CN110361580B - 一种雷击下水平土壤分层的跨步电压测评平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷击下水平土壤分层的跨步电压测评平台及方法，测评平台的实验箱上端搭载线路模块，下端搭载跨步电压测试模块；冲击电压发生器与线路模块连接；线路模块包括A相线路、B相线路、C相线路和三相RLC负载，C相线路中设有断线模拟器；断线模拟器包括电流传感器、高压开关、电流采集装置、开关动作判断装置、中央处理器和无线收发装置，用于模拟输电线路单相断线接地故障；跨步电压测试模块用于分层土壤下的跨步电压测量；数据分析模块负责操作与控制，并记录相关参数。本发明能有效模拟水平土壤分层工况下雷击输电线路产生过电压并造成线路单相断线接地故障，并对跨步电压进行有效测评。

Description

一种雷击下水平土壤分层的跨步电压测评平台及方法

技术领域

本发明属于电力系统接地分析领域，特别是一种雷击下水平土壤分层的跨步电压测评平台及方法。

背景技术

雷击输电线路故障是影响电力系统安全运输中的主要问题，雷击引起的输配电网跳闸事故频繁发生，当雷击输电线路并造成线路单相断线接地故障时，生物走近电势区域时会在两脚之间产生电势差造成跨步电压触电事故。跨步电压对人体造成较大的危害，轻则烧伤皮肤、器官等，留下伤痕，情况严重时过大的电流会造成生命危险。由于配网线路长度的大幅增长，配网规模越来越大，穿越高密度人群的问题不可避免，雷击配网断线等极端接地的隐患将越加突出。目前而言，解决配电网断线接地故障仍是一项世界级难题。

目前国内外针对跨步电压的相关研究，主要集中在发电厂、变电站接地网的跨步电压仿真与接地电阻测试以及配电网系统运行风险评估和网架结构风险评估等，而缺乏配电网极端接地跨步电压测试和风险评估技术。而在输电线路遭受直接雷击的时候，再由于土壤环境的多样化，跨步电压测评方法将变得更加复杂。为了更加准确的对跨步电压进行测评，迫切需要建立一种智能测评平台，能计及土壤水平分层和雷击输电线路产生过电压并造成线路单相断线直接接地的影响，测评周围土壤区域的跨步电压风险，并进行安全评估。

发明内容

本发明的目的是提供一种雷击下水平土壤分层的跨步电压测评平台及方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种雷击下水平土壤分层的跨步电压测评平台，包括冲击电压发生器(1)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(17)和数据分析模块(23)；

所述实验箱(17)包括上端搭载的线路模块(32)和下端搭载的跨步电压测试模块(33)；

所述线路模块(32)包括A相线路(5)、B相线路(6)、C相线路(7)和三相负载(16)；三相负载(16)为RLC负载；冲击电压发生器(1)的出线连接A相线路(5)、B相线路(6)和C相线路(7)的输入端；A相线路(5)包括依次连接的线路电阻一(8)、线路电阻四(12)和负载变压器(15)的A相变压单元，A相变压单元输出端连接到三相负载(16)；B相线路(6)包括依次连接的线路电阻二(9)、线路电阻五(13)和负载变压器(15)的B相变压单元，B相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；C相线路(7)包括线路电阻三(10)、线路电阻六(14)和负载变压器(15)的C相变压单元，线路电阻三(10)的输入端为C相线路(7)的输入端，线路电阻三(10)的输出端连接到断线模拟器(11)的输入导线(101)，断线模拟器(11)的输出导线(102)连接到线路电阻六(14)的输入端，线路电阻六(14)的输出端连接到C相变压单元的输入端，C相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；

所述断线模拟器(11)包括电流传感器一(104)、电流传感器二(105)、电流传感器三(106)、高压开关一(107)、高压开关二(108)、高压开关三(109)、电流采集装置(113)、开关动作判断装置(114)、中央处理器(115)和无线收发装置(116)；断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接地导线(103)分别连接到高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输入端，高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输出端相互连接；电流传感器一(104)、电流传感器二(105)和电流传感器三(106)分别套装在断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接地导线(103)上，其输出端均连接到电流采集装置(113)；高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)还分别装有控制其开关闭合或断开的继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)，继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)均连接到开关动作判断装置(114)；电流采集装置(113)和开关动作判断装置(114)连接到中央处理器(115)，中央处理器(115)通过无线收发装置(116)连接到数据分析模块(23)；

