CN109359882A - 一种台风灾害下输电线路跳闸风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法，包括输入研究区域的台风信息、每条输电线路设计信息和环境信息，所述输电线路设计信息包括输电线路杆塔信息、线路导线信息和悬垂绝缘子串信息；用蒙特卡洛法和刚体直杆法，建立台风灾害下输电线路绝缘子串的风偏跳闸概率计算模型；在已建好的模型中输入所需信息，得到该条输电线路在该次台风下的绝缘子串风偏跳闸概率，用以指导灾前工作和灾后停电损失的预测。本发明可适用于台风没有固定风场的情况，对于未知台风具有较好的预测效果，可得出台风灾害下整条输电线路绝缘子串的风偏跳闸概率，对于指导台风过境前灾情预测和过境后物资调度、停电损失预测均具有重要指导意义。

Description

一种台风灾害下输电线路跳闸风险评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统风险评估领域，具体涉及到一种台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法。

背景技术

输电线路具有点多、面广、长期裸露在野外等特点，其安全稳定运行与所处的气候环境密切相关。近些年来台风灾害不仅发生得越来越频繁，而且其等级也越来越高，给输电线路带来了严重威胁。中国位于西太平洋，受台风影响较为严重，东南沿海地区更容易受到台风灾害的侵袭。根据数据统计，在台风灾害下，输电线路故障跳闸的主要原因包括：风偏、漂浮物、杆塔受损、断线等。其中，风偏跳闸的重合成功率偏低，只有60％左右，对电网安全稳定运行造成较大威胁。输电线路发生风偏跳闸的根本原因是强风等恶劣天气或台风等灾害天气下使得导线与塔身之间的空气间隙变小，当此空气间隙小至一定值时，会在此空气间隙发生空气击穿，造成跳闸事故。输电线路的风偏主要有三种形式：跳线风偏、相间风偏和绝缘子串风偏。其中，绝缘子串风偏是造成输电线路风偏跳闸事故的最主要因素，绝缘子串风偏即直线塔上悬垂绝缘子串在风的作用下偏离原来的位置，导致导线和塔身的电气距离减小而发生风偏放电现象，导致输电线路发生风偏跳闸的情况。

研究输电线路风偏跳闸风险需要考虑风力载荷、地形因素和线路自身三个条件。现有的输电线路风偏跳闸的研究中，通常是从预警风速、对风速进行模拟、计算风偏角等方面展开，将大风下输电线路风偏预警事故处理成风偏角的预测问题，将预报风向和风速考虑进预警方案中。但针对风偏的研究大多仅针对大风天气，并未针对灾害更大的台风天气做出分析。并且，目前对于输电线路风偏故障的研究一般是针对直线塔的某个悬垂绝缘子串或者耐张塔的某个跳线展开的，通过收集该杆塔的风力载荷、地形因素和线路自身资料，用风偏角的计算模型计算风偏角，从而判断该处是否会发生风偏放电引起跳闸现象。这类的分析方法比较易于改进算法精度，但研究对象的涵盖范围偏小，不利于对整条输电线路的风偏跳闸概率做出定量分析。

目前关于输电线路风偏跳闸故障的研究大多是基于大风天气下，由于普通大风的风向变化较小，风速也较为固定，比较容易通过气象站提供的数据进行输电线路风偏跳闸情况的研究和预测，而台风没有固定的风场，其风向角和风速较难准确判断，因而需要对台风风场进行模拟。除此之外，目前对风偏跳闸故障的研究大多只是针对某一个悬垂绝缘子串或者某一根跳线，较少有对整条输电线路风偏跳闸的概率进行研究，使得某次台风来临时电力部门对各条输电线路的风偏跳闸故障难以预测，一定程度上影响了输电线路的恢复进度。因此，针对台风灾害下，研究导致输电线路风偏跳闸的主要形式，即绝缘子串风偏的可能性大小，建立输电线路风偏跳闸的概率计算模型，根据各地输电线路设计资料、地形情况和过境台风的相关数据等，计算出每条输电线路和每个直线杆塔绝缘子串风偏跳闸的可能性大小，对于台风频繁登陆地区的电力系统故障预测和台风期间的人力物资调度具有重要参考意义。

