CN110543610A - 一种实时雷击输电线路风险评估方法 - Google Patents

一种实时雷击输电线路风险评估方法 Download PDF

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刘刚
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张莉彬
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Abstract

本发明公开了一种实时雷击输电线路风险评估方法，包括步骤：S1、采集输电线路信息，检测方型雷电监测区域实时落雷情况；S2、计算输电线路各避雷线的平均高度和各避雷线之间的平均距离，建立方程；S3、求解临界雷电流幅值；S4、计算出避雷线引雷面与大地引雷面交点的横坐标与雷电流幅值之间的关系；S5、根据雷电流幅值的概率分布，求解总的引雷宽度，求得输电线路的引雷区；S6、根据输电线路的引雷区，对雷击输电线概率进行判断评估。本发明为电力系统由雷击造成的输电线路损坏的快速查找和修复提供了可靠的判断依据，通过累积分析该评估数据后可以实现对由雷击损坏的线路进行快速查找和修复，节省了输电线路雷击故障的查找和线路修复时间。

Description

一种实时雷击输电线路风险评估方法
技术领域
本发明涉及输电线路防雷技术领域，尤其涉及一种实时雷击输电线路风险评估方法。
背景技术
输电线路有着电压等级高、空间跨度大、运行环境恶劣、线路走廊地形复杂等特点，因此成为电力系统中故障发生概率最高的部分，其故障概率远高于变压器、母线等设备。引起输电线路故障的主要原因有雷击、风偏、鸟害、树障等，而其中雷击故障的比例最高。
目前，对于输电线路引雷宽度的研究多停留在对某个地区的雷电监测数据的统计，考虑的因素较为单一。而且，根据某个地区的数据统计出的经验公式并不一定适用于某一段输电线路的防雷计算。所以，对引雷宽度的研究应该综合考虑杆塔高度、雷电流幅值概率分布等因素，使得计算方法具有更强的通用性。对于目前的雷电定位系统，该系统由于受到信噪比、传播路径、大地电导率变化、大气折射和仪器测量误差等多种因素的影响，会产生500m左右的误差。因此，雷电定位系统无法准确判定雷击点位置，这样也就无法确定雷击是否落在输电线路上，还是线路旁边的大地上，无法准确评估实时雷击输电线路的风险。
当雷电击中杆塔或输电线路时，雷击点所处的线路中，会产生幅值很大的雷电流。该大电流可能会造成输电线路的短路，而雷击点临近的绝缘子处可能会发生闪络。发生闪络后，雷电流流过的闪络区域，会发出大量热能烧蚀绝缘子，影响绝缘子的强度和绝缘特性，使得雷击后的输电线路存在潜在的风险和隐患。如能存在一种技术手段能实时推测出每一个雷电击中杆塔或输电线路的概率，便可快速对实时雷击输电线路的风险进行评估，累积分析该评估数据后就可以实现对由雷击损坏的线路进行快速查找和修复。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实时雷击输电线路风险评估方法。本发明能够实现对雷击输电线路的经济、高效、准确的风险评估。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种实时雷击输电线路风险评估方法，包括步骤：
S1、采集输电线路信息，检测包含该输电线路的方型雷电监测区域实时落雷情况；
S2、计算输电线路各避雷线的平均高度和各避雷线之间的平均距离，根据输电线路的电气几何模型建立方程；
S3、根据雷电流幅值与避雷线的击距以及大地的击距关系，求解临界雷电流幅值；