所述跨步电压测试模块(33)包括第一层土壤(19)、第二层土壤(20)、第三层土壤(21)、第四层土壤(22)和电压测量机器人(18)；第一层土壤(19)、第二层土壤(20)、第三层土壤(21)和第四层土壤(22)分别由不同电阻率的土壤均匀填充，第四层土壤(22)为试验场地所在大地；第一层土壤(19)与断线模拟器(11)的接地导线(103)紧密接触；电压测量机器人(18)位于第一层土壤(19)上，并无线连接到数据分析模块(23)。

上述一种雷击下水平土壤分层的跨步电压测评平台的测评方法，包括以下步骤：

第一步：模拟输电线路单相断线接地故障并进行电压测试：

设定冲击电压发生器(1)产生的冲击电流持续时间t_s，通过电流传感器三(106)采集断线入地电流，通过数据分析模块(23)控制电压测量机器人(18)测量不同点的跨步电压，并记录每个电压测试点与接地导线(103)电流注入点的距离；

第二步：由下述式子计算每个测试点跨步电压理论值U_ti：

ω_k＝2πkf,k＝0,1,2,3,...,271 (1)

其中：

式(1)中，ω_k表示第k个角频率，f为基波频率；式(2)中，φ_k为第k个相位，α为波前衰减系数，β为波尾衰减系数；式(3)中，U_ti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值，r_i为第i个测试点到接地导线(103)入地点的距离，n为测试点总个数，H_k、M和L为系数，J₀为第一类零阶贝塞尔函数，I为实际所测得的入地电流幅值，R_b为人体电阻，ρ₁为第一层土壤(19)的电阻率，S为跨步距离，R₀＝ρ₁/(4b)为接触电阻，b为等效接地半径，g为计及接触电阻的高斯误差系数，η、λ为积分变量；式(4)中B为波形矫正系数；式(5)、(6)中，μ₁，μ₂，μ₃为系数，h₁，h₂，h₃分别为第一层土壤(19)、第二层土壤(20)和第三层土壤(21)的深度；式(7)中ρ_l为第l层土壤的电阻率；

第三步：采用粒子群优化算法对跨步电压公式进行建模，计算出使跨步电压实测值与理论值误差最小的g值，步骤如下：

(1)生成具有均匀分布的粒子和速度的初始总体，设置停止条件；

(2)按照式(8)计算目标函数值：

式中，f(g)表示目标函数，U_fi为第i个测试点的跨步电压测试值；

(3)更新每个粒子的个体历史最优位置与整个群体的最优位置；

(4)更新每个粒子的速度和位置；

(5)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果，否则返回第(2)步；

(6)根据优化得出最优值g₀代入以下公式(9)，为优化后的理论公式：

式(9)中，U_t为优化后的跨步电压测试点的理论计算值，r为土壤区域任意测试点到接地导线(103)电流入地点的距离；

第四步、计算人体承受的最大跨步电压限值U，并划分危险等级：

式(10)中，t_s为冲击电流持续时间；

数据分析模块(23)依据(10)式计算人体能承受的最大跨步电压限值U，依据规则进行危险等级划分：当U_t<U时，为安全；当U_t≥U时，为危险。

本发明的有益效果在于：

1)考虑雷击输电线路造成的过电压入侵工况；

2)能有效模拟输电线路单相断线接地点周围土壤水平分层工况；

3)能模拟输电线路单相断线接地故障，并有效测量雷击下水平分层土壤的跨步电压，改善理论计算方法，并对危险等级进行评价；

4)通过上位机完成主要的操作与控制，操作方便，安全可靠，对水平多层土壤的测试具有普适性。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的断线模拟器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明。包括以下步骤：