发明内容

本发明主要是解决现有台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法中，缺少台风风场的模拟、研究对象的涵盖范围偏小、缺乏整条输电线路和某个杆塔风偏跳闸可能性的研究等不足，提出一种台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法，通过蒙特卡洛法进行台风风速值和风向角的随机抽样，进行台风风场的模拟；通过收集研究输电线路及各杆塔的设计信息和所处的地形信息资料，计算出每个直线杆塔和整条输电线路绝缘子串的风偏跳闸概率，用以指导灾前工作和灾后停电损失的预测。

本发明技术方案提供一种台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法，包括以下步骤：

步骤1，输入研究区域的台风信息、每条输电线路设计信息和环境信息，所述输电线路设计信息包括输电线路杆塔信息、线路导线信息和悬垂绝缘子串信息；

步骤2，用蒙特卡洛法和刚体直杆法，建立台风灾害下输电线路的绝缘子串风偏跳闸概率计算模型；

步骤3，在步骤2已建好的台风灾害下输电线路绝缘子串风偏跳闸概率计算模型中输入台风风速范围，以及所要研究的输电线路设计信息和环境信息，得到该条输电线路在该次台风下绝缘子串的风偏跳闸概率，用以指导灾前工作和灾后停电损失的预测。

而且，所述步骤1中，台风信息包括台风风速v和风向角γ，以及根据研究区域输电线路在该台风下的平均最大风速值a划定的风速范围(0,a)。

而且，步骤1中，输电线路杆塔信息包括杆塔型号、水平档距L_H和垂直档距L_V。

而且，步骤1中，线路导线信息包括导线型号、导线外径d、导线单位长度质量W₀和导线体型系数K。

而且，步骤1中，悬垂绝缘子串信息包括绝缘子型号、绝缘子串数n、悬垂绝缘子串承受风压面积A、悬垂绝缘子串自身的重力荷载G_V和重锤重力W_Z。

而且，步骤1中，环境信息包括地面粗糙度类别、离地面或海平面高度。

而且，步骤2中，用蒙特卡洛法和刚体直杆法建立台风灾害下输电线路风偏跳闸概率计算模型，实现步骤如下，

步骤2.1，用蒙特卡洛随机抽样法进行台风风场的模拟，包括在某次台风下，用蒙特卡洛法在风速范围(0,a)内随机抽取m个风速值，在每个风速值下，再随机在风向角范围内随机抽取n个风向角，用来进行风偏角的计算；

步骤2.2，用刚体直杆法进行风偏角的计算，最终能得到N个风偏角的值，其中N＝n×m；假设导线单位长度上的荷载沿档距均匀分布，则所研究的悬垂绝缘子串风偏角θ的计算公式为：

式中，λ_H为悬垂绝缘子串底部与顶部的水平距离；λ_V为悬垂绝缘子串底部与顶部的竖向距离；G_H为该悬垂绝缘子串中点处在风的作用下所受横向水平风荷载；G_V为所研究的悬垂绝缘子串本身的重力；W_H为与悬垂绝缘子串底部相连的导线的水平风荷载；W_V为导线的重力荷载；W_Z为悬垂绝缘子串底部悬挂的重锤重力；η为脉动增大系数；

式中，α为风压不均匀系数；d为导线外径；K为导线体型系数；γ为风向与线路走向之间的夹角；L_H为导线水平档距；

导线重力荷载W_V的计算公式如下：

W_V＝W₀·g·L_V×10^-3

式中，W₀为导线单位长度的质量；L_V为导线垂直档距；

步骤2.3，将计算所得的N个风偏角θ与θ_max进行比较，得该台风影响下某条三相交流输电线路第i个直线杆塔的A相导线绝缘子串风偏跳闸的概率P_iA为：

其中，代表风偏角大于风偏跳闸临界角的概率；

每个三相交流输电线路的直线杆塔上发生风偏跳闸的概率P_i为：

P_i＝1-(1-P_iA)³

若该条线路上有M座直线杆塔，则该条线路发生绝缘子串风偏跳闸的概率为：

而且，步骤2.2中，

悬垂绝缘子串中心处横向水平风荷载G_H的计算公式如下：

式中，n为绝缘子串数；A为悬垂绝缘子串所承受的风压面；μ_Z为风压高度变化系数；v为台风风速；g为重力加速度；

悬垂绝缘子串末端导线的水平风荷载W_H的计算公式如下：

本发明的有益效果在于：充分考虑了台风受灾地区输电线路和杆塔的设计情况、杆塔所处的地形因素，用蒙特卡洛法随机模拟台风风场，可适用于台风没有固定风场的情况，对于未知台风具有较好的预测效果，使该模型具有更强的合理性和适用性；通过数理统计的方法，得出台风灾害下整条输电线路的绝缘子串的风偏跳闸概率，并且可以得到该条输电线路每座直线杆塔的跳闸概率，对于指导台风过境前灾情预测和过境后物资调度、停电损失预测均有重要指导意义。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图。

