值累积概率分布。

所述特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法的进一步设计在于，安装雷电在线监测终端，在线监测终端根据雷电流行波记录下雷击发生时刻t，在时钟同步的情况下再在雷电定位系统中查询t时刻线路的雷击情况，最后利用指定时间段内查询到的雷电流幅值拟合得出α和β参数值。

所述特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法的进一步设计在于，所述步骤(3)中不同工频电压相位下的闪络概率的计算包括如下步骤：在ATP软件中，将工作电压相角中从0依次增大到360°，步长为30°，记录发生闪络时对应的电流值I₁、I₂…、I₁₂；计算雷电流在相邻两个闪络电流之间出现的概率的表达式如式(4)所示，

${\mathrm{\ΔP}}_n=\frac{1}{1+{\left(\frac{i_n}{\mathrm{\α}}\right)}^{\mathrm{\β}}}-\frac{1}{1+{\left(\frac{i_{n+1}}{\mathrm{\α}}\right)}^{\mathrm{\β}}}---\left(4\right)$

闪络率 $p=\underset{1}{\overset{12}{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_n.$

所述特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法的进一步设计在于，所述步骤(4)中每百千米每年的落雷次数N_L＝N_GD/10，其中N_G为根据闪电定位系统得到的线路走廊每平方千米的年落雷次数，D为线路的引雷宽度，D＝0.28(28h^0.6+b)，h为杆塔的高度；b为两根避雷线线之间的距离。所述特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法的进一步设计在于，所述步骤(5)中确定雷击杆塔塔顶的概率通过输电线路所在地形确定，平原为1/6，山区为1/4。

所述特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法的进一步设计在于，所述步骤(6)中浪涌冲击闪络转为稳定工频电弧的概率的表达式如式(5)所示，

$\mathrm{\η}=\[4.5{\left(\frac{Un}{\sqrt{3}l}\right)}^{0.75}-14\]\%---\left(5\right)$

Un为系统额定电压，l为线路绝缘子串长度。

所述特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法的进一步设计在于，所述步骤(7)中反击跳闸率的表达式如式(6)所示，

SFR＝N_Lηpg(6)

其中，N_L为线路的每百千米每年的落雷次数，η为雷击冲击闪络转为稳定工频电弧的概率，p为雷电流幅值大于线路耐雷水平的概率，g为雷击于杆塔塔顶的概率；所述反击跳闸率的单位为次/100千米·年。

本发明的优点如下：

本发明中对大跨越杆塔进行分布参数模型建模，考虑线路参数受频率和电晕的影响，提高了雷电反击性能的仿真计算精度。

本发明中考虑雷电波在杆塔不同部位折反射情况，以及雷电流在线路传播过程中，频率对线路参数的影响。

本发明中考虑了输电线路遭受雷击时真正加在绝缘子上的千差万别的过电压波形，从理论上比较符合放电的物理过程。

本发明中考虑了工频电压对反击耐雷水平的影响，计算不同工作相位角时的闪络率。

本发明中考虑了雷击塔顶时线路上感应过电压的影响，在绝缘子串闪络模型中耦合进感应过电压。

本发明中考虑了接地体在雷电流作用下的复杂流散过程，采用有损长线来模拟接地体，同时考虑火花效应导致的电阻时变效应。

本发明中通过雷电定位系统和GIS系统获得输电线路走廊范围内准确的雷电参数，拟合雷电流幅值概率分布公式，计算出较为精确的线路落雷密度。

附图说明

图1为本发明的雷电流通道阻抗与雷电流幅值的关系示意图。

图2为本发明的线路冲击电晕模型示意图。

图3为本发明的杆塔多波阻抗模型示意图。

图4为本发明的接地电阻模型示意图。

图5为本发明的绝缘子串模型示意图。

图6为本发明的雷击杆塔塔顶示意图。

图7为本发明方法的跳闸率计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方案进行详细说明。

本是实施例提供的特高压大跨越线路雷电反击跳闸率计算方法包括以下步骤：(1)建立雷电流和雷电通道仿真模型；(2)建立特高压大跨越线路及杆塔模型，确定线路反击耐雷水平；(3)根据闪电定位系统，拟合出线路走廊范围内雷电流幅值分布概率，确定不同工频电压相位下的闪络概率；(4)根据闪电定位系统及GIS系统确定大跨越线路走廊的落雷密度，转化为每百千米每年的落雷次数；(5)确定雷击杆塔塔顶的概率；(6)确定浪涌冲击闪络转为稳定工频电弧的概率；(7)确定特高压大跨越线路的反击跳闸率。

