CN107918705A - 一种架空线路避雷器安装必要性的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种架空线路避雷器安装必要性的计算方法，包括：根据设定区域的雷击特点，确定雷电流最大值以及雷电流波形；确定输电杆塔模型分布参数；建立架空输电线路模型；确定避雷器模型；根据输电杆塔高度、避雷线对导线的保护角的大小、输电线路的水平高度是否一致、输电线路负载电压值以及接地电阻的大小，分析耐雷水平；计算雷电流幅值和雷击概率密度；选择是否安装避雷器。本发明有益效果：根据架空线路所在的地区的气象条件，所经地形，杆塔型式，导线排列方式，接地电阻，雷击定位系统统计数据等因素，计算线路的耐雷水平，进而确定是否安装避雷器，实现避雷器的优化配置，提高线路的防雷水平和方案经济性。

Description

一种架空线路避雷器安装必要性的计算方法

技术领域

本发明涉及架空线路雷击防护技术领域，具体的说，是涉及一种架空线路避雷器安装必要性的计算方法。

背景技术

架空输电线路是电力系统的重要组成部分，所经之处大多为旷野、丘陵或高山，由于长期暴露在自然界中，极易遭受外界的影响和破坏从各国的实际运行经验来看，雷击仍是威胁线路安全运行的主要因素。输电线路因雷击引起的跳闸，但影响电力系统的正常供电，增加输电线路及开关设备的维修工作量，而且雷电流还会沿线路侵入变电站，易引起电力设备绝缘损坏，影响电力系统正常运行。在杆塔上安装避雷器是一种有效的避雷手段，但是在每个杆塔上安装避雷器会增加电力施工成本和施工难度，因此，根据不同架空线路的差异性以及对避雷要求的不同，计算是否需要避雷器安装，从而进行差异化的防雷设计，对电力系统架空线路的施工具有重要的指导意义。

现有技术公开了的架空线路避雷器布置方法中，利用雷害分布图确定待计算区段、利用电气几何模型法(EGM)计算区段的普通杆塔和跨山谷输电线处杆塔的绕击率并选出绕击率大于0.03的杆塔确定为装避雷器的杆塔。

但是，上述方法仅仅考虑了三四级雷害地区，根据海拔、避雷线安装方式来判断雷击概率，安装避雷器为三相同时安装或者不安装；并未考虑到具体地形影响因素以及气候情况对雷击概率的影响，同时也没有考虑每相的雷击概率以及接地电阻的影响，因此，得到的结果准确性差，存在很大的误差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种架空线路避雷器安装必要性的计算方法，该方法充分考虑输电线路高度和输电线路负载电压，

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明公开了一种架空线路避雷器安装必要性的计算方法，包括：

步骤1：根据设定区域的雷击特点，确定雷电流最大值以及雷电流波形；

步骤2：确定输电杆塔模型分布参数，包括：杆塔波阻抗、杆塔接地电阻以及杆塔波速；

步骤3：计算输电线路的波阻抗，结合步骤2中确定的输电杆塔模型分布参数，采用贝杰龙模型建立架空输电线路模型；

步骤4：确定避雷器模型；

步骤5：根据输电杆塔高度、避雷线对导线的保护角的大小、输电线路的水平高度是否一致、输电线路负载电压值以及接地电阻的大小，分析耐雷水平；

步骤6：计算雷电流幅值和雷击概率密度；

步骤7：根据得到的雷击概率密度以及设定区域的防雷要求，选择是否安装避雷器。

进一步地，所述步骤5中分析耐雷水平的具体方法为：

输电杆塔高度与雷击概率正相关，杆塔越高，雷击概率越高；

避雷线对导线的保护角的大小与雷击概率正相关，保护角越大，雷击概率越高；

水平高度较低的输电线路被雷击的概率比水平高度较高的输电线路被雷击的概率小；

高电压输电线路在运输电压等级相同时，负载电压为正极性的情况下更容易遭受雷击；

接地电阻越大，杆塔的耐雷水平越低。

进一步地，所述步骤6中，

根据输电杆塔模型、架空输电线路模型和避雷器模型，计算输电线路表面先导起始场强；

根据架空线路极性及相位确定上下行先导发展速度；结合输电杆塔自身参数，对不同地形情况下临界击穿场强进行计算，并获取不同地形下的先导发展模型法系数；

计算雷击概率密度，利用计算所得系数，对计算得到的雷击概率密度进行加权计算，修正雷击概率密度公式，计算雷击绕击概率。

进一步地，所述不同地形包括：

山坡线路，包括：沿山脊外坡水平走线和沿山峰外坡水平走线；

山顶线路，包括：位于山峰顶部和位于山脊顶部；

爬坡线路，包括：沿山坡上下方向和垂直山脊方向；

跨谷线路，包括：经过山谷和跨越山谷。

进一步地，所述步骤6中，

若架空线路为直流输电线路，则需要分别对得到的直流输电线路正、负极的雷击概率密度进行二次加权计算，得到最终的雷击概率密度计算结果。

进一步地，所述步骤7中，

根据雷电流模型及避雷器模型，结合输电杆塔模型参数进行仿真，计算雷击跳闸率，根据当地气候情况，考虑空气湿度、绝缘子污染程度以及线路覆冰情况，利用经验公式，修正雷击跳闸率，并根据雷击跳闸率对防雷等级进行提升。