图2为本发明实施例的悬垂绝缘子串的刚体直杆模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

参见图1，实施例提供一种台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法，包括以下步骤：

步骤1，输入研究区域的某次具体台风的台风信息、区域内某条输电线路设计信息(主要包括：杆塔、线路和悬垂绝缘子串)和环境信息等。

所述的步骤1中，台风信息包括台风风速v(m/s)和风向角γ(°)，γ主要指风向与线路走向之间的夹角，根据气象部门提供的台风等级、台风预测路径和实时监测风速，得出研究区域输电线路在该台风下的10min平均最大风速值a，划定风速范围(0,a)(m/s)。

所述的步骤1中，输电线路杆塔信息包括杆塔型号、导线水平档距L_H(m)、导线垂直档距L_V(m)。

所述的步骤1中，线路导线信息包括导线型号、导线外径d(mm)、导线单位长度质量W₀(kg/km)、导线体型系数K。

所述的步骤1中，悬垂绝缘子串信息包括绝缘子型号、绝缘子串数n、悬垂绝缘子串所承受的风压面积A(m²)、悬垂绝缘子串自身的重力荷载G_V(N)、重锤重力W_Z(N)。

所述的步骤1中，环境信息包括地面粗糙度类别、离地面或海平面高度。

实施例中，根据气象部门提供的台风等级、台风预测路径和实时监测风速，得出研究区域输电线路在该台风下的10min平均最大风速值a为35.0(m/s)，划定风速范围(0,35.0)(m/s)。收集18座输电线路直线杆塔信息，包括：杆塔型号、导线水平档距L_H(m)、导线垂直档距L_V(m)；收集线路导线信息，包括：导线型号、导线外径d(mm)、导线单位长度质量W₀(kg/km)、导线体型系数K＝1.1；收集悬垂绝缘子串信息，包括：绝缘子型号为FXBW4-220/100-D、绝缘子串数n、悬垂绝缘子串承受风压面积A＝0.25×2.39(m²)、悬垂绝缘子串自身的重力荷载G_V＝117.68(N)、重锤重力W_Z＝0(N)；环境信息包括地面粗糙度类别为A、离地面10(m)高；风偏跳闸临界角θ_max＝53°；风压高度变化系数μ_Z取1.00。

步骤2，用蒙特卡洛法和刚体直杆法，建立台风灾害下输电线路绝缘子串的风偏跳闸概率计算模型；

刚体直杆法把悬垂绝缘子串看作一个均匀的刚性直杆，它在风的作用下几乎不发生形变，然后通过静力平衡来计算在已知风的作用下悬垂绝缘子串的风偏角。该方法简单实用，且在研究对象为棒形绝缘子串时精度很高，本文研究对象为棒形绝缘子，因此用该方法进行风偏角计算较为合理。

悬垂绝缘子串的刚体直杆模型参见图2，λ_H代表悬垂绝缘子串底部与顶部的水平距离；λ_V代表悬垂绝缘子串底部与顶部的竖向距离；λ_H和λ_V是几何中间参数，用来引出风偏角具体计算公式，无需具体获得。G_H为该悬垂绝缘子串中点处在风的作用下所受横向水平风荷载(N)，通过计算获得；G_V为所研究的悬垂绝缘子串本身的重力(N)，由所收集的绝缘子串信息获得；W_H为与悬垂绝缘子串底部相连的导线的水平风荷载(N)，通过计算获得；W_V为导线的重力荷载(N)，通过所收集的导线信息计算获得。