第一步：搭建一种雷击下水平土壤分层的跨步电压测评平台：

如图1所示，本发明的测试平台包括冲击电压发生器(1)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(17)和数据分析模块(23)；

实验箱(17)上端搭载了线路模块(32)，下端搭载了跨步电压测试模块(33)，实验箱(19)下端面开口，其余面由透明亚克力绝缘板搭建；

线路模块(32)包括A相线路(5)、B相线路(6)、C相线路(7)和三相负载(16)；三相负载(16)为RLC负载；冲击电压发生器(1)的出线连接A相线路(5)、B相线路(6)和C相线路(7)的输入端；A相线路(5)包括依次连接的线路电阻一(8)、线路电阻四(12)和负载变压器(15)的A相变压单元，A相变压单元输出端连接到三相负载(16)；B相线路(6)包括依次连接的线路电阻二(9)、线路电阻五(13)和负载变压器(15)的B相变压单元，B相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；C相线路(7)包括线路电阻三(10)、线路电阻六(14)和负载变压器(15)的C相变压单元，线路电阻三(10)的输入端为C相线路(7)的输入端，线路电阻三(10)的输出端连接到断线模拟器(11)的输入导线(101)，断线模拟器(11)的输出导线(102)连接到线路电阻六(14)的输入端，线路电阻六(14)的输出端连接到C相变压单元的输入端，C相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；

如图2所示，断线模拟器(11)由第一电流传感器(104)、第二电流传感器(105)、第三电流传感器(106)，第一高压开关(107)、第二高压开关(108)、第三高压开关(109)，电流采集装置(113)，开关动作判断装置(114)，中央处理器(115)以及无线收发装置(116)组成；断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接地导线(103)分别连接到高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输入端，高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输出端相互连接；电流传感器一(104)、电流传感器二(105)和电流传感器三(106)分别套装在断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接地导线(103)上，其输出端均连接到电流采集装置(113)；高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)还分别装有控制其开关闭合或断开的继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)，继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)均连接到开关动作判断装置(114)；中央处理器(115)将采集的电流数据通过无线收发装置(116)上传到数据分析模块(20)，并将从无线收发装置(116)接收到的开关动作信号交由开关动作判断装置(114)进而控制第一高压开关(107)、第二高压开关(108)、第三高压开关(109)动作，从而模拟线路单相接地故障；

跨步电压测试模块(33)通过接地导线(103)与断线模拟器(11)相连，并由第一层土壤(19)、第二层土壤(20)、第三层土壤(21)、第四层土壤(22)和电压测量机器人(18)组成，接地导线(103)与第一层土壤(19)紧密接触；第一层土壤(19)、第二层土壤(20)和第三层土壤(21)由均匀布置的不同电阻率的土壤填充，第四层土壤(22)为试验场地所在大地，进而模拟土壤水平分层情况；电压测量机器人(18)为远程操控可移动的真实人体比例模型，内部设有等值电阻用于模拟人体电阻和接触电阻，并分别与两脚相连，同时还具备距离传感器，因相关机器人技术已很成熟，更为具体的内部结构不再赘述；电压测量机器人(18)在第一层土壤(19)表面移动，并将测量到的跨步电压和测试点与接地导线(103)的距离数据无线传输至数据分析模块(23)；

第二步：模拟输电线路单相断线接地故障并进行电压测试：

初始设置第一高压开关(107)和第二高压开关(108)导通，第三高压开关(109)断开，然后打开冲击电压发生器(1)，同时使用数据分析模块(23)发出电源侧断线接地信号，信号通过无线收发装置(116)传输到中央处理器(115)，使开关动作判断装置(114)控制继电器(111)动作使得第二高压开关(108)断开，控制继电器(112)使得第三高压开关(109)导通，并设定故障持续时间t_s，单位为s；通过第三电流传感器(106)采集断线入地电流；利用电压测量机器人(18)测量任一点跨步电压并记录此测量点与接地导线(103)电流注入点的距离，关闭冲击电压发生器(1)，恢复所有设置至初始状态，间隔10分钟，通过数据分析模块(23)控制电压测量机器人(18)在第一层土壤(19)上移动，选择新的电压测试点之后打开冲击电压发生器(1)，再次如前述方法设置高压开关进行测量；通过数据分析模块(23)记录断线入地电流、所有点的跨步电压和距离信息，测量完成后关闭冲击电压发生器(1)并恢复所有设置至初始状态；