S4、根据S2建立的方程，计算出避雷线引雷面与大地引雷面交点的横坐标与雷电流幅值之间的关系；
S5、根据雷电流幅值的概率分布，求解总的引雷宽度，进而求得输电线路的引雷区；
S6、根据输电线路的引雷区，对雷击输电线概率进行判断评估。
具体地，输电线路信息包括线路的各级杆塔位置、杆塔间距S、线路各避雷线的高度h、各避雷线之间的距离b以及杆塔水平线与地面的倾角θ；
所述方型区域的长度为第一级杆塔到最后一级杆塔的距离；
实时落雷情况包括雷击发生点P(经度、纬度)以及雷电流幅值I。
具体地，步骤S2中，根据电气几何模型所建立的方程为：
避雷线的引雷面方程：
避雷线的击距公式为：Rc＝0.67H0.6I0.74
大地的击距公式为：Re＝(1.066-H/240.5)·Rc
大地的引雷面方程：y＝-x·tanθ+Re/cosθ
其中，x、y为未知变量，H为避雷线平均高度，Rc为避雷线击距，Re为大地击距，I为雷电流幅值，θ为杆塔水平线与地面的倾角，B为避雷线平均距离。
具体地，步骤S3中，雷电流幅值与避雷线击距以及大地击距对应关系为：
当雷电流幅值较大时，避雷线击距和大地击距也相应增大，避雷线的引雷面与大地引雷面交于N点，N点高度大于避雷线的平均高度H，此时一侧引雷宽度L等于N的横坐标，即L＝XN；
当雷电流幅值较小时，避雷线击距和大地击距也相应减小，避雷线的引雷面与大地引雷面交于N*，N*点高度小于避雷线的平均高度H，此时一侧引雷宽度L等于该幅值雷电流对应的击距，即L＝Rc；
由上述关系可知，必然存在一个临界的雷电流幅值I0，使得避雷线的引雷面与大地引雷面交点的高度刚好等于避雷线的平均高度，即x＝Rc，y＝H；将S1所得的输电线路数据代入S2方程中，解得临界雷电流幅值I0。
进一步地，步骤S4中，避雷线引雷面与大地引雷面交点的横坐标N与雷电流幅值I之间的关系为：
其中，I0为临界雷电流幅值，地面倾角θ为0。
进一步地，上述步骤分析的均是基于某个雷电流幅值对单侧引雷宽度的计算，若考虑雷电流幅值的概率分布，则应采用如下公式计算一侧引雷宽度L：
其中，P(I)为雷电流幅值概率密度函数，I0为临界雷电流幅值，Rc为避雷线击距，XN为避雷线引雷面和大地引雷面交点的横坐标；
其中，I为雷电流幅值。
进一步地，假设杆塔两侧是对称的，即两侧引雷宽度相同，所述总的引雷宽度等于两侧的引雷宽度与避雷线间距之和，其计算公式为：
Y＝2L+B
其中，B为避雷线之间的平均距离，L为避雷线一侧的引雷宽度，避雷线的引雷区是以杆塔间距S为长，引雷宽度Y为宽所构成的长方形区域。
进一步地，步骤S5中，为确定整条输电线路的引雷区域，还需对输电线路终端划分引雷区，本发明中以两条避雷线的终端为圆心，以一侧引雷宽度L为半径，确定两个半圆区构成线路终端引雷区，因此，输电线路的引雷区为线路终端两个半圆区与避雷线引雷区共同组成。
步骤S1中所监测的雷击发生点P(经度、纬度)，其精度由于受到信噪比、传播路径、大地电导率变化、大气折射和仪器测量误差等多种因素的影响，会产生500m左右的误差。为了更准确地表示雷击发生的位置，以实时监测的雷击发生点P为圆心，以500m误差为半径，确定一个圆形的雷击发生区，实时监测到的雷击可能发生在该区域的任意位置。
进一步地，当一个雷电发生在所述雷电监测区域时，若输电线路引雷区与雷击发生区没有交点或只有一个交点，则雷击输电线路的概率为零；若输电线路引雷区与雷击发生区有两个及以上交点，则雷击输电线路的概率为线路引雷区与雷击发生区相重合的面积除以雷击发生区的总面积。
进一步地，步骤S6中，对雷击输电线概率进行判断评估方法为：
