CN110361585B - 雷击下计及土壤分层的单相断线接杆塔风险评估平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了雷击下计及土壤分层的单相断线接杆塔风险评估平台及方法，实验箱上端搭载线路模块，下端搭载跨步电压测试模块，实验箱下端面开口；冲击电压源通过三相出线与线路模块连接；三相线路通过线路电阻、断线模拟器和负载变压器与三相RLC负载连接；断线模拟器由电流传感器、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组成，用于模拟输电线路单相断线短接杆塔的接地故障；跨步电压测试模块用于分层土壤下的跨步电压测量；数据分析模块负责其余模块的操作与控制，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短接杆塔的接地故障，并对跨步电压进行有效测评。

Description

雷击下计及土壤分层的单相断线接杆塔风险评估平台及方法

技术领域

本发明属于电力系统接地领域，特别是雷击下计及土壤分层的单相断线接杆塔风险评估平台及方法。

背景技术

雷击输电线路故障是影响电力系统安全运输中主要的问题，雷击引起的输配电网跳闸事故频繁发生，通常雷电输电线路时，雷电流将经杆塔流散至地面，这类高幅值与高频率的故障电流将对杆塔周围生物安全造成极大的威胁，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，跨步电压测评方法将变得更加复杂，为了准确的对雷击下跨步电压进行测评，迫切需要建立一种智能测评平台，能考虑土壤分层和雷击输电线路产生过电压经杆塔流散的影响，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

本发明的目的是雷击下计及土壤分层的单相断线接杆塔风险评估平台及方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

雷击下计及土壤分层的单相断线接杆塔风险评估平台，包括电源模块(31)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱、数据分析模块(22)；

所述电源模块(31)为冲击电压源(2)；

所述实验箱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；冲击电压源(2)的出线连接到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)和接杆塔导线(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)和接杆塔导线(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(22)；

所述跨步电压测试模块(33)包括杆塔(150)、接地网(151)、第一层土壤(18)、第二层土壤(19)、第三层土壤(20)、第四层土壤(21)和电压测量机器人(17)；第一层土壤(18)、第二层土壤(19)、第三层土壤(20)和第四层土壤(21)分别由不同电阻率的土壤均匀填充，第四层土壤(21)为实验地点大地土壤，接地网(151)水平埋在第一层土壤(18)表面下方，接地网(151)与杆塔(150)塔脚相连，从接地网(151)任一端部开始每隔一个距离设置一个电流传感器四(152)；电压测量机器人(17)位于第一层土壤(18)表面上，并无线连接到数据分析模块(20)。

上述风险评估平台的评估方法，包括以下步骤：

第一步、设定故障电流持续时间t_s，通过电流传感器四(152)采集接地网(151)测试点电流，通过数据分析模块(22)控制电压测量机器人(17)测量不同点跨步电压测试值，并记录电压测试点到两个相邻电流测试点的中点的距离；

第二步、由下式计算每个电压测试点跨步电压理论值U_ti：

式(1)中U_ti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值，n为电流测试点总个数，m为电压测试点总个数；I_j为第j个电流测试点与相邻的第j+1个电流测试点测得的电流幅值之差的绝对值，I_n表示最后一个测试点与第一个测试点测得的电流幅值之差的绝对值；r_ij为第i个电压测试点到第j个电流测试点与相邻的第j+1个电流测试点的中点的距离，其中r_in为第i个电压测试点到第n个电流测试点与相邻的第1个电流测试点的中点的距离；J₀为第一类零阶贝塞尔函数，R_b为人体电阻，ρ₁为实验箱中第一层土壤的电阻率，S为跨步距离，R₀＝ρ₁/(4b)为接触电阻，b为等效接地半径，λ、η为积分变量，g为计及接触电阻的高斯误差系数，H_k、M和L为系数，由公式(2)、(3)计算；

式(2)中，ω_k表示第k个角频率，f为基波频率，φ_k为第k个相位，α为波前衰减系数，β为波尾衰减系数，B为波形矫正系数；

式(3)中，μ₁，μ₂，μ₃为系数，h₁，h₂，h₃分别为第一层，第二层和第三层土壤厚度，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(4)计算群体最优位置：

式中，U_fi为第i个测试点的跨步电压测试值，f为均方根误差函数；

(3)更新每个粒子的速度和位置；

(4)计算每个粒子位置的误差函数值，同时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；

(5)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果；否则返回第(3)步；

(6)根据优化得出最优值g₀代入公式(1)，优化后的理论公式为：

式(5)中，U_t为优化后的任意测试点的跨步电压理论计算值，r_j为土壤区域任意位置到第j个电流测试点与相邻的第j+1个电流测试点的中点的距离，其中r_n表示该点到最后一个电流测试点与相邻的第一个电流测试点的中点的距离；第四步、划分危险区域：

