CN106597233A - 计及动态空气密度的输电线路风偏放电预警方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计及动态空气密度的输电线路风偏放电预警方法，包括：S1风偏在线监测系统或气象站采集相对湿度监测值，采用相对湿度监测值和饱和水汽压计算水汽压e，基于气象学理论计算动态空气密度；S2根据动态空气密度，采用伯努利方程计算基准风压；S3采用基准风速计算导线的水平风载荷；S4采用水平风载荷计算悬垂绝缘子串的风偏角；S5采用最小空气间隙模型计算导线与杆塔主材的风偏最小间隙距离。本发明可提空气间隙距离的计算精度，对保证电网安全运行具有重要意义。

Description

计及动态空气密度的输电线路风偏放电预警方法
技术领域
本发明属于风偏最小间隙距离计算领域，特别涉及一种计及动态空气密度的输电线路风偏放电预警方法。
背景技术
风偏是指架空输电线受风力的作用偏离其垂直位置的现象，包括跳线风偏、相间风偏和绝缘子串风偏。跳线风偏是指转角塔跳线受到大风影响，使跳线与转角塔的距离缩短，形成跳线放电；相间风偏是指强风条件下，导线之间的电气距离缩短，使不同相导线间放电；绝缘子串风偏角是指在风力作用下，绝缘子串相对于杆塔发生倾斜，使绝缘子串底端悬挂的导线与杆塔间的空气间隙距离变小而发生放电。其中，绝缘子串风偏是造成风偏跳阐事故的主要因素，其直接原因是悬垂绝缘子串的风偏角过大，使绝缘子串下端带电体与杆塔之间的空气间隙减小，当此间隙的电气强度不能承受系统运行电压时就会发生放电现象。
在计算风偏角时，传统方法是刚性直杆模型，在计算过程中，将空气密度取为固定标准值，而在风偏发生的恶劣气候中，空气密度是不定的，这势必影响对绝缘子串风偏角的计算，导致空气间隙距离计算不准确，影响电力调度检修部门的故障应急决策。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明基于气象学理论，提供了一种计及动态空气密度的输电线路风偏放电预警方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
计及动态空气密度的输电线路风偏放电预警方法，包括：
S1风偏在线监测系统或气象站采集相对湿度监测值，采用相对湿度监测值和饱和水汽压计算水汽压e，基于气象学理论计算动态空气密度
S2根据动态空气密度，采用伯努利方程计算基准风压W0＝ρv2/2；
S3采用基准风速计算导线的水平风载荷Fd＝αKhμscSW0sin2θ；
S4采用水平风载荷计算悬垂绝缘子串的风偏角
S5采用最小空气间隙模型计算导线与杆塔主材的风偏最小间隙距离d；
S6根据风偏最小间隙距离进行风偏放电预警；
上述，p为大气压强；t为空气温度；v为设计基准高度下的基本风速；α为风压不均匀系数；Kh为风压高度变化系数；μsc为导线的体型系数；S为导线受风面积；θ为风向与导线径向的夹角；Fj为悬垂绝缘子串的水平风载荷；Gd为导线的垂直载荷；Gj为悬垂绝缘子串的垂直载荷；β为风向与导线轴向的夹角；m为横担长度；n为悬挂点到杆塔垂直中心线的距离；l为悬垂绝缘子串的总长度；η为横担和杆塔主材的夹角。
步骤S1中，相对湿度监测值、水汽压e和饱和水汽压E具有数学关系：
步骤S2中，设计基准高度下的基本风速v采用如下方法获得：
当地空旷平坦地面上10m高度处、10min时距测得的年最大风速平均值，经概率统计得出的50年或30年一遇最大值后确定的风速。
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明考虑更全面，可提空气间隙距离的计算精度，确保预警准确性，对保证电网安全运行具有重要意义。
附图说明
图1为风向三维空间示意图；
图2为导线和悬垂绝缘子串的受力分析图；
图3为最小空气间隙距离计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及相似变化，均应列入本发明的保护范围。
本发明的具体步骤如下：
步骤一：计算动态空气密度。
计算水平风荷载时，通常取空气密度为标准值1.2255kg/m3。
气象学理论中，空气密度与空气温度、空气湿度以及大气压强有关，空气密度在空气温度、空气湿度以及大气压强条件下的计算式为：
式(1)中，ρ为空气密度；p为大气压强；e为水汽压；t为空气温度。
采用风偏在线监测系统或气象站监测相对湿度f，根据相对湿度f、水汽压e和饱和水汽压E间的关系，计算水汽压e，代入公式(1)中即可求得空气密度。
相对湿度f为空气的水汽压e与同一温度下的饱和水汽压E之比：
相对湿度f用来表示空气接近饱和的程度，当f＝100％时，表示空气湿度已经达到饱和；空气湿度未饱和时，f<100％；空气湿度过饱和时f＞100％。相对湿度f不仅与大气中水汽含量有关，而且还随气温升高而降低。
饱和水汽压E可通过查表得到，结合相对湿度监测值，采用公式(2)即可计算水汽压e。
计及动态空气密度，风偏角与微气象要素关联，影响风偏角的微气象要素有：风速、风向、空气温度、湿度和压强。
步骤二：计算基准风压。
基准风压W0采用伯努利方程中空气压力的计算式求解：
W0＝ρv2/2 (3)
式(3)中，p为大气压强；v为设计基准高度下的基本风速，为当地空旷平坦地面上10m高度处、10min时距测得的年最大风速平均值，经概率统计得出的50年或30年一遇最大值后确定的风速。