具体操作步骤如下：

步骤2.1，由于台风没有固定的风场，故用蒙特卡洛随机抽样法进行台风风场的模拟。在某次台风下，以10min最大平均风速值a作为最大值，以零为最小值，划定风速取值范围(0,a)(m/s)，用蒙特卡洛法在风速范围内随机抽取m个风速值，在每个风速值下，再随机在风向角范围内(0-90°)随机抽取n个风向角，用来进行风偏角的计算。具体实施时，可以预设风速值个数m和风向角个数n的取值。

步骤2.2，用刚体直杆法进行风偏角的计算，最终能得到N个风偏角的值，其中风偏角数目N＝n×m。

假设导线单位长度上的荷载沿档距均匀分布，则所研究的悬垂绝缘子串风偏角θ的计算公式为：

式中，λ_H为悬垂绝缘子串底部与顶部的水平距离；λ_V为悬垂绝缘子串底部与顶部的竖向距离；G_H为该悬垂绝缘子串中点处在风的作用下所受横向水平风荷载(N)；G_V为所研究的悬垂绝缘子串本身的重力(N)；W_H为与悬垂绝缘子串底部相连的导线的水平风荷载(N)；W_V为导线的重力荷载(N)；W_Z为悬垂绝缘子串底部悬挂的重锤重力(N)；η为脉动增大系数，具体实施时可采用采用插值法取值，实施例中不同风速下的取值见表1。

表1相应风速下脉动增大系数η取值表

风速v<sub>f</sub>(m/s)	20	30	40
				脉动增大系数η	1.22	1.17	1.12

式(1)中，悬垂绝缘子串中心处横向水平风荷载G_H的计算公式如下：

式中，n为绝缘子串数；A为悬垂绝缘子串所承受的风压面积(m²)；μ_Z为风压高度变化系数，实施例中在不同粗糙度类别下不同离地面或海平面高度的取值见表2，用插值法取值；v为台风风速(m/s)；g为重力加速度(本实施例取值9.80N/kg)。

表2风压高度变化系数μ_Z取值表

注：A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，B类指田野、乡村、丛林、丘陵/中小城市郊区，C类指有密集建筑群的中等城市市区，D类指有密集建筑群但房屋较高的大城市市区。

式(1)中，悬垂绝缘子串末端导线的水平风荷载W_H的计算公式如下：

式中，α为风压不均匀系数；d为导线外径(mm)；K为导线体型系数，当线径<17mm时，取K值为1.2，当线径>17mm时，取K值为1.1；λ为风向角，即风向与线路走向之间的夹角(°)；L_H为导线水平档距(m)。

导线重力荷载W_V的计算公式如下：

W_V＝W₀·g·L_V×10^-3 (4)

式中，W₀为导线单位长度的质量(kg/km)；L_V为导线垂直档距(m)。

步骤2.3，根据每座杆塔的风偏跳闸临界角θ_max，将计算所得的N个风偏角θ与θ_max进行比较，可得该台风影响下某条三相交流输电线路第i个直线杆塔的A相导线绝缘子串风偏跳闸的概率P_iA为：

其中，代表风偏角大于风偏跳闸临界角的概率。

每个三相交流输电线路的直线杆塔上发生风偏跳闸的概率P_i为：

P_i＝1-(1-P_iA)³ (6)

若该条线路上有M座直线杆塔，则该条线路发生绝缘子串风偏跳闸的概率P为：

具体实施时，可采用MATLAB编程，建立台风灾害下输电线路绝缘子串的风偏跳闸概率计算模型。实施例用蒙特卡洛法在风速范围内随机抽取1000个风速值，在每个风速值下，再随机在风向角范围内(0-90°)随机抽取1000个风向角，用来进行风偏角的计算。可根据杆塔设计结构和最小空气间隙设计规程计算获得每座杆塔的风偏跳闸临界角θ_max。

步骤3，在步骤2已建好的模型中输入台风风速范围，以及所要研究的输电线路设计信息，得到该条输电线路在该次台风下绝缘子串的风偏跳闸概率，用以指导灾前工作和灾后停电损失的预测。

实施例选取了某地在某次台风下某条输电线路进行分析，表3给出了该输电线路的18座直线杆塔绝缘子串的风偏跳闸概率。

表3某输电线路直线杆塔绝缘子串的风偏跳闸概率

根据该条线路上的18座直线杆塔风偏跳闸的概率，可得整条输电线路在该台风下发生绝缘子串风偏跳闸的概率为39.87％。

具体实施时，可以采用计算机软件技术实现自动运行以上流程。

本文中所描述的具体实施例仅是对本发明方法的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方法或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，输入研究区域的台风信息、每条输电线路设计信息和环境信息，所述输电线路设计信息包括输电线路杆塔信息、线路导线信息和悬垂绝缘子串信息；