通过公式(6)计算危险电压U_s：

t_s为冲击电流持续时间，并数据分析模块(22)依据(5)式计算区域内跨步电压U_t，当U_t≧U_s时该位置为危险，当U_t<U_s时该位置为安全。

本发明的有益效果在于：

1)能有效模拟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杆塔周围土壤水平分层工况；

3)能有效测量雷击输电线路经杆塔流散至周围分层土壤的跨步电压，通过测量与理论相结合的方法，对周围危险等级进行了准确评价；

4)通过上位机完成主要的操作与控制，操作方便智能，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。

图3是本发明的接地网电流传感器布置示意图。

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、搭建雷击下计及土壤分层的单相断线接杆塔风险评估平台：

如图1所示，本发明实验平台主要由电源模块(31)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱、数据分析模块(22)组成；

电源模块(31)为冲击电压源(2)，冲击电压源(2)为间隙、电压等级可调的冲击电压发生源，可产生满足实验系统所需的8/20μs冲击电压波形；

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

冲击电压源(2)通过单根导线与线路模块(32)连接，线路模块(32)由A相线路(5)、B相线路(6)和C相线路(7)组成；三相线路通过线路电阻(8)、线路电阻(9)、线路电阻(10)，线路电阻(12)、线路电阻(13)、线路电阻(14)，断线模拟器(11)，负载变压器(15)与三相负载(16)相连；线路电阻一(8)、线路电阻二(9)、线路电阻三(10)，线路电阻四(12)、线路电阻五(13)、线路电阻六(14)，断线模拟器(11)，负载变压器(15)与三相负载(16)相连；线路电阻一(8)和线路电阻四(12)、线路电阻二(9)和线路电阻五(13)以及线路电阻三(10)和线路电阻六(14)为模拟断线点两侧导线等效电阻，三相导线经过负载变压器(15)降压后为三相负载(16)供电；所述三相负载(16)为RLC负载；

如图2所示，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)和接杆塔导线(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)和接杆塔导线(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(22)；

如图1所示，跨步电压测试模块(33)通过杆塔(150)、接地网(151)与接杆塔导线(103)相连，还包括第一层土壤(18)、第二层土壤(19)、第三层土壤(20)、第四层土壤(21)和电压测量机器人(17)；第一层土壤(18)、第二层土壤(19)、第三层土壤(20)由三种不同土壤依据实验厚度要求均匀填充，第四层土壤(21)为实验地点大地土壤，接地网(151)水平埋在第一层土壤(18)表面下方，接地网(151)与杆塔(150)塔脚相连，从接地网(151)任一端部开始每隔一定距离等间距布置一个电流传感器四(152)，并依次进行编号，记录I_j，I_j为第j个电流测试点与相邻的第j+1个测试点测得的电流幅值之差的绝对值，单位为A，共有n个测试点，I_n表示最后一个测试点与第一个测试点测得的电流幅值之差的绝对值；电压测量机器人(17)为远程操控可移动的真实人体比例模型，通过两脚与地面接触模拟触电，其内部设有等值电阻用于模拟人体电阻，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(17)在第一层土壤(18)表面范围内移动，并将测量到的跨步电压和测试点与接杆塔导线(103)的距离数据无线传输至数据分析模块(22)。

第二步、依据第实验平台模拟输电线路单相断线接地故障并进行电压测试：

数据分析模块(22)控制高压开关一(107)和高压开关二(108)导通、高压开关三(109)断开，然后打开冲击电压源(2)，使用数据分析模块(22)发出断线接地信号，通过无线收发装置(116)将信号传输到中央处理器(115)，随后开关动作控制装置(114)控制继电器二(111)动作使得高压开关二(108)断开，并控制继电器三(112)使得高压开关三(109)导通；然后通过电流传感器四(152)采集接地网(151)测试点电流，通过数据分析模块(22)控制电压测量机器人(17)测量不同点跨步电压测试值U_fi，单位为V，测量并记录r_ij，单位为m，r_ij表示第i个电压测试点到第j个电流测试点与相邻的第j+1个电流测试点的中点的距离，其中r_in表示第i个电压测试点到最后一个电流测试点与相邻的第一个电流测试点的中点的距离，将所有测试点跨步电压与距离数据无线传输至数据分析模块(22)；

第三步、由下式计算每个测试点跨步电压理论值U_ti：

式(7)中U_ti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值，I_j为第j个电流测试点与相邻的第j+1个测试点测得的电流幅值之差的绝对值，单位为A，r_ij为第i个电压测试点到第j个电流测试点与相邻的第j+1个电流测试点的中点的距离，

单位为m；J₀为第一类零阶贝塞尔函数，n为电流测试点个数，m为电压测试点个数，R_b＝1000(Ω)为人体电阻，ρ₁为实验箱中第一层土壤电阻率，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，λ、η为积分变量，g为计及接触电阻的高斯误差系数，H_k、M和L为系数，由公式(8)、(9)计算：

