CN111983360B - 一种考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评系统 - Google Patents

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Abstract

一种考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评系统，其特征在于该风险测评装置包括上位机、无线接收模块、雷击电压信号采集器、分压器、同轴电缆线、电缆引线、接地引下线、绝缘支撑杆、接地子模块、雷电冲击模拟装置、编织铜带、无线电流采集器、酒杯型输电杆塔、接地铜板、时序开关模拟器；多重雷击输电杆塔的安全风险测评步骤为：通过控制上位机发出时序命令控制时序开关模拟器，进而控制雷电冲击模拟装置输出多重雷电流信号，最后计算杆塔的状态评价因子实现对输电杆塔进行安全风险测评。本发明可模拟多重雷击输电杆塔，并对输电杆塔进行安全风险测评，可为多重雷击等复杂工况下，输电杆塔的检修维护提供指导意见。

Description

一种考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评系统
技术领域
本发明属于架空输电系统领域，特别是一种考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评系统。
背景技术
雷电是一种频发的自然灾害，不仅严重威胁着人们的生命安全，也会对航空、通讯、电力、建筑等国防和国民经济的许多部门造成重大的危害。雷云是产生雷电放电的先决条件，而雷云中的电荷分布是不均匀的，往往形成多个电荷密集中心，所以第一个电荷中心完成首次回击后，可能引起第二个、第三个甚至更多的中心沿着首次回击的通道到达大地，因此雷电大多呈现多重特性，有80％-85％的雷电含有两次及以上的回击。GB/T 21714.1-2015指出，多重雷击平均由3～4个雷击组成的雷闪，已记录到的多重雷击最多包含几十个雷击。此外，输电杆塔在电力系统中起着承载输电线路的重要作用，是电力系统不可或缺的一部分，杆塔一旦发生故障或者潜在故障，将对电力系统造成不可估量的损失。雷击输电杆塔作为电网运行中的一种常见工况，因此针对多重雷击工况下的输电杆塔，进行安全状态检测以及安全评估显得尤为重要。
目前，已有研究针对输电系统进行雷击模拟测试，分析雷击下的暂态响应，倾向于评估绝缘子闪络与否，进而研究输电线路的耐雷水平与雷击跳闸率；也有部分研究基于多重雷击开展，研究多重雷击对设备的损害机理并描述实验现象，未见有对输电杆塔进行安全风险测评的研究。因此，为确保输电线路的安全与稳定性，开发了一套输电杆塔的安全风险状态监测装置，并提出一种考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评系统，这将进一步为输电杆塔的状态监测、安全防护以及维护检修，提供指导意见，更是为今后提高输电线路的安全运行提供重要保障。
发明内容
本发明的目的是提出一种考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评系统，对输电杆塔发生多重雷击时，进行安全风险测试与评估，为输电杆塔的状态监测、安全防护以及维护检修，提供指导意见。
实现本发明目的的技术方案如下：
第一步、建立考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评装置，该风险测评装置包括上位机、无线接收模块、雷击电压信号采集器、分压器、同轴电缆线、电缆引线、接地引下线绝缘支撑杆、绝缘支撑杆、接地子模块、雷电冲击模拟装置、编织铜带、无线电流采集器、酒杯型输电杆塔、接地铜板、时序开关模拟器；
所述雷电冲击模拟装置的输出端通过编织铜带连接至酒杯型输电杆塔的顶端，且无线电流采集器套接在编织铜带上；
所述时序开关模拟器的输入端与上位机相连，输出端与雷电冲击模拟装置相连；
所述分压器的输出端通过同轴电缆线与雷击电压信号采集器相连，分压器的输入端经电缆引线与酒杯型输电杆塔的顶端相连，分压器的接地端子通过接地引下线与接地子模块相连；