(1)中雷电流波形采用IEC推荐的Heidler函数表示，表达式为：

$i\left(t\right)=I_0\frac{{(t/{\mathrm{\τ}}_1)}^n}{1+{(t/{\mathrm{\τ}}_1)}^n}{e}^{-t/{\mathrm{\τ}}_2}$

式中，I₀为峰值电流，τ₁和τ₂分别为波头时间常数和波尾时间常数，n为电流陡度因子，一般情况下取n＝2或10。

因为回击通道很长，不考虑回击通道中的折反射，回击通道用很长的均匀传输线模拟。雷电流通道的波阻抗Z₀和雷电流幅值紧密相关，雷电通道等值波阻抗Z₀在不同的雷电流幅值下宜区别对待，根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》(GB50064-2014)给出的Z₀随雷电流幅值变化的规律图确定，见图1。

步骤(2)中的输电线路及杆塔模型包括输电线路的导线、避雷线模型、线路冲击电晕模型、杆塔模型、绝缘子串闪络模型、接地电阻模型和雷击塔顶感应过电压模型。

导线及避雷线模型选用Jmarti线路模型来反映频率与线路参数的关系以及分布的损耗特性。在ATP中建立了十基杆塔的线路模型，线路全线水平架设双回避雷线。输电导线末端选用10km的长线模拟，用以消除雷电流在输电线路末端的折反射。

冲击电晕模型采用动态电容去模拟电晕引起的衰减和变形，见图2。由于电晕过程中动态电容C_d大于几何电容C₀，电晕引起的附加电容C_f：

$C_f=C_d-C_0={\mathrm{MC}}_0{(u/u_0)}^{\frac{1}{3}}-C_0$

式中，正极性时M＝1.35，负极性时，M＝1.13，u为电压瞬时值，u₀为电晕起始电压， $u_0=24.5m\mathrm{\δ}(1+\frac{0.65}{{\left(\mathrm{\δ}r\right)}^{0.33}})nr\ln \left(\frac{2h}{r_e}\right){\[1+\frac{n-1}{A}\]}^{-1},$ m为导线表面的粗糙系数，一般取值为(0.82～0.94)；δ为相对空气密度；r为导线半径(cm)；n为分裂导线数；h为导线平均高度(cm)；r_e为分裂导线的等效半径(cm)，A为分裂间距。

杆塔模型采用多波阻抗模型，根据杆塔的主材和横担长度的无损线路进行建模，考虑到杆塔的不同部位、不同高度处阻抗的变化，多波阻抗模型见图3。

接地电阻模型将接地体按有损长线处理，看成是由电感、电容、电导和电阻组成的电路。同时考虑火花放电，接地体中的电导采用时变电阻模型，见图4。

$R=\frac{{\mathrm{\ρ}}_c{l}_0}{{\mathrm{\πa}}^2};$

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_c{l}_0}{2\mathrm{\π}}(ln\frac{2l_0}{a}-1);$

$G=\frac{2{\mathrm{\πl}}_0}{{\mathrm{\ρ}}_s(ln\frac{2l_0}{\sqrt{2ah}}-1)};$

C＝ε_sρ_sG

式中：ρ_c为接地导体电阻率；ρ_s为土壤电阻率；ε_s为土壤介电常数；h、a分别为接地体埋深、半径；l₀为分段接地导体长度。

对地电导和对地电容大小与半径紧密相连，也是根据一定的函数关系时变的，但电感和电阻基本不受火花放电影响，其值为常量，电容的大小对计算结果几乎没有影响，因此在ATP中电导用可变电阻来模拟。火花区域边界的电场强度为土壤的临界击穿场强，则各段的等值半径可通过下式求得：

$J_i=\frac{E_c}{{\mathrm{\ρ}}_s}=\frac{{\mathrm{\Δi}}_i}{2{\mathrm{\πr}}_i{l}_0}$

$r_i=\frac{{\mathrm{\Δi}}_i}{2{\mathrm{\πJ}}_i{l}_0}$

式中：J_i为通过第i段导体的电流密度；E_c为土壤的临界击穿场强；ρ_s为土壤电阻率；△i_i为通过第i段导体泄流的电流；l₀为分段导体长度。采用下式来计算土壤的临界击穿场强：