第三步：由下述式子计算每个测试点跨步电压理论值U_ti：

ω_k＝2πkf,k＝0,1,2,3,...,271 (11)

其中：

式(11)中，ω_k表示第k个角频率，f为基波频率，取值为3333Hz；式(12)中，φ_k为第k个相位，α为波前衰减系数，β为波尾衰减系数；式(13)中，U_ti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值，单位为V，r_i为第i个测试点到接地导线(103)入地点的距离，单位为m，n为测试点总个数，H_k、M和L为系数，J₀为第一类零阶贝塞尔函数，I为实际所测得的入地电流幅值，单位为A，R_b＝1000(Ω)为人体电阻，ρ₁为第一层土壤(19)的电阻率，单位为Ω·m，S＝0.8(m)为跨步距离，R₀＝ρ₁/(4b)为接触电阻，b＝0.08(m)为等效接地半径，g为计及接触电阻的高斯误差系数，η、λ为积分变量；式(14)中B＝2.33为波形矫正系数；式(15)、(16)中，μ₁，μ₂，μ₃为系数，h₁，h₂，h₃分别为第一层土壤(19)，第二层土壤(20)和第三层土壤(21)的深度；式(17)中ρ_l为第l层土壤的电阻率；

第四步：采用粒子群优化算法对跨步电压公式进行建模，计算出使跨步电压实测值与理论值误差最小的g值，步骤如下：

(1)生成具有均匀分布的粒子和速度的初始总体，设置停止条件；

(2)按照式(18)计算目标函数值：

式中，f(g)表示目标函数，U_fi为第i个测试点的跨步电压测试值；

(3)更新每个粒子的个体历史最优位置与整个群体的最优位置；

(4)更新每个粒子的速度和位置；

(5)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果，否则返回第(2)步；

(6)根据优化得出最优值g₀代入以下公式(19)，为优化后的理论公式：

式(19)中，U_t为优化后的跨步电压测试点的理论计算值，r为土壤区域任意测试点到接地导线(103)电流入地点的距离；

第四步、计算人体承受的最大跨步电压限值U，并划分危险等级：

式(20)中，t_s为冲击电流持续时间；

数据分析模块(23)依据(20)式计算人体能承受的最大跨步电压限值U，依据规则进行危险等级划分：当U_t<U时，为安全；当U_t≥U时，为危险。

Claims (1)

1.一种雷击下水平土壤分层的跨步电压测评平台的测评方法，其特征在于，包括冲击电压发生器(1)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(17)和数据分析模块(23)；

所述实验箱(17)包括上端搭载的线路模块(32)和下端搭载的跨步电压测试模块(33)；

所述线路模块(32)包括A相线路(5)、B相线路(6)、C相线路(7)和三相负载(16)；三相负载(16)为RLC负载；冲击电压发生器(1)的出线连接A相线路(5)、B相线路(6)和C相线路(7)的输入端；A相线路(5)包括依次连接的线路电阻一(8)、线路电阻四(12)和负载变压器(15)的A相变压单元，A相变压单元输出端连接到三相负载(16)；B相线路(6)包括依次连接的线路电阻二(9)、线路电阻五(13)和负载变压器(15)的B相变压单元，B相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；C相线路(7)包括线路电阻三(10)、线路电阻六(14)和负载变压器(15)的C相变压单元，线路电阻三(10)的输入端为C相线路(7)的输入端，线路电阻三(10)的输出端连接到断线模拟器(11)的输入导线(101)，断线模拟器(11)的输出导线(102)连接到线路电阻六(14)的输入端，线路电阻六(14)的输出端连接到C相变压单元的输入端，C相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；