步骤2，用蒙特卡洛法和刚体直杆法，建立台风灾害下输电线路的绝缘子串风偏跳闸概率计算模型；

步骤3，在步骤2已建好的台风灾害下输电线路绝缘子串风偏跳闸概率计算模型中输入台风风速范围，以及所要研究的输电线路设计信息和环境信息，得到该条输电线路在该次台风下绝缘子串的风偏跳闸概率，用以指导灾前工作和灾后停电损失的预测。

2.根据权利要求1所述的一种台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法，其特征在于：所述步骤1中，台风信息包括台风风速v和风向角γ，以及根据研究区域输电线路在该台风下的平均最大风速值a划定的风速范围(0,a)。

3.根据权利要求1所述的一种台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法，其特征在于：步骤1中，输电线路杆塔信息包括杆塔型号、水平档距L_H和垂直档距L_V。

4.根据权利要求1所述的一种台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法，其特征在于：步骤1中，线路导线信息包括导线型号、导线外径d、导线单位长度质量W₀和导线体型系数K。

5.根据权利要求1所述的一种台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法，其特征在于：步骤1中，悬垂绝缘子串信息包括绝缘子型号、绝缘子串数n、悬垂绝缘子串承受风压面积A、悬垂绝缘子串自身的重力荷载G_V和重锤重力W_Z。

6.根据权利要求1所述的一种台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法，其特征在于：步骤1中，环境信息包括地面粗糙度类别、离地面或海平面高度。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法，其特征在于：步骤2中，用蒙特卡洛法和刚体直杆法建立台风灾害下输电线路风偏跳闸概率计算模型，实现步骤如下，

步骤2.1，用蒙特卡洛随机抽样法进行台风风场的模拟，包括在某次台风下，用蒙特卡洛法在风速范围(0,a)内随机抽取m个风速值，在每个风速值下，再随机在风向角范围内随机抽取n个风向角，用来进行风偏角的计算；

步骤2.2，用刚体直杆法进行风偏角的计算，最终能得到N个风偏角的值，其中N＝n×m；假设导线单位长度上的荷载沿档距均匀分布，则所研究的悬垂绝缘子串风偏角θ的计算公式为：

式中，λ_H为悬垂绝缘子串底部与顶部的水平距离；λ_V为悬垂绝缘子串底部与顶部的竖向距离；G_H为该悬垂绝缘子串中点处在风的作用下所受横向水平风荷载；G_V为所研究的悬垂绝缘子串本身的重力；W_H为与悬垂绝缘子串底部相连的导线的水平风荷载；W_V为导线的重力荷载；W_Z为悬垂绝缘子串底部悬挂的重锤重力；η为脉动增大系数；

式中，α为风压不均匀系数；d为导线外径；K为导线体型系数；γ为风向与线路走向之间的夹角；L_H为导线水平档距；

导线重力荷载W_V的计算公式如下：

W_V＝W₀·g·L_V×10^-3

式中，W₀为导线单位长度的质量；L_V为导线垂直档距；

步骤2.3，将计算所得的N个风偏角θ与θ_max进行比较，得该台风影响下某条三相交流输电线路第i个直线杆塔的A相导线绝缘子串风偏跳闸的概率P_iA为：

其中，代表风偏角大于风偏跳闸临界角的概率；

每个三相交流输电线路的直线杆塔上发生风偏跳闸的概率P_i为：

P_i＝1-(1-P_iA)³

若该条线路上有M座直线杆塔，则该条线路发生绝缘子串风偏跳闸的概率为：

8.根据权利要求7所述的一种台风灾害下输电线路风偏跳闸风险评估方法，其特征在于：步骤2.2中，

悬垂绝缘子串中心处横向水平风荷载G_H的计算公式如下：

式中，n为绝缘子串数；A为悬垂绝缘子串所承受的风压面；μ_Z为风压高度变化系数；v为台风风速；g为重力加速度；

悬垂绝缘子串末端导线的水平风荷载W_H的计算公式如下：