所述无线接收模块接收无线电流采集器采集的雷电流信号；
所述上位机同时与无线接收模块、雷击电压信号采集器相连，接收并分析无线接收模块接收的雷电流信号以及雷击电压信号采集器采集的雷电压信号；
所述电缆引线分两段布置，节点至酒杯型输电杆塔之间的部分为水平布置，与接地铜板平行；节点至分压器之间的部分为垂直布置，与接地铜板垂直；
所述编织铜带分两段布置，节点至酒杯型输电杆塔之间的部分为水平布置，与接地铜板平行，且与电缆引线的水平布置部分垂直；节点至雷电冲击模拟装置之间的部分为垂直布置，与接地铜板垂直；
所述绝缘支撑杆用于支撑节点至酒杯型输电杆塔之间的部分电缆引线；所述绝缘支撑杆用于支撑节点至酒杯型输电杆塔之间的部分编织铜带；
所述酒杯型输电杆塔放置在接地铜板上。
第二步、模拟多重雷击输电杆塔，并进行状态监测：
通过控制上位机发出时序命令控制时序开关模拟器中的开关1、开关2、开关3、开关4、开关5、开关6的开断，进而控制雷电冲击模拟装置输出多重雷电流信号，分压器采集酒杯型输电杆塔的顶端电压并传输至雷击电压信号采集器；无线电流采集器采集雷电流信号并无线传输至无线接收模块；最终上位机接收无线接收模块接收的雷电流信号以及雷击电压信号采集器采集的雷电压信号；
第三步、进行输电杆塔的状态评价因子计算，由下式计算杆塔的一级状态评价因子：
Figure GDA0003028006710000021
式(1)中，i表示第i重雷击，Ui(t)为采集的第i重雷击的雷电压信号，Ii(t)为采集的第i重雷击的雷电流信号，
Figure GDA0003028006710000022
为Ui(t)与Ii(t)比值的绝对值的最大值，t为时间变量；e为自然对数的底数；D为酒杯型输电杆塔的下跟开，H为酒杯型输电杆塔的高度，r1为酒杯型输电杆塔的顶部宽度的一半，r2为酒杯型输电杆塔的中部宽度的一半，h1为酒杯型输电杆塔顶部至中部的垂直距离，h2为酒杯型输电杆塔中部至接地铜板的垂直距离；w1为二级评价权重因子1，w2为二级评价权重因子2，Ev为杆塔的一级状态评价因子，n为多重雷击的重数，pi为第i重雷击的权重因子；
第四步、依据杆塔的一级状态评价因子，对输电杆塔进行安全风险测评：
若Ev∈(0,1.822)∪(5.296,+∞)，则判定杆塔为存在严重故障；若Ev∈[1.822,2.34]∪[3.241,5.296]，则判定杆塔存在轻微故障；若Ev∈(2.34,3.241)，则杆塔为正常状态。
本发明的有益效果在于：
1)所建考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评装置，可输出多重雷击的雷电流信号，模拟多重雷击杆塔塔顶的工况；
2)提出了一种考虑多重雷击下的输电杆塔安全风险测评方法，可为多重雷击等复杂工况下，输电杆塔的检修维护提供指导意见；
3)所建考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评装置操作方便、安全可靠，且具有一定的普适性，可针对不同类型的输电杆塔进行安全风险测评。
附图说明
图1是本发明中考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评装置的结构示意图；
图2是6重雷电流信号的波形图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。一种考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评系统，具体实施方式包括以下步骤：
第一步、建立考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评装置，该风险测评装置包括上位机(1)、无线接收模块(2)、雷击电压信号采集器(3)、分压器(4)、同轴电缆线(42)、电缆引线(41)、接地引下线(43)绝缘支撑杆1(411)、绝缘支撑杆2(711)、接地子模块(5)、雷电冲击模拟装置(6)、编织铜带(7)、无线电流采集器(8)、酒杯型输电杆塔(9)、接地铜板(10)、时序开关模拟器(11)；
