CN113312682B - 考虑风力发电机屏蔽作用的集电线路绕击闪络率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑风力发电机屏蔽作用的集电线路绕击闪络率计算方法，属于风电场集电线路雷电防护领域。所述方法首先获取风电场集电线路的相关地形参数和线路参数以及风力发电机的结构数据，然后计算风力发电机的雷击保护半径，根据计算结果判断集电线路是否处于风力发电机的屏蔽范围内，对未被风力发电机屏蔽的集电线路部分采用三维电气几何模型计算绕击闪络率，最后分析高海拔山区风电场集电线路雷电绕击的闪络率。本发明在计算集电线路直击雷的绕击闪络率时，考虑了集电线路所处海拔高度以及风力发电机屏蔽作用的影响，使得风电场集电线路绕击闪络率的计算结果更加准确。

Description

考虑风力发电机屏蔽作用的集电线路绕击闪络率计算方法

技术领域

本发明属于风电场集电线路雷电防护领域，具体涉及一种考虑风力发电机屏蔽作用的集电线路绕击闪络率计算方法。

背景技术

风电场35kV集电线路是风电场的重要输电通道，当集电线路因故障跳闸时，会造成整条线路上风电机组的停运，对风电场的正常生产以及运行维护都会产生重大的影响。

雷击架空输电线路引起的停运是我国输电线路的主要事故之一。2005-2010年国家电网公司线路雷击跳闸次数逐年增加，各年雷击跳闸次数约占总跳闸次数的40％，因此，对集电线路进行雷电绕击闪络率的计算，加强集电线路雷击保护，具有十分重要的现实意义。

目前，对于风电场集电线路雷电绕击闪络率的计算通常采用规程法或者电气几何模型法。规程法认为雷电绕过避雷线直击导线的概率与线路的参数有关；电气几何模型是将雷电的放电特性与线路的尺寸结构联系起来的几何分析方法，但是风电场集电线路大都架设于风力发电机附近，在遭受雷击过程中，风力发电机对于附近集电线路具有屏蔽作用，以上方法都未考虑风力发电机对集电线路雷电绕击闪络率的影响。

因此，需要提出一种可考虑风力发电机屏蔽作用的集电线路雷电绕击闪络率的计算方法，帮助风电场运维部门提高雷击故障的分析水平，加强集电线路的雷电防护。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对我国风电场雷击闪络率相对较高，采用传统的电气几何模型计算绕击闪络率未考虑风力发电机屏蔽作用对集电线路绕击闪络率影响这一现状，从而导致计算结果与实际的历史雷击跳闸次数存在一定偏差的问题。本文在考虑风力发电机对线路屏蔽作用的基础上，并基于杆塔不同位置分别计算集电线路绕击闪络率，完成对集电线路绕击闪络率影响因素的定量分析，并与实际风电场集电线路绕击跳闸故障数据进行对比分析，验证本文提出的绕击闪络率计算分析方法的准确性。

本发明的目的是这样实现的，本发明提出了一种考虑风力发电机屏蔽作用的集电线路绕击闪络率计算方法，包括以下步骤：

步骤1，对风电场集电线路内的杆塔进行编号、进行基本参数的采集和雷电流幅值范围的设定；

设需要估算的任一个风电场集电线路所在的区域为U，在区域U内对杆塔进行编号，设区域U中的任一个杆塔为杆塔T_m，m为区域U内的杆塔按照排列进行编号的顺序号，m为正整数；

采集区域U内的风电场集电线路的基本参数，所述基本参数包括杆塔高度尺寸参数、导线参数、避雷线参数、雷电参数和绝缘子闪络电压参数；

根据已知的观测数据，首先将需要估计的雷电流幅值范围记为雷电流幅值范围A，A＝0～300kA；然后将雷电流幅值范围A等分为n个区间，令每个区间起始处的雷电流幅值作为该区间评估点的雷电流幅值，得到n个区间评估点的雷电流幅值，在n个区间中任取一个区间，并将该区间评估点的雷电流幅值记为雷电流幅值I_j，j＝1，2...n；最后将n个区间评估点的雷电流幅值组成一个雷电流幅值的集合，记为集合I，I＝{I₁，I₂......I_j......I_n}；

步骤2，进行二级区段的设定，并进行导线对地高度和避雷线对地高度的计算；

步骤2.1，进行二级区段的设定；

将杆塔T_m与杆塔T_m+1之间的区间定义为后一级区段，在后一级区段内，将杆塔T_m与杆塔T_m+1之间的水平距离按长度1米等分得到K₁个后二级区段，将该其中的任意一个记为后二级区段Bh，h＝1，2……K₁，且序号h的增大方向为自杆塔T_m向杆塔T_m+1的方向；将K₁个后二级区段的集合记成集合B，集合令集合B内每一个后二级区段终点处的海拔高度为该后二级区段的海拔高度，对集合B内的每一个后二级区段的海拔高度进行测量，得到K₁个后二级区段海拔高度的集合H_B，其中，为后二级区段B_h的海拔高度；

将杆塔T_m与杆塔T_m-1之间的区间定义为前一级区段，在前级一区段内，将杆塔T_m与杆塔T_m-1杆塔之间的水平距离按长度1米等分得到K₂个前二级区段，并将其中的任意一个记为前二级区段C_γ，γ＝1，2……K₂，且序号γ的增大方向为自杆塔T_m向杆塔T_m-1的方向；将K₂个前二级区段的集合记成集合C，集合K₂≠K₁；令集合C内每一个前二级区段终点处的海拔高度为该前二级区段的海拔高度，对集合C内的每一个前二级区段的海拔高度进行测量，得到前一级区段内K₂个前二级区段海拔高度的集合H_C，其中，为前二级区段C_γ的海拔高度；