E_c＝241ρ^0.215

临界击穿电流：

$i_c=\frac{482000\mathrm{\π}a}{{\mathrm{\ρ}}^{0.785}}{l}_0$

最后，可变电阻与电流的关系式：

$R_i=\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&rho;}}_s}{2{\mathrm{\&pi;l}}_0}(ln\frac{241l^2{l}_0}{{{\mathrm{\&rho;}}_s}^{0.785}}-\ln i)i\&GreaterEqual;i_c\\ \frac{{\mathrm{\&rho;}}_s}{2{\mathrm{\&pi;l}}_0}(ln\frac{l_0}{2ha}-0.61)i<i_c\end{array}\right.$

绝缘子串闪络模型采用先导发展模型，理论上比较符合放电的物理过程，利用了过电压的全部信息，能够分析任意波形下绝缘子串的闪络情况，见图5。

雷击杆塔导线感应过电压模型，根据GBZ24842-2009给出的感应过电压计算公式：

$u_i=2.2i^{0.4}{h}_c(1-\frac{h_s}{h_c}{k}_0)$

式中，i为雷电流瞬时幅值，h_c为导线平均高度，h_s为避雷线平均高度，k₀为避雷线与导线间耦合系数。在ATP利用model模块计算感应过电压，将计算结果输出在绝缘子串闪络模型中参与运算。

步骤(2)中不同工频电压相位下的反击耐雷水平，在ATP软件中，将工作电压相角中从0依次增大到360°，步长为30°，记录发生闪络时对应的电流值I₁、I₂…、I₁₂。

步骤(3)中的雷电流累积概率分布公式，根据IEEE给出的雷电流累积概率分布公式：

$P\left(I\right)=\frac{1}{1+{\left(\frac{I}{\mathrm{\&alpha;}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}}}$

结合闪电定位系统的雷电数据，可以拟合得出α和β。P(I)仍是线路走廊范围内雷电流幅值累积概率分布，并不能将雷击线路本体和雷击附近大地区分开。如果线路上安装雷电在线监测系统，则可以进行进一步改进：在线监测终端根据雷电流行波记录下雷击发生时刻t，在时钟同步的情况下再在雷电定位系统中查询t时刻线路的雷击情况，最后利用指定时间段内查询到的雷电流幅值拟合得出α和β参数值。

步骤(3)中不同工频电压相位下的闪络概率

${\mathrm{\&Delta;P}}_n=\frac{1}{1+{\left(\frac{i_n}{\mathrm{\&alpha;}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}}}-\frac{1}{1+{\left(\frac{i_{n+1}}{\mathrm{\&alpha;}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}}}$

总闪络率 $p=\underset{1}{\overset{12}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&Delta;P}}_n.$

步骤(4)中每百千米每年的落雷次数

N_L＝N_gD/10

式中，N_G为根据闪电定位系统得到的线路走廊每平方千米的年落雷次数，D为线路的引雷宽度，D＝0.28(28h^0.6+b)，h为杆塔的高度；b为两根避雷线线之间的距离。

步骤(5)中确定雷击杆塔塔顶的概率通过输电线路所在地形确定，平原为1/6，山区为1/4。

步骤(6)中浪涌冲击闪络转为稳定工频电弧的概率

$\mathrm{\&eta;}=\&lsqb;4.5{\left(\frac{Un}{\sqrt{3}l}\right)}^{0.75}-14\&rsqb;\%$

式中，Un为系统额定电压，l为线路绝缘子串长度。

步骤(7)中反击跳闸率

SFR＝N_Lηpg

式中，N_L为线路的每百千米每年的落雷次数，η为雷击冲击闪络转为稳定工频电弧的概率，p为雷电流幅值大于线路耐雷水平的概率，g为雷击于杆塔塔顶的概率；所述反击跳闸率的单位为次/100千米·年。

Claims (10)

1.一种特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)基于Heidler函数与长均匀传输线模拟，建立雷电流和雷电通道仿真模型，Heidler函数表达示，如式(1)所示，

$i\left(t\right)=I_0\frac{{(t/{\mathrm{\&tau;}}_1)}^n}{1+{(t/{\mathrm{\&tau;}}_1)}^n}{e}^{-t/{\mathrm{\&tau;}}_2}---\left(1\right),$