本发明有益效果：

同一线路的不同杆塔上，雷击特点，接地电阻等因素的不同，会导致雷电的绕击，反击易出现的相别不同。绝缘子类型的不同及不同气候条件下绝缘子表面污秽程度等因素会影响其与杆塔避雷器的伏秒配合。本研究根据架空线路所在的地区的气象条件，所经地形，杆塔型式，导线排列方式，接地电阻，雷击定位系统统计数据等因素，计算线路的耐雷水平，进而确定是否安装避雷器，实现避雷器的优化配置，提高线路的防雷水平和方案经济性。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明公开了一种架空线路避雷器安装必要性的计算方法，包括：

1、确定雷电流波形

雷电流仿真计算过程中采用的最大计算值采用国际通用法。在雷击防护工程中，如果这个值设置过高，则会对雷击防护工程造成浪费，如果设置过低，则会对输电设施造成雷击风险，造成不安全的隐患。因此需要根据不同地区的雷击特点，确定雷电流波形。

研究计算山东地区雷击过电压时，将此值确定为216kA。在确定雷击过电压波头长度时，依据已有的统计资料，将此值确定为1μs至5μs，平均2μs至2.5μs。在确定其波形时，按相关行业规程中的有关建议将波形确定为2.6/50μs的斜角平定波、负极性。

2、确定杆塔模型

在雷击防护研究与计算中，雷电击中杆塔时杆塔的波阻抗是雷击过电压研究计算过程中一个重要的参数，其定义为杆塔在雷电冲击下，杆塔的顶端电位比上通过杆塔顶端侵入的电流值，杆塔波阻抗的取值会对杆塔顶端的电位计算产生直接影响。

对于形态各异的输电杆塔，其波阻抗和波速自然也是不尽相同。

因此在进行计算前，要根据不同杆塔及安装环境，确定杆塔相关模型参数。

根据山东地区现状，将输电杆塔等效为分布参数，杆塔波阻抗取值150Ω，杆塔接地电阻为10Ω,杆塔波速取值为210m/μs。

3、确定架空输电线路模型

采用贝杰龙模型建立架空输电线路。电流在传播过程中涉及到两个重要的参数分别是阻抗跟速度，而它们都是频率的函数。因此，在不同的频率下电流传输过程中，输电导线的参数有所不一样的原因一般是输电线跟地球上电流分布不一样，换句话说，就是集肤效应的在不同频率下程度是不相同的。输电线路的波阻抗由公式(1)决定：

式中：h为导线对地平均高度：r为导线相线等值半径。

4、确定避雷器模型

避雷器动作前，数学模型是一个线性函数u＝ki。避雷器动作后。则看作是非线性函数u＝ci^a，k、c、a可根据避雷器电气特性参数计算得到。避雷器的伏安特性可以利用公式进行拟合。

山东省避雷器相关资料选取了避雷器的几个特征点，拟合出避雷器的伏安特性曲线。拟合结果如表1所示。

表1避雷器伏安特性拟合结果

5、获取当地雷电活动资料

通过气象部门，获取架空线路所在地区的雷暴日，以及雷电发生的天气气候学特征，如冰雹云，飑线和热带气旋等，分析气候学特征对雷电绕击的影响。

6、根据杆塔参数分析耐雷水平

杆塔高度的影响

根据绕击雷击概率公式，无论在山区还是平原地区，杆塔高度与雷击概率正相关。杆塔越高，雷击概率越高。

根据绕击雷击概率公式，无论在山区还是平原地区，避雷线对导线的保护角的大小与雷击概率正相关。保护角越大，雷击概率越高。

当输电线路的水平高度不相同时，水平位置高的输电线表面场强明显大于位置相当较低的输电线，因此对相对较低的输电线有一定屏蔽作用，输电线被保护，被雷击的概率比位置较高的输电线小。因此在输电线路高度不同时，避雷保护应当侧重于偏高一侧的避雷线。

当输电线路负载电压较小，即电压小于等于的时候，负载电压极性对输电线表面电场强度几乎没什么影响，这时电压极性对雷击概率的影响可忽略。随着负载电压的逐渐增大，当电压大于等于时候，同一电压等级正负极性对输电线表面电场强度的影响逐渐增大，负载电压为正极性的输电线路表面场强明显大于负载为负极性的输电线。原因很简单，多数情况下引发雷击的带电云层所带电荷为负极性，由于电荷的同性相斥，异性相吸，因此正极性线路表面场强大于负极性线路。这使得高电压输电线路在运输电压等级相同时，负载电压为正极性的情况下更容易遭受雷击。尤其是当电压等级达到及以上时，这种情况更容易发生。因此在实际应用中，高电压输电线路负载电压极性对雷击概率的影响应当充分考虑。

接地电阻

接地电阻越大，杆塔的耐雷水平越低，在其他因素不变的前提下，杆塔接地电阻与架空线路耐雷水平的关系用公式2表示

y＝Kx-0.65 (2)