所述雷电冲击模拟装置(6)的输出端通过编织铜带(7)连接至酒杯型输电杆塔(9)的顶端，且无线电流采集器(8)套接在编织铜带(7)上；
所述时序开关模拟器(11)的输入端与上位机(1)相连，输出端与雷电冲击模拟装置(6)相连；
所述分压器(4)的输出端通过同轴电缆线(42)与雷击电压信号采集器(3)相连，分压器(4)的输入端经电缆引线(41)与酒杯型输电杆塔(9)的顶端相连，分压器(4)的接地端子通过接地引下线(43)与接地子模块(5)相连；
所述无线接收模块(2)接收无线电流采集器(8)采集的雷电流信号；
所述上位机(1)同时与无线接收模块(2)、雷击电压信号采集器(3)相连，接收并分析无线接收模块(2)接收的雷电流信号以及雷击电压信号采集器(3)采集的雷电压信号；
所述电缆引线(41)分两段布置，节点1(412)至酒杯型输电杆塔(9)之间的部分为水平布置，与接地铜板(10)平行；节点1(412)至分压器(4)之间的部分为垂直布置，与接地铜板(10)垂直；
所述编织铜带(7)分两段布置，节点2(712)至酒杯型输电杆塔(9)之间的部分为水平布置，与接地铜板(10)平行，且与电缆引线(41)的水平布置部分垂直；节点2(712)至雷电冲击模拟装置(6)之间的部分为垂直布置，与接地铜板(10)垂直；
所述绝缘支撑杆1(411)用于支撑节点1(412)至酒杯型输电杆塔(9)之间的部分电缆引线(41)；所述绝缘支撑杆2(711)用于支撑节点2(712)至酒杯型输电杆塔(9)之间的部分编织铜带(7)；
所述酒杯型输电杆塔(9)放置在接地铜板(10)上。
第二步、模拟多重雷击输电杆塔，并进行状态监测：
通过控制上位机(1)发出时序命令控制时序开关模拟器(11)中的开关1(111)、开关2(112)、开关3(113)、开关4(114)、开关5(115)、开关6(116)的开断，进而控制雷电冲击模拟装置(6)输出多重雷电流信号，分压器(4)采集酒杯型输电杆塔(9)的顶端电压并传输至雷击电压信号采集器(3)；无线电流采集器(8)采集雷电流信号并无线传输至无线接收模块(2)；最终上位机接收无线接收模块(2)接收的雷电流信号以及雷击电压信号采集器(3)采集的雷电压信号；
所述输出多重雷电流信号可以为2重雷击、3重雷击、4重雷击、5重雷击、6重雷击，任意一种多重雷电流信号的每一重雷击之间的时间间隔为50ms，可通过人工控制上位机(1)发出时序命令，进而控制时序开关模拟器(11)来设定多重雷击的重数；
所述时序命令为含时间延迟的开关开断命令，控制时序开关模拟器(11)中的开关1(111)、开关2(112)、开关3(113)、开关4(114)、开关5(115)、开关6(116)，按照时序开断；
第三步、进行输电杆塔的状态评价因子计算，由下式计算杆塔的一级状态评价因子：
Figure GDA0003028006710000041
式(2)中，i表示第i重雷击，Ui(t)为采集的第i重雷击的雷电压信号，Ii(t)为采集的第i重雷击的雷电流信号，
Figure GDA0003028006710000051
为Ui(t)与Ii(t)比值的绝对值的最大值，t为时间变量；e为自然对数的底数；D为酒杯型输电杆塔(9)的下跟开，H为酒杯型输电杆塔(9)的高度，r1为酒杯型输电杆塔(9)的顶部宽度的一半，r2为酒杯型输电杆塔(9)的中部宽度的一半，h1为酒杯型输电杆塔(9)顶部至中部的垂直距离，h2为酒杯型输电杆塔(9)中部至接地铜板(10)的垂直距离；w1为二级评价权重因子1，w2为二级评价权重因子2，Ev为杆塔的一级状态评价因子，n为多重雷击的重数，pi为第i重雷击的权重因子；
第四步、依据杆塔的一级状态评价因子，对输电杆塔进行安全风险测评：
若Ev∈(0,1.822)∪(5.296,+∞)，则判定杆塔为存在严重故障；若Ev∈[1.822,2.34]∪[3.241,5.296]，则判定杆塔存在轻微故障；若Ev∈(2.34,3.241)，则杆塔为正常状态。

Claims (1)