所述断线模拟器(11)包括电流传感器一(104)、电流传感器二(105)、电流传感器三(106)、高压开关一(107)、高压开关二(108)、高压开关三(109)、电流采集装置(113)、开关动作判断装置(114)、中央处理器(115)和无线收发装置(116)；断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接地导线(103)分别连接到高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输入端，高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输出端相互连接；电流传感器一(104)、电流传感器二(105)和电流传感器三(106)分别套装在断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接地导线(103)上，其输出端均连接到电流采集装置(113)；高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)还分别装有控制其开关闭合或断开的继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)，继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)均连接到开关动作判断装置(114)；电流采集装置(113)和开关动作判断装置(114)连接到中央处理器(115)，中央处理器(115)通过无线收发装置(116)连接到数据分析模块(23)；

所述跨步电压测试模块(33)包括第一层土壤(19)、第二层土壤(20)、第三层土壤(21)、第四层土壤(22)和电压测量机器人(18)；第一层土壤(19)、第二层土壤(20)、第三层土壤(21)和第四层土壤(22)分别由不同电阻率的土壤均匀填充，第四层土壤(22)为试验场地所在大地；第一层土壤(19)与断线模拟器(11)的接地导线(103)紧密接触；电压测量机器人(18)为远程操控可移动的真实人体比例模型，内部设有等值电阻用于模拟人体电阻和接触电阻，并分别与两脚相连，同时还具备距离传感器；电压测量机器人(18)位于第一层土壤(19)上，并无线连接到数据分析模块(23)，将测量到的跨步电压和测试点与接地导线(103)的距离数据无线传输至数据分析模块(23)；

第一步：模拟输电线路单相断线接地故障并进行电压测试：

设定冲击电压发生器(1)产生的冲击电流持续时间t_s，通过电流传感器三(106)采集断线入地电流，通过数据分析模块(23)控制电压测量机器人(18)测量不同点的跨步电压，并记录每个电压测试点与接地导线(103)电流注入点的距离；

第二步：由下述式子计算每个测试点跨步电压理论值U_ti：

ω_k＝2πkf,k＝0,1,2,3,...,271 (1)

其中：

式(1)中，ω_k表示第k个角频率，f为基波频率；式(2)中，φ_k为第k个相位，α为波前衰减系数，β为波尾衰减系数；式(3)中，U_ti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值，r_i为第i个测试点到接地导线(103)入地点的距离，n为测试点总个数，H_k、M和L为系数，J₀为第一类零阶贝塞尔函数，I为实际所测得的入地电流幅值，R_b为人体电阻，ρ₁为第一层土壤(19)的电阻率，S为跨步距离，R₀＝ρ₁/(4b)为接触电阻，b为等效接地半径，g为计及接触电阻的高斯误差系数，η、λ为积分变量；式(4)中B为波形矫正系数；式(5)、(6)中，μ₁，μ₂，μ₃为系数，h₁，h₂，h₃分别为第一层土壤(19)、第二层土壤(20)和第三层土壤(21)的深度；式(7)中ρ_l为第l层土壤的电阻率；

第三步：采用粒子群优化算法对跨步电压公式进行建模，计算出使跨步电压实测值与理论值误差最小的g值，步骤如下：

(1)生成具有均匀分布的粒子和速度的初始总体，设置停止条件；

(2)按照式(8)计算目标函数值：

式中，f(g)表示目标函数，U_fi为第i个测试点的跨步电压测试值；

(3)更新每个粒子的个体历史最优位置与整个群体的最优位置；

(4)更新每个粒子的速度和位置；

(5)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果，否则返回第(2)步；

(6)根据优化得出最优值g₀代入以下公式(9)，为优化后的理论公式：

式(9)中，U_t为优化后的跨步电压测试点的理论计算值，r为土壤区域任意测试点到接地导线(103)电流入地点的距离；

第四步、计算人体承受的最大跨步电压限值U，并划分危险等级：

式(10)中，t_s为冲击电流持续时间；

数据分析模块(23)依据(10)式计算人体能承受的最大跨步电压限值U，依据规则进行危险等级划分：当U_t<U时，为安全；当U_t≥U时，为危险。

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