CN110879333A - 一种高压直流输电线路雷击重启率计算和评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压直流输电线路雷击重启率计算和评估方法，该方法包括以下步骤：步骤1)，获取基于网格地闪数量分区段的雷电参数，并统计和拟合得出各区段的雷电流幅值累积概率分布计算式；步骤2)，计算最大绕击雷电流及最小耐受雷电流；步骤3)，考虑直流极性效应，逐极计算杆塔雷击重启率；步骤4)，进行全线杆塔雷害风险等级评估；步骤5)，制定高风险杆塔的防雷害治理方案。本发明实现全线高效、准确计算，进而提高整个改造方案的技术经济性。

Description

一种高压直流输电线路雷击重启率计算和评估方法

技术领域

本发明涉及输电线路防雷评估与保护技术领域，更具体地说，涉及一种高压直流输电线路雷击重启率计算和评估方法。

背景技术

随着大功率电力电子技术的不断成熟，高压直流输电系统在大容量、远距离输送方面的经济性、稳定性和灵活性等优势日益突出，但因此也使得电网规模不断扩大、电网结构变得更复杂。各种极端天气严重影响了线路的实际防雷性能，雷击所引起的线路跳闸故障占比高居不下。如何高效、准确计算直流输电线路重启率，并针对高风险雷害杆塔提出治理方案成为当前主要难题。

传统线路雷击重启率的计算方法中，获取雷电活动参数是将线路走廊划分大小相等的网格，然后逐个网格统计雷电地闪密度，并综合全线路走廊的地闪拟合得出雷电流幅值概率分布式。然而，高压直流线路较长，仍采用单一分布计算式表征全线路走廊雷电流幅值的分布特性并不合理。

传统交流线路雷击跳闸率的计算方法中，因交流线路各相导线工作电压对引雷效果的影响在1个工频周期内是相对均等的，因此，该模型主要适用于交流输电线路的绕击耐雷性能分析。但直流输电线路由于“极性效应”影响，雷电极性对两极导线防雷性能的影响是不均等的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种高压直流输电线路雷击重启率计算和评估方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

设计一种高压直流输电线路雷击重启率计算和评估方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)，获取基于网格地闪数量分区段的雷电参数，并统计和拟合得出各区段的雷电流幅值累积概率分布计算式；

步骤2)，计算最大绕击雷电流及最小耐受雷电流；

步骤3)，考虑直流极性效应，逐极计算杆塔雷击重启率；

步骤4)，进行全线杆塔雷害风险等级评估；

步骤5)，制定高风险杆塔的防雷害治理方案。

在上述方案中，在所述步骤1)中，基于网格地闪数量累积自动形成统计区域，选择雷电地闪2000次为阈值确定每个区段长度，并统计和拟合得出各区段的雷电流幅值累积概率分布计算式。

在上述方案中，在所述步骤2)中，以杆塔绕击计算分析为主，采用计及雷电先导入射角的电气几何修正模型计算最大绕击雷电流：

雷电冲击下，同时存在导线-横担间隙L₁和导线-塔身间隙L₂，选择二者中距离最小者作为最小放电路径，并根据公式(1)计算最小绕击耐雷水平，然后根据公式(2)分别计算极Ⅰ、极Ⅱ雷电绕击重启率为S_Ⅰ、S_Ⅱ，

公式(1)中，U_ph为线路工作电压；Z₀为雷电通道波阻抗；Z_c为导线波阻抗；l为间隙距离；t为放电时间；

公式(2)中，N_g表示N_g表示雷电地闪密度，单位为次/平方公里·年；η表示建弧率；I_rmax表示最大绕击雷电流；D_c表示基于电气几何模型法的导线暴露弧长度；g(ψ)表示雷电入射角分布函数；P'(I)表示雷电流分布概率函数。