1.一种考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评系统，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、建立考虑多重雷击的输电杆塔安全风险测评装置，该风险测评装置包括上位机(1)、无线接收模块(2)、雷击电压信号采集器(3)、分压器(4)、同轴电缆线(42)、电缆引线(41)、接地引下线(43)绝缘支撑杆1(411)、绝缘支撑杆2(711)、接地子模块(5)、雷电冲击模拟装置(6)、编织铜带(7)、无线电流采集器(8)、酒杯型输电杆塔(9)、接地铜板(10)、时序开关模拟器(11)；
所述雷电冲击模拟装置(6)的输出端通过编织铜带(7)连接至酒杯型输电杆塔(9)的顶端，且无线电流采集器(8)套接在编织铜带(7)上；
所述时序开关模拟器(11)的输入端与上位机(1)相连，输出端与雷电冲击模拟装置(6)相连；
所述分压器(4)的输出端通过同轴电缆线(42)与雷击电压信号采集器(3)相连，分压器(4)的输入端经电缆引线(41)与酒杯型输电杆塔(9)的顶端相连，分压器(4)的接地端子通过接地引下线(43)与接地子模块(5)相连；
所述无线接收模块(2)接收无线电流采集器(8)采集的雷电流信号；
所述上位机(1)同时与无线接收模块(2)、雷击电压信号采集器(3)相连，接收并分析无线接收模块(2)接收的雷电流信号以及雷击电压信号采集器(3)采集的雷电压信号；
所述电缆引线(41)分两段布置，节点1(412)至酒杯型输电杆塔(9)之间的部分为水平布置，与接地铜板(10)平行；节点1(412)至分压器(4)之间的部分为垂直布置，与接地铜板(10)垂直；
所述编织铜带(7)分两段布置，节点2(712)至酒杯型输电杆塔(9)之间的部分为水平布置，与接地铜板(10)平行，且与电缆引线(41)的水平布置部分垂直；节点2(712)至雷电冲击模拟装置(6)之间的部分为垂直布置，与接地铜板(10)垂直；
所述绝缘支撑杆1(411)用于支撑节点1(412)至酒杯型输电杆塔(9)之间的部分电缆引线(41)；所述绝缘支撑杆2(711)用于支撑节点2(712)至酒杯型输电杆塔(9)之间的部分编织铜带(7)；
所述酒杯型输电杆塔(9)放置在接地铜板(10)上；
第二步、模拟多重雷击输电杆塔，并进行状态监测：
通过控制上位机(1)发出时序命令控制时序开关模拟器(11)中的开关1(111)、开关2(112)、开关3(113)、开关4(114)、开关5(115)、开关6(116)的开断，进而控制雷电冲击模拟装置(6)输出多重雷电流信号，分压器(4)采集酒杯型输电杆塔(9)的顶端电压并传输至雷击电压信号采集器(3)；无线电流采集器(8)采集雷电流信号并无线传输至无线接收模块(2)；最终上位机接收无线接收模块(2)接收的雷电流信号以及雷击电压信号采集器(3)采集的雷电压信号；
第三步、进行输电杆塔的状态评价因子计算，由下式计算杆塔的一级状态评价因子：
Figure FDA0003028006700000021
式(1)中，i表示第i重雷击，Ui(t)为采集的第i重雷击的雷电压信号，Ii(t)为采集的第i重雷击的雷电流信号，
Figure FDA0003028006700000022
为Ui(t)与Ii(t)比值的绝对值的最大值，t为时间变量；e为自然对数的底数；D为酒杯型输电杆塔(9)的下跟开，H为酒杯型输电杆塔(9)的高度，r1为酒杯型输电杆塔(9)的顶部宽度的一半，r2为酒杯型输电杆塔(9)的中部宽度的一半，h1为酒杯型输电杆塔(9)顶部至中部的垂直距离，h2为酒杯型输电杆塔(9)中部至接地铜板(10)的垂直距离；w1为二级评价权重因子1，w2为二级评价权重因子2，Ev为杆塔的一级状态评价因子，n为多重雷击的重数，pi为第i重雷击的权重因子；
第四步、依据杆塔的一级状态评价因子，对输电杆塔进行安全风险测评：
若Ev∈(0,1.822)∪(5.296,+∞)，则判定杆塔为存在严重故障；若Ev∈[1.822,2.34]∪[3.241,5.296]，则判定杆塔存在轻微故障；若Ev∈(2.34,3.241)，则杆塔为正常状态。
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