式(8)中，ω_k表示第k个角频率，f为基波频率，取值为3333Hz，φ_k为第k个相位，α为波前衰减系数，β为波尾衰减系数，B＝2.33为波形矫正系数；

式(9)中，μ₁，μ₂，μ₃为系数，h₁，h₂，h₃分别为第一层，第二层和第三层土壤厚度，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(10)计算群体最优位置：

式中，U_fi为第i个测试点的跨步电压测试值，f为均方根误差函数；

(3)更新每个粒子的速度和位置；

(4)计算每个粒子位置的目标函数值，同时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；

(5)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果；否则返回第(3)步；

(6)根据优化得出最优值g₀代入以下公式(11)，为优化后的理论公式：

式(11)中，U_t为优化后的任意测试点的跨步电压理论计算值，r_j为土壤区域任意位置到第j个电流测试点与相邻的第j+1个电流测试点的中点的距离，其中r_n表示该点到最后一个电流测试点与相邻的第一个电流测试点的中点的距离；

第五步、划分危险区域：

通过公式(12)计算危险电压U_s：

t_s为冲击电流持续时间，单位为s，数据分析模块(22)依据(11)式计算区域内跨步电压U_t，当U_t≧U_s时该位置为危险，当U_t<U_s时该位置为安全。

Claims (1)

1.雷击下计及土壤分层的单相断线接杆塔风险评估方法，其特征在于，包括电源模块(31)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(19)、数据分析模块(22)；

所述电源模块(31)为冲击电压源(2)；

所述实验箱(19)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；冲击电压源(2)的出线连接到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)和接杆塔导线(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)和接杆塔导线(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(22)；

所述跨步电压测试模块(33)包括杆塔(150)、接地网(151)、第一层土壤(18)、第二层土壤(19)、第三层土壤(20)、第四层土壤(21)和电压测量机器人(17)；第一层土壤(18)、第二层土壤(19)、第三层土壤(20)和第四层土壤(21)分别由不同电阻率的土壤均匀填充，第四层土壤(21)为实验地点大地土壤，接地网(151)水平埋在第一层土壤(18)表面下方，接地网(151)与杆塔(150)塔脚相连，从接地网(151)任一端部开始每隔一个距离设置一个电流传感器四(152)；电压测量机器人(17)为远程操控可移动的真实人体比例模型，通过两脚与地面接触模拟触电，其内部设有等值电阻用于模拟人体电阻，同时还具备距离传感器，电压测量机器人(17)位于第一层土壤(18)表面上，并无线连接到数据分析模块(22)；

第一步、设定故障电流持续时间t_s，通过电流传感器四(152)采集接地网(151)测试点电流，通过数据分析模块(22)控制电压测量机器人(17)测量不同点跨步电压测试值，并记录电压测试点到两个相邻电流测试点的中点的距离；

第二步、由下式计算每个电压测试点跨步电压理论值U_ti：

式(1)中U_ti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值，n为电流测试点总个数，m为电压测试点总个数；I_j为第j个电流测试点与相邻的第j+1个电流测试点测得的电流幅值之差的绝对值，I_n表示最后一个测试点与第一个测试点测得的电流幅值之差的绝对值；r_ij为第i个电压测试点到第j个电流测试点与相邻的第j+1个电流测试点的中点的距离，其中r_in为第i个电压测试点到第n个电流测试点与相邻的第1个电流测试点的中点的距离；J₀为第一类零阶贝塞尔函数，R_b为人体电阻，ρ₁为实验箱中第一层土壤的电阻率，S为跨步距离，R₀＝ρ₁/(4b)为接触电阻，b为等效接地半径，λ、η为积分变量，g为计及接触电阻的高斯误差系数，H_k、M和L为系数，由公式(2)、(3)计算；

式(2)中，ω_k表示第k个角频率，f为基波频率，φ_k为第k个相位，α为波前衰减系数，β为波尾衰减系数，B为波形矫正系数；

式(3)中，μ₁，μ₂，μ₃为系数，h₁，h₂，h₃分别为第一层，第二层和第三层土壤厚度，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(4)计算群体最优位置：

式中，U_fi为第i个测试点的跨步电压测试值，f为均方根误差函数；

(3)更新每个粒子的速度和位置；

(4)计算每个粒子位置的误差函数值，同时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；

(5)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果；否则返回第(3)步；

(6)根据优化得出最优值g₀代入公式(1)，优化后的理论公式为：

式(5)中，U_t为优化后的任意测试点的跨步电压理论计算值，r_j为土壤区域任意位置到第j个电流测试点与相邻的第j+1个电流测试点的中点的距离，其中r_n表示该点到最后一个电流测试点与相邻的第一个电流测试点的中点的距离；

第四步、划分危险区域：

通过公式(6)计算危险电压U_s：

t_s为冲击电流持续时间，并数据分析模块(22)依据(5)式计算区域内跨步电压U_t，当U_t≧U_s时该位置为危险，当U_t<U_s时该位置为安全。

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