步骤三：计算导线的水平风载荷。
计算垂直于导线方向的水平风荷载Fd，即导线的水平风载荷：
Fd＝αKhμscSW0sin2θ (4)
式(4)中，α为风压不均匀系数；Kh为风压高度变化系数；μsc为导线的体型系数；S为导线受风面积，导线受风面积为导线的直径和线长的乘积；W0为基准风压；θ为风向与导线径向的夹角。
导线的体型系数值采用如下方法确定：
当导线不覆冰时，若导线的线径小于17mm，μsc取1.2；若导线的线径大于或等于17mm时，μsc取1.1。当导线覆冰时，不管导线线径大小，μsc取1.2。
风压不均匀系数α可通过查阅《GB50545-2010 110kV～750kV架空输电线路设计规范》获得。风压高度变化系数Kh可通过查阅《GB50545-2010 110kV～750kV架空输电线路设计规范》获得。
步骤四：计算悬垂绝缘子串的风偏角。
传统计算悬垂绝缘子串风偏角时，假设风向平行于水平面并垂直吹向导线。三维空间中，任何一个向量可以用2个角度来表示向量的方向。因此，假设以水平面和输电线路走向为基准，则风向可以用两个夹角(β，θ)来表示。图1中，OA表示实际风向，OA'表示风向在水平面上的投影，以输电线路走向OO'为y轴，以水平面内垂直于y轴的方向为x轴，建立空间的三维坐标系。
在此基础上，公式(5)所示的传统风偏角计算公式将不再适合。
考虑风向与水平面成一定夹角β时，悬垂绝缘子串风偏角的传统计算模型需要进行修正。图2是导线和悬垂绝缘子串的受力分析图。
此时，悬垂绝缘子串的风偏角计算式为：
式(5)～(6)中，为悬垂绝缘子串的风偏角；Fd为导线的水平风载荷；Fj为悬垂绝缘子串的水平风载荷，Sj为绝缘子串的受风面积，v为基本风速；Gd为导线的垂直载荷；Gj为悬垂绝缘子串的垂直载荷；β为风向与水平面的夹角。
步骤五：计算最小空气间隙距离。
风偏时悬垂绝缘子串和导线向杆塔倾斜，图3所示为风偏时最小空气间隙模型。此时，最小空气间隙模型为：
式(7)中，d为导线与杆塔主材的最小间隙距离；m为横担长度；n为悬挂点到杆塔垂直中心线的距离；l为悬垂绝缘子串的总长度；η为横担和杆塔主材的夹角；为悬垂绝缘子串的风偏角。
获得悬垂绝缘子串的相关参数，根据杆塔导线型号，利用公式(6)即可计算悬垂绝缘子串的风偏角。由风偏角值，再根据杆塔际塔头的实际尺寸，利用公式(7)计算出不同塔型在不同风偏角下的最小间隙距离，即计算出特定塔型在实际外界气象条件下的风偏最小间隙距离。
步骤六，根据风偏最小空气间隙距离进行风偏放电预警。
风偏放电预警就是要根据杆塔结构、线路参数和风偏角等数据，计算出导线至塔身的最小间隙距离d；再根据其与规程规定的允许最小间隙距离L0关系，按由工程经验制定的表进行预警等级判断。若出现预警，则发出报警信号并给出相应的预警信息。
表1风偏4级预警标准
实施例
以某500kV单回线路为例，线路塔型为5C-ZB2，所用导线型号为LGD-400/35，四分裂，所用绝缘子串型号为XWP2-160。
2015年九月27日2:30开始，每隔半小时的微气象数据见表2。
表2微气象数据
分别使用标准空气密度和动态空气密度计算风偏角，并进一步计算最小空气间隙距离，计算结果见表3。
表3使用标准空气密度和动态空气密度的计算结果
从表3可以看出，本发明方法计算的风偏角和最小间隙距离与用传统方法的计算结果基本一致，略有出入，本发明修正了传统方法的计算结果，提高了精度。
本发明已经进行详细的说明，并给出实施例。应理解为以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。本说明书和附图应被认为是说明性的含义，而不是限制性的意义。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.计及动态空气密度的输电线路风偏放电预警方法，其特征是，包括步骤：
S1风偏在线监测系统或气象站采集相对湿度监测值，采用相对湿度监测值和饱和水汽压计算水汽压e，基于气象学理论计算动态空气密度
S2根据动态空气密度，采用伯努利方程计算基准风压W0＝ρv2/2；
S3采用基准风速计算导线的水平风载荷Fd＝αKhμscSW0sin2θ；
S4采用水平风载荷计算悬垂绝缘子串的风偏角
S5采用最小空气间隙模型计算导线与杆塔主材的风偏最小间隙距离d；
S6根据风偏最小间隙距离进行风偏放电预警；
上述，p为大气压强；t为空气温度；v为设计基准高度下的基本风速；α为风压不均匀系数；Kh为风压高度变化系数；μsc为导线的体型系数；S为导线受风面积；θ为风向与导线径向的夹角；Fj为悬垂绝缘子串的水平风载荷；Gd为导线的垂直载荷；Gj为悬垂绝缘子串的垂直载荷；β为风向与导线轴向的夹角；m为横担长度；n为悬挂点到杆塔垂直中心线的距离；l为悬垂绝缘子串的总长度；η为横担和杆塔主材的夹角。
2.如权利要求1所述的计及动态空气密度的输电线路风偏放电预警方法，其特征是：
步骤S1中，相对湿度监测值、水汽压e和饱和水汽压E具有数学关系：
3.如权利要求1所述的计及动态空气密度的输电线路风偏放电预警方法，其特征是：
步骤S2中，设计基准高度下的基本风速v采用如下方法获得：
当地空旷平坦地面上10m高度处、10min时距测得的年最大风速平均值，经概率统计得出的50年或30年一遇最大值后确定的风速。
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