I₀为峰值电流，τ₁和τ₂分别为波头时间常数和波尾时间常数，n为电流陡度因子；

(2)建立特高压大跨越线路及杆塔模型，确定线路反击耐雷水平；

(3)根据闪电定位系统，拟合出线路走廊范围内雷电流幅值分布概率，确定不同工频电压相位下的闪络概率；

(4)根据闪电定位系统及GIS系统确定大跨越线路走廊的落雷密度，转化为线路落雷次数；

(5)确定雷击杆塔塔顶的概率；

(6)确定浪涌冲击闪络转为稳定工频电弧的概率；

(7)确定特高压大跨越线路的反击跳闸率。

2.根据权利要求1所述的特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法，其特征在于所述步骤(1)中的雷电通道波阻抗根据GB50064-2014的波阻抗随雷电流幅值变化的规律确定。

3.根据权利要求1所述的特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法，其特征在于所述步骤(2)中的输电线路及杆塔模型包括输电线路的导线、避雷线模型、线路冲击电晕模型、杆塔模型、绝缘子串闪络模型、接地电阻模型和雷击塔顶感应过电压模型；所述导线、避雷线模型选用Jmarti模型，用于反映频率与线路参数的关系以及分布的损耗特性；避雷线模型采用双回避雷线，输电导线末端选用10km的长线模拟，用于消除雷电流在输电线路末端的折反射；所述杆塔模型采用多波阻抗模型，根据杆塔的主材和横担长度的无损线路进行建模；所述绝缘子串闪络模型采用先导发展模型。

4.根据权利要求1所述的特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法，其特征在于所述步骤(3)中的雷电流累积概率分布公式，根据IEEE给出的雷电流累积概率分布公式，如式(3)所示，

$P\left(I\right)=\frac{1}{1+{\left(\frac{i}{\mathrm{\&alpha;}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}}}---\left(3\right),$

结合闪电定位系统的雷电数据，可以拟合得出α和β，P(I)是线路走廊范围内雷电流幅值累积概率分布。

5.根据权利要求4所述的特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法，其特征在于安装雷电在线监测终端，在线监测终端根据雷电流行波记录下雷击发生时刻t，在时钟同步的情况下再在雷电定位系统中查询t时刻线路的雷击情况，最后利用指定时间段内查询到的雷电流幅值拟合得出α和β参数值。

6.根据权利要求5所述的特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法，其特征在于所述步骤(3)中不同工频电压相位下的闪络概率的计算包括如下步骤：在ATP软件中，将工作电压相角中从0°依次增大到360°，步长为30°，记录发生闪络时对应的电流值I₁、I₂…、I₁₂；计算雷电流在相邻两个闪络电流之间出现的概率的表达式如式(4)所示，

${\mathrm{\&Delta;P}}_n=\frac{1}{1+{\left(\frac{i_n}{\mathrm{\&alpha;}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}}}-\frac{1}{1+{\left(\frac{i_{n+1}}{\mathrm{\&alpha;}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}}}---\left(4\right),$

总闪络率 $p=\underset{1}{\overset{12}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&Delta;P}}_n.$

7.根据权利要求1所述的特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法，其特征在于，所述步骤(4)中每百千米每年的落雷次数N_L＝N_GD/10，其中N_G为根据闪电定位系统得到的线路走廊每平方千米的年落雷次数，D为线路的引雷宽度，D＝0.28(28h^0.6+b)，h为杆塔的高度；b为两根避雷线线之间的距离。

8.根据权利要求1所述的特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法，其特征在于，所述步骤(5)中确定雷击杆塔塔顶的概率通过输电线路所在地形确定，平原为1/6，山区为1/4。

9.根据权利要求1所述的特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法，其特征在于，所述步骤(6)中浪涌冲击闪络转为稳定工频电弧的概率的表达式如式(5)所示，

$\mathrm{\&eta;}=\&lsqb;4.5{\left(\frac{Un}{\sqrt{3}l}\right)}^{0.75}-14\&rsqb;\%---\left(5\right),$

Un为系统额定电压，l为线路绝缘子串长度。

10.根据权利要求1所述的特高压大跨越线路反击跳闸率计算方法，其特征在于，所述步骤(7)中反击跳闸率的表达式如式(6)所示，

SFR＝N_Lηpg(6)，

N_L为线路的每百千米每年的落雷次数，η为雷击冲击闪络转为稳定工频电弧的概率，p为雷电流幅值大于线路耐雷水平的概率，g为雷击于杆塔塔顶的概率；所述反击跳闸率的单位为次/100千米·年。