在上述方案中，在所述步骤3)中，计算绕击重启率时考虑正、负极性雷电对两根导线的影响差异，根据直流线路由负极性雷引起的雷击故障统计结果，确定在负极性雷条件下雷击极Ⅰ、极Ⅱ的概率分布α_N、β_N，则修正后负极性雷条件下杆塔绕击重启率为S_N＝α_N·S_Ⅰ+β_N·S_Ⅱ；根据直流线路由正极性雷引起的雷击故障统计结果，确定在正极性雷条件下雷击极Ⅰ、极Ⅱ的概率分布α_P、β_P，则修正后正极性雷条件下杆塔绕击重启率为S_P＝α_P·S_Ⅰ+β_P·S_Ⅱ；单基杆塔绕击重启率S＝S_N+S_P。

在上述方案中，在所述步骤4)中，依照步骤3)针对全线杆塔进行雷击重启率计算，并根据实际地闪密度值折算雷击重启率指标，将杆塔雷击重启率按低于指标0.5倍、0.5～1.0倍、1.0～1.5倍以及大于指标1.5倍依次划分为A、B、C、D四个风险等级。

在上述方案中，在所述步骤5)中，根据步骤4)筛选出雷害风险等级为C和D的杆塔，并结合各种防雷措施特性，制定不同的防雷害治理方案。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明基于网格地闪数量累积自动划分统计区域，分区段统计雷电流幅值概率密度分布计算式，取代了传统全线统计拟合的单一分布计算式；考虑直流线路正、负极性效应权重，修正了传统绕击重启率计算中均等分布的计算方法，实现全线高效、准确计算，进而提高整个改造方案的技术经济性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种±500kV直流输电线路雷击重启率计算和评估方法的流程图；

图2是本发明实施例中±500kV直流线路典型塔型的结构示意图；

图3是本发明实施例中计及雷电先导入射角的电气几何模型的示意图。

图4是本发明实施例中全线杆塔雷击风险等级评估结果。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，本发明提供一种高压直流输电线路雷击重启率计算和评估方法，具体实施步骤如下：

步骤1)，获取基于网格地闪数量分区段的雷电参数，并统计和拟合得出各区段的雷电流幅值累积概率分布计算式。基于网格地闪数量累积自动形成统计区域，各区段网格数量不定，各区段内的地闪数量不宜过多或过少，经试验分析和实践检验，选择雷电地闪2000次为阈值确定每个区段长度，并统计和拟合得出各区段的雷电流幅值累积概率分布计算式。

步骤2)，计算最大绕击雷电流及最小耐受雷电流。±500kV直流高压输电线路绝缘强度较高，反击耐雷水平达到180kA～230kA，自然界中雷电流幅值超过该范围的概率极低，因此本发明以杆塔绕击计算分析为主，采用计及雷电先导入射角的电气几何修正模型计算最大绕击雷电流。雷电冲击下，同时存在导线-横担间隙L₁和导线-塔身间隙L₂，选择二者中距离最小者作为最小放电路径，并根据公式(1)计算最小绕击耐雷水平，然后根据公式(2)分别计算极Ⅰ、极Ⅱ雷电绕击重启率为S_Ⅰ、S_Ⅱ。

公式(1)中，U_ph为线路工作电压；Z₀为雷电通道波阻抗；Z_c为导线波阻抗；l为间隙距离；t为放电时间；公式(2)中，N_g表示N_g表示雷电地闪密度，单位为次/平方公里·年；η表示建弧率；I_rmax表示最大绕击雷电流；D_c表示基于电气几何模型法的导线暴露弧长度；g(ψ)表示雷电入射角分布函数；P'(I)表示雷电流分布概率函数。

步骤3)，考虑直流极性效应，逐极计算杆塔雷击重启率。直流输电线路由于“极性效应”影响，雷电极性对两极导线防雷性能的影响是不均等的，因此计算绕击重启率时应考虑正、负极性雷电对两根导线的影响差异。根据直流线路由负极性雷引起的雷击故障统计结果，确定在负极性雷条件下雷击极Ⅰ、极Ⅱ的概率分布α_N、βN，则修正后负极性雷条件下杆塔绕击重启率为S_N＝α_N·S_Ⅰ+β_N·S_Ⅱ。同理，根据直流线路由正极性雷引起的雷击故障统计结果，确定在正极性雷条件下雷击极Ⅰ、极Ⅱ的概率分布α_P、βP，则修正后正极性雷条件下杆塔绕击重启率为S_P＝α_P·S_Ⅰ+β_P·S_Ⅱ。单基杆塔绕击重启率S＝S_N+S_P。