7、计算雷电流幅值和雷击概率密度

我国一般地区雷电流幅值超过I的概率可按公式(3)求得：

公式(3)中：p-雷电流幅值概率；I-雷电流幅值，kA。

其对应的概率密度公式为：

f(I)＝0.026×10^-I/88 (4)

陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部分地区(这类地区的平均年雷暴日数一般在20及以下)，雷电流幅值较小，可由公式(5)求得：

公式(5)中：p-雷电流幅值概率；I-雷电流幅值，kA。

其对应的概率密度公式为：

f(I)＝0.052×10^-I/44 (6)

根据步骤2、3、4所得的杆塔模型、架空输电线路模型和避雷器模型，利用peek公式，计算输电线路表面先导起始场强。根据架空线路极性及相位确定上下行先导发展速度，结合杆塔自身参数，对不同地形(山坡线路(包括沿山脊外坡水平走线和沿山峰外坡水平走线两种)、山顶线路(包括位于山峰顶部和位于山脊顶部两种)、爬坡线路(包括沿山坡上下方向和垂直山脊方向两种)以及跨谷线路(包括经过山谷和跨越山谷两种))进行临界击穿场强计算，并获取不同地形下的先导发展模型法系数。

利用计算所得系数，根据当地雷电资料，结合对公式(6)所述雷击概率进行的加权计算，修正雷击概率密度公式，计算雷击绕击概率。

8、根据计算和防雷要求，选择是否安装避雷器。

确定安装必要性是结合雷击概率和线路的防雷要求确定的。若雷击概率大于防雷要求，则需要加装避雷器。

根据雷电流模型及避雷器模型，结合杆塔等相关模型进行仿真，结合雷击概率密度公式和雷电绕击率，计算雷击跳闸率，根据当地气候情况，考虑空气湿度、绝缘子污染程度以及线路覆冰情况，利用经验公式，修正雷击跳闸率，并对防雷等级进行提升。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种架空线路避雷器安装必要性的计算方法，其特征在于，包括：

步骤1：根据设定区域的雷击特点，确定雷电流最大值以及雷电流波形；

步骤2：确定输电杆塔模型分布参数，包括：杆塔波阻抗、杆塔接地电阻以及杆塔波速；

步骤3：计算输电线路的波阻抗，结合步骤2中确定的输电杆塔模型分布参数，采用贝杰龙模型建立架空输电线路模型；

步骤4：确定避雷器模型；

步骤5：根据输电杆塔高度、避雷线对导线的保护角的大小、输电线路的水平高度是否一致、输电线路负载电压值以及接地电阻的大小，分析耐雷水平；

步骤6：计算雷电流幅值和雷击概率密度；

步骤7：根据得到的雷击概率密度以及设定区域的防雷要求，选择是否安装避雷器。

2.如权利要求1所述的一种架空线路避雷器安装必要性的计算方法，其特征在于，所述

步骤5中分析耐雷水平的具体方法为：

输电杆塔高度与雷击概率正相关，杆塔越高，雷击概率越高；

避雷线对导线的保护角的大小与雷击概率正相关，保护角越大，雷击概率越高；

水平高度较低的输电线路被雷击的概率比水平高度较高的输电线路被雷击的概率小；

高电压输电线路在运输电压等级相同时，负载电压为正极性的情况下更容易遭受雷击；

接地电阻越大，杆塔的耐雷水平越低。

3.如权利要求1所述的一种架空线路避雷器安装必要性的计算方法，其特征在于，所述步骤6中，

根据输电杆塔模型、架空输电线路模型和避雷器模型，计算输电线路表面先导起始场强；

根据架空线路极性及相位确定上下行先导发展速度；结合输电杆塔自身参数，对不同地形情况下临界击穿场强进行计算，并获取不同地形下的先导发展模型法系数；

计算雷击概率密度，利用计算所得系数，对计算得到的雷击概率密度进行加权计算，修正雷击概率密度公式，计算雷击绕击概率。

4.如权利要求3所述的一种架空线路避雷器安装必要性的计算方法，其特征在于，所述不同地形包括：

山坡线路，包括：沿山脊外坡水平走线和沿山峰外坡水平走线；

山顶线路，包括：位于山峰顶部和位于山脊顶部；

爬坡线路，包括：沿山坡上下方向和垂直山脊方向；

跨谷线路，包括：经过山谷和跨越山谷。

5.如权利要求1所述的一种架空线路避雷器安装必要性的计算方法，其特征在于，所述步骤6中，

若架空线路为直流输电线路，则需要分别对得到的直流输电线路正、负极的雷击概率密度进行二次加权计算，得到最终的雷击概率密度计算结果。

6.如权利要求1所述的一种架空线路避雷器安装必要性的计算方法，其特征在于，所述步骤7中，

根据雷电流模型及避雷器模型，结合输电杆塔模型参数进行仿真，计算雷击跳闸率，根据当地气候情况，考虑空气湿度、绝缘子污染程度以及线路覆冰情况，利用经验公式，修正雷击跳闸率，并根据雷击跳闸率对防雷等级进行提升。