当雷电监测区域为平原时，若雷击输电线路的概率0<P<16.67％，则可判断雷击输电线路的概率为低风险；若雷击输电线路的概率P>16.67％，则可判断雷击输电线路的概率为高风险。
当雷电监测区域为山区时，若雷击输电线路的概率0<P<25％，则可判断雷击输电线路的概率为低风险；若雷击输电线路的概率P>25％，则可判断雷击输电线路的概率为高风险。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、本发明通过获取输电线路信息与区域实时落雷情况，能够更经济和准确地完成雷击输电线路的风险评估。在计算引雷区域时，综合考虑了杆塔高度、雷电流幅值概率分布等因素的影响，使得计算引雷区的方法具有更强的通用性及实用性。在考虑到雷击定位系统的测量误差后，本发明将雷电发生区定义为一个圆形区域，从而保证了雷电数据的有效性和可靠性。通过确定线路引雷区与雷电发生区的重合区面积来计算雷击输电线路的概率，再结合杆率规程判断出雷击输电线路的风险。
2、本发明能够经济、高效、准确地判断出雷击是落在输电线路上还是线路旁边的大地上，为电力系统由雷击造成的输电线路损坏的快速查找和修复提供了可靠的判断依据。通过累积分析该评估数据可以实现对由雷击损坏的线路进行快速查找和修复，节省了输电线路雷击故障的查找和线路修复时间。
附图说明
图1是一种实时雷击输电线路风险评估方法的步骤流程图。
图2是本实施例中输电线路的电气几何原理图。
图3是引雷宽度不同情况示意图。
图4是本实施例中输电线路引雷区域示意图。
图5是本实施例中计算雷击输电线路概率原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明的目的通过以下技术方案实现：
如图1所示为一种实时雷击输电线路风险评估方法的流程图，包括步骤：
S1、采集输电线路信息，检测包含该输电线路的方型雷电监测区域实时落雷情况；
输电线路信息包括线路的各级杆塔位置、杆塔间距S、线路各避雷线的高度h、各避雷线之间的距离b以及杆塔水平线与地面的倾角θ；
所述方型区域的长度为第一级杆塔到最后一级杆塔的距离；
实时落雷情况包括雷击发生点P(经度、纬度)以及雷电流幅值I。
S2、计算输电线路各避雷线的平均高度和各避雷线之间的平均距离，根据输电线路的电气几何模型建立方程；
具体地，如图2所示为输电线路的电气几何原理图，根据图2所示的电气几何模型所建立的方程为：
避雷线的引雷面方程：
避雷线的击距公式为：Rc＝0.67H0.6I0.74
大地的击距公式为：Re＝(1.066-H/240.5)·Rc
大地的引雷面方程：y＝-x·tanθ+Re/cosθ
其中，x、y为未知变量，H为避雷线平均高度，Rc为避雷线击距，Re为大地击距，I为雷电流幅值，θ为杆塔水平线与地面的倾角，B为避雷线平均距离。
S3、根据雷电流幅值与避雷线的击距以及大地的击距关系，求解临界雷电流幅值；
具体地，如图3所示为引雷宽度不同情况的示意图，根据图3可知，雷电流幅值与避雷线击距以及大地击距对应关系为：
当雷电流幅值较大时，避雷线击距和大地击距也相应增大，避雷线的引雷面与大地引雷面交于N点，N点高度大于避雷线的平均高度H，此时一侧引雷宽度L等于N的横坐标，即L＝XN；
当雷电流幅值较小时，避雷线击距和大地击距也相应减小，避雷线的引雷面与大地引雷面交于N*，N*点高度小于避雷线的平均高度H，此时一侧引雷宽度L等于该幅值雷电流对应的击距，即L＝Rc；
由上述关系可知，必然存在一个临界的雷电流幅值I0，使得避雷线的引雷面与大地引雷面交点的高度刚好等于避雷线的平均高度，即x＝Rc，y＝H；将S1所得的输电线路数据代入S2方程中，解得临界雷电流幅值I0。