步骤4)，进行全线杆塔雷击风险等级评估。依照步骤3)针对全线杆塔进行雷击重启率计算，并根据实际地闪密度值折算雷击重启率指标，将杆塔雷击重启率按低于指标0.5倍、0.5～1.0倍、1.0～1.5倍以及大于指标1.5倍划分为A、B、C、D四个风险等级。

步骤5)，制定高风险杆塔雷害治理方案。根据步骤4)筛选出雷害风险等级为C和D的杆塔，并结合各种防雷措施特性，制定防雷改造设计的不同方案，并对比各种方案的技术经济性。

本发明以某±800kV特高压直流输电线路为例，线路全长2058.6公里、4240基杆塔，于2012年12月投运，截止2015年底共发生雷击故障6次，均为极I绕击故障，线路雷击重启率为0.097次/(100km·a)。

以线路走向为中心线、6km×6km网格内的雷电参数作为统计分析对象，获得各网格正/负地闪密度值Ng_P＝0.335次/(km²·a)、Ng_N＝3.096次/(km²·a)，平均地闪密度值Ng＝3.431次/(km²·a)；基于地闪密度统计结果，以地闪2000次为阀值确定区段长度，综合每个区段内的地闪次数分别独立统计拟合得出各区段雷电流幅值累积概率分布公式，如下表1所示。

表1分段统计雷电流幅值累积概率分布公式

以某基±500kV直流线路典型塔型为例，杆塔采用负保护角，绝缘子串为双I型悬挂方式，地面倾角为20°，具体杆塔尺寸如图1所示。通过修正后的电气几何模型法计算出极Ⅰ、极Ⅱ最大绕击雷电流为53.7kA和36.2kA。

雷击导线后，极Ⅰ、极Ⅱ同时存在导线-横担间隙L₁＝6479mm和导线-塔身间隙L₂＝8534mm，选择二者中距离最小者作为最小放电路径，即导线-横担间隙L₁＝6479mm，绕击耐雷水平I_rmin根据公式(1)计算：

公式(1)中，U_ph为线路工作电压，取值500kV或－500kV，Z₀为雷电通道波阻抗，计算绕击耐雷水平时取值800Ω，Z_c为导线波阻抗，近似取值300Ω，l为间隙距离，单位为m，t为放电时间，近似取值50μs。

根据公式(2)计算各极导线雷击重启率，如下表2所示。

表2极Ⅰ、极Ⅱ导线雷击重启率计算结果

基于国网公司直流线路故障统计数据，在单基杆塔计算模型中，各“极性效应”权重系数建议值为α_N＝0.91(63/69)、β_N＝0.09(6/69)，α_P＝0.0(0/5)、β_P＝1.0(5/5)(α、β分别对应极Ⅰ、极Ⅱ故障，N、P分别对应负极性雷、正极性雷)；

修正后负极性雷条件下杆塔绕击重启率为：

S_N＝α_N·S_Ⅰ+β_N·S_Ⅱ＝0.91·0.2307+0.09·0.0944＝0.2184(次/100km·a)

修正后正极性雷条件下杆塔绕击重启率为：

S_P＝α_P·S_Ⅰ+β_P·S_Ⅱ＝0.0·0.2307+1.0·0.0944＝0.0944(次/100km·a)

单基杆塔绕击重启率为：

S＝S_N+S_P＝0.2184+0.0944＝0.3182(次/100km·a)

依据上述计算方法，对杆塔全线进行绕击重启率进行计算，获得的雷击重启率风险高低应结合实际雷击重启率指标M_实予以衡量，其可按以下公式计算获得

M_实＝M_标*N_实/N_标＝0.1*3.431/2.78＝0.1202次/(100km·a)