S4、根据S2建立的方程，计算出避雷线引雷面与大地引雷面交点的横坐标与雷电流幅值之间的关系；
进一步地，避雷线引雷面与大地引雷面交点的横坐标N与雷电流幅值I之间的关系为：
其中，I0为临界雷电流幅值，地面倾角θ为0。
上述步骤分析的均是基于某个雷电流幅值对单侧引雷宽度的计算，若考虑雷电流幅值的概率分布，则应采用如下公式计算一侧引雷宽度L：
其中，P(I)为雷电流幅值概率密度函数，I0为临界雷电流幅值，Rc为避雷线击距，XN为避雷线引雷面和大地引雷面交点的横坐标；
其中，I为雷电流幅值。
进一步地，所述总的引雷宽度等于两侧的引雷宽度(假设杆塔两侧是对称的，即两侧引雷宽度相同)与避雷线间距之和，其计算公式为：
Y＝2L+B
其中，B为避雷线之间的平均距离，L为避雷线一侧的引雷宽度，避雷线的引雷区是以杆塔间距S为长，引雷宽度Y为宽所构成的长方形区域。
S5、根据雷电流幅值的概率分布，求解总的引雷宽度，进而求得输电线路的引雷区；
为确定整条输电线路的引雷区域，还需对输电线路终端划分引雷区，本发明中以两条避雷线的终端为圆心，以一侧引雷宽度L为半径，确定两个半圆区构成线路终端引雷区，因此，输电线路的引雷区为线路终端两个半圆区与避雷线引雷区共同组成，输电线路引雷区域如图4所示。
步骤S1中所监测的雷击发生点P(经度、纬度)，其精度由于受到信噪比、传播路径、大地电导率变化、大气折射和仪器测量误差等多种因素的影响，会产生500m左右的误差。为了更准确地表示雷击发生的位置，以实时监测的雷击发生点P为圆心，以500m误差为半径，确定一个圆形的雷击发生区，实时监测到的雷击可能发生在该区域的任意位置。
如图5所示为计算雷击输电线路概率原理图，当一个雷电发生在所述雷电监测区域时，若输电线路引雷区与雷击发生区没有交点或只有一个交点，则雷击输电线路的概率为零；若输电线路引雷区与雷击发生区有两个及以上交点，则雷击输电线路的概率为线路引雷区与雷击发生区相重合的面积除以雷击发生区的总面积。
S6、根据输电线路的引雷区，对雷击输电线概率进行判断评估。
进一步地，对雷击输电线概率进行判断评估方法为：
当雷电监测区域为平原时，若雷击输电线路的概率0<P<16.67％，则可判断雷击输电线路的概率为低风险；若雷击输电线路的概率P>16.67％，则可判断雷击输电线路的概率为高风险。
当雷电监测区域为山区时，若雷击输电线路的概率0<P<25％，则可判断雷击输电线路的概率为低风险；若雷击输电线路的概率P>25％，则可判断雷击输电线路的概率为高风险。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实时雷击输电线路风险评估方法，其特征在于，包括步骤：
S1、采集输电线路信息，检测包含该输电线路的方型雷电监测区域实时落雷情况；
S2、计算输电线路各避雷线的平均高度和各避雷线之间的平均距离，根据输电线路的电气几何模型建立方程；
S3、根据雷电流幅值与避雷线的击距以及大地的击距关系，求解临界雷电流幅值；
S4、根据S2建立的方程，计算出避雷线引雷面与大地引雷面交点的横坐标与雷电流幅值之间的关系；
S5、根据雷电流幅值的概率分布，求解总的引雷宽度，进而求得输电线路的引雷区；
S6、根据输电线路的引雷区，对雷击输电线概率进行判断评估。
2.根据权利要求1所述的一种实时雷击输电线路风险评估方法，其特征在于，输电线路信息包括线路的各级杆塔位置、杆塔间距S、线路各避雷线的高度h、各避雷线之间的距离b以及杆塔水平线与地面的倾角θ；
所述方型区域的长度为第一级杆塔到最后一级杆塔的距离；
实时落雷情况包括雷击发生点P(经度、纬度)以及雷电流幅值I。
3.根据权利要求1所述的一种实时雷击输电线路风险评估方法，其特征在于，步骤S2中，根据电气几何模型所建立的方程为：
避雷线的引雷面方程：
避雷线的击距公式为：Rc＝0.67H0.6I0.74
大地的击距公式为：Re＝(1.066-H/240.5)·Rc
大地的引雷面方程：y＝-x·tanθ+Re/cosθ
其中，x、y为未知变量，H为避雷线平均高度，Rc为避雷线击距，Re为大地击距，I为雷电流幅值，θ为杆塔水平线与地面的倾角，B为避雷线平均距离。
4.根据权利要求1所述的一种实时雷击输电线路风险评估方法，其特征在于，步骤S3中，雷电流幅值与避雷线击距以及大地击距对应关系为：
当雷电流幅值较大时，避雷线击距和大地击距也相应增大，避雷线的引雷面与大地引雷面交于N点，N点高度大于避雷线的平均高度H，此时一侧引雷宽度L等于N的横坐标，即L＝XN；
当雷电流幅值较小时，避雷线击距和大地击距也相应减小，避雷线的引雷面与大地引雷面交于N*，N*点高度小于避雷线的平均高度H，此时一侧引雷宽度L等于该幅值雷电流对应的击距，即L＝Rc；
由上述关系可知，必然存在一个临界的雷电流幅值I0，使得避雷线的引雷面与大地引雷面交点的高度刚好等于避雷线的平均高度，即x＝Rc，y＝H；将S1所得的输电线路数据代入S2方程中，解得临界雷电流幅值I0。
5.根据权利要求1所述的一种实时雷击输电线路风险评估方法，其特征在于，考虑雷电流幅值的概率分布，采用如下公式计算一侧引雷宽度L：
其中，P(I)为雷电流幅值概率密度函数，I0为临界雷电流幅值，Rc为避雷线击距，XN为避雷线引雷面和大地引雷面交点的横坐标；
其中，I为雷电流幅值。
6.根据权利要求5所述的一种实时雷击输电线路风险评估方法，其特征在于，所述总的引雷宽度等于两侧的引雷宽度与避雷线间距之和，两侧引雷宽度相同，其计算公式为：
Y＝2L+B
其中，B为避雷线之间的平均距离，L为避雷线一侧的引雷宽度，避雷线的引雷区是以杆塔间距S为长，引雷宽度Y为宽所构成的长方形区域。
7.根据权利要求1所述的一种实时雷击输电线路风险评估方法，其特征在于，步骤S4中，避雷线引雷面与大地引雷面交点的横坐标N与雷电流幅值I之间的关系为：
其中，I0为临界雷电流幅值，地面倾角θ为0。
8.根据权利要求1所述的一种实时雷击输电线路风险评估方法，其特征在于，步骤S5中，以两条避雷线的终端为圆心，以一侧引雷宽度L为半径，确定两个半圆区构成线路终端引雷区，因此，输电线路的引雷区为线路终端两个半圆区与避雷线引雷区共同组成。
9.根据权利要求1所述的一种实时雷击输电线路风险评估方法，其特征在于，当一个雷电发生在所述雷电监测区域时，若输电线路引雷区与雷击发生区没有交点或只有一个交点，则雷击输电线路的概率为零；若输电线路引雷区与雷击发生区有两个及以上交点，则雷击输电线路的概率为线路引雷区与雷击发生区相重合的面积除以雷击发生区的总面积。
10.根据权利要求1所述的一种实时雷击输电线路风险评估方法，其特征在于，步骤S6中，对雷击输电线概率进行判断评估方法为：
当雷电监测区域为平原时，若雷击输电线路的概率0<P<16.67％，则可判断雷击输电线路的概率为低风险；若雷击输电线路的概率P>16.67％，则可判断雷击输电线路的概率为高风险；
当雷电监测区域为山区时，若雷击输电线路的概率0<P<25％，则可判断雷击输电线路的概率为低风险；若雷击输电线路的概率P>25％，则可判断雷击输电线路的概率为高风险。
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