各雷害风险等级可依据下表3标准进行划分。

表3雷害风险等级划分标准

基于基础参数分析结果，结合单基杆塔绕击计算模型逐基杆塔计算获得雷击重启率及线路平均重启率，并对其进行全线雷害风险评估，评估结果如图4所示。

线路雷击重启率计算结果为0.115次/(100km·a)，略高于线路实际运行值0.097次/(100km·a)。评估结果表明，线路平均重启率计算值和实际运行值虽均满足实际雷击重启率控制参考值，但仍存在雷害风险高、雷害防御能力相对薄弱区段。其中，高风险杆塔共649基，占比15.31％，此类杆塔应作为后期运维及治理的主要对象。

附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种高压直流输电线路雷击重启率计算和评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1)，获取基于网格地闪数量分区段的雷电参数，并统计和拟合得出各区段的雷电流幅值累积概率分布计算式；

步骤2)，计算最大绕击雷电流及最小耐受雷电流；

步骤3)，考虑直流极性效应，逐极计算杆塔雷击重启率；

步骤4)，进行全线杆塔雷害风险等级评估；

步骤5)，制定高风险杆塔的防雷害治理方案。

2.根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路雷击重启率计算和评估方法，其特征在于，在所述步骤1)中，基于网格地闪数量累积自动形成统计区域，选择雷电地闪2000次为阈值确定每个区段长度，并统计和拟合得出各区段的雷电流幅值累积概率分布计算式。

3.根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路雷击重启率计算和评估方法，其特征在于，在所述步骤2)中，以杆塔绕击计算分析为主，采用计及雷电先导入射角的电气几何修正模型计算最大绕击雷电流：

雷电冲击下，同时存在导线-横担间隙L₁和导线-塔身间隙L₂，选择二者中距离最小者作为最小放电路径，并根据公式(1)计算最小绕击耐雷水平，然后根据公式(2)分别计算极Ⅰ、极Ⅱ雷电绕击重启率为S_Ⅰ、S_Ⅱ，

公式(1)中，U_ph为线路工作电压；Z₀为雷电通道波阻抗；Z_c为导线波阻抗；l为间隙距离；t为放电时间；

公式(2)中，N_g表示雷电地闪密度，单位为次/平方公里·年；η表示建弧率；I_rmax表示最大绕击雷电流；D_c表示基于电气几何模型法的导线暴露弧长度；g(ψ)表示雷电入射角分布函数；P'(I)表示雷电流分布概率函数。

4.根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路雷击重启率计算和评估方法，其特征在于，在所述步骤3)中，计算绕击重启率时考虑正、负极性雷电对两根导线的影响差异，根据直流线路由负极性雷引起的雷击故障统计结果，确定在负极性雷条件下雷击极Ⅰ、极Ⅱ的概率分布α_N、β_N，则修正后负极性雷条件下杆塔绕击重启率为S_N＝α_N·S_Ⅰ+β_N·S_Ⅱ；根据直流线路由正极性雷引起的雷击故障统计结果，确定在正极性雷条件下雷击极Ⅰ、极Ⅱ的概率分布α_P、β_P，则修正后正极性雷条件下杆塔绕击重启率为S_P＝α_P·S_Ⅰ+β_P·S_Ⅱ；单基杆塔绕击重启率S＝S_N+S_P。

5.根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路雷击重启率计算和评估方法，其特征在于，在所述步骤4)中，依照步骤3)针对全线杆塔进行雷击重启率计算，并根据实际地闪密度值折算雷击重启率指标，将杆塔雷击重启率按低于指标0.5倍、0.5～1.0倍、1.0～1.5倍以及大于指标1.5倍依次划分为A、B、C、D四个风险等级。

6.根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路雷击重启率计算和评估方法，其特征在于，在所述步骤5)中，根据步骤4)筛选出雷害风险等级为C和D的杆塔，并结合各种防雷措施特性，制定不同的防雷害治理方案。

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