步骤2.2，计算后导线对地高度L_Bh和前导线对地高度

令后二级区段B_h中的导线的中点为点O，点O处导线的对地垂直高度记为后导线对地高度L_Bh，后导线对地高度L_Bh的计算式如下：

式中，H_m为杆塔T_m的海拔高度，H_C为杆塔T_m上导线悬挂点的对地垂直距离，f_O为点O处的导线弧垂，D₁为点O到杆塔T_m的直线水平距离，α1为杆塔T_m和杆塔T_m+1之间的高差角，H_O为点O处对应的地面海拔高度；

其中，点O处的导线弧垂f_O的计算公式如下：

式中：g₁为导线比载，σ₁为导线最大应力；

令前二级区段C_γ中的导线的中点为点Q，点Q处导线的对地垂直高度记为前导线对地高度前导线对地高度的计算式如下：

式中，f_Q为点Q处的导线弧垂，D₂为点Q到杆塔T_m的直线水平距离，α2为杆塔T_m和杆塔编号T_m-1之间的高差角，H_Q为点Q对应的地面海拔高度；

其中，点Q处的导线弧垂f_Q的计算公式如下：

步骤2.3，计算后避雷线对地高度和前避雷线对地高度

令后二级区段B_h中的避雷线的中点为点S，点S处避雷线的对地垂直高度记为后避雷线对地高度后避雷线对地高度的计算公式如下：

式中，H_G为杆塔T_m上避雷线悬挂点的对地垂直距离，f_S为在点S处的避雷线弧垂，E₁为点S到杆塔T_m的直线水平距离，H_S为点S处对应的地面海拔高度；

其中，点S处的避雷线弧垂f_S的计算公式如下：

式中：g₂为避雷线比载，σ₂为避雷线最大应力；

令前二级区段C_γ中的避雷线的中点为点X，点X处避雷线的对地垂直高度记为前避雷线对地高度前避雷线对地高度的计算式如下：

式中，f_X为点X处的避雷线弧垂，E₂为点X到杆塔T_m的直线水平距离，H_X为点X对应的地面海拔高度；

其中，点X处的避雷线弧垂f_X的计算公式如下：

步骤3，考虑海拔高度的影响，对杆塔T_m的绝缘子雷电冲击50％放电电压U_50％进行修正，得到修正过的绝缘子雷电冲击50％放电电压U1_50％，

式中，K_a为修正系数，q为海拔高度修正因子，本发明中，取修正因子为1.0；

步骤4，计算后二级区段B_h的风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平计算前二级区段C_γ的风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平

步骤4.1，计算后二级区段B_h的风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平计算式如下：

其中，为前二级区段的风电场集电线路最大击矩，计算式如下：

式中：

θ₀₁是后二级区段Bh的保护角，L₁为从杆塔T_m的导线到避雷线的水平横担距离；

F是第一中间变量，F＝k_h ²-sin²(θ₀₁)，其中，k_h是在后二级区段B_h的击距系数，计算式如下：

当

当k_h＝0.55；

G1是第二中间变量，

步骤4.2，计算前二级区段C_γ的风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平计算式如下：

其中，为前二级区段的风电场集电线路最大击矩，计算式如下：

式中：

θ₀₂是在前二级区段C_γ的保护角，

F2是第三中间变量，F2＝k_γ ²-sin²(θ₀₂)，k_γ是在前二级区段C_γ的击距系数，，计算式如下：

当

当k_γ＝0.55；

G2是第四中间变量，

步骤5，判断在雷电流幅值为I_j时，风力发电机对集电线路的屏蔽范围；

步骤5.1，选取距离杆塔T_m水平距离最近的风力发电机W，记为风力发电机W，收集风力发电机W的基本参数，包括风力发电机W的整机高度H_W、所处海拔高度高度H_A；

使用滚球法计算风力发电机W在雷电流幅值为I_j时对于集电线路的雷击保护半径

步骤5.2，判断在雷电流幅值为I_j时，风力发电机W是否对后二级区段B_h有屏蔽作用并计算屏蔽范围大小，具体的，记后二级区段B_h与风力发电机W的水平距离为

若则后二级区段B_h被风力发电机W屏蔽，不会遭受雷击；

若则后二级区段B_h未被风力发电机W屏蔽；

步骤5.3，判断在雷电流幅值为I_j时，风力发电机W是否对前二级区段C_γ有屏蔽作用并计算屏蔽范围大小，具体的，记前二级区段C_γ与风力发电机W的水平距离为

若则前二级区段C_γ被风力发电机W屏蔽，不会遭受雷击；

若则前二级区段C_γ未被风力发电机W屏蔽；

步骤6，在雷电流幅值为I_j、且考虑风力发电机W屏蔽作用的前提下，计算集电线路在后二级区段B_h发生的雷电绕击闪络次数集电线路在前二级区段C_γ发生的雷电绕击闪络率

步骤6.1，雷电绕击闪络次数的计算如下：

若后二级区段B_h被风力发电机W屏蔽，

若后二级区段B_h未被风力发电机W屏蔽，

式中：

l_G1为后二级区段B_h的集电线路导线的暴露弧在大地上的水平投影；

N_g为地面落雷密度，T_d为年雷暴日数；

P()为雷电流幅值分布概率函数，即雷电流幅值超过I_j的雷电流出现的概率，P(I_j+1)为雷电流幅值超过(I_j+1)的雷电流出现的概率；

步骤6.2，雷电绕击闪络次数的计算如下：

若前二级区段C_γ被风力发电机W屏蔽，

若前二级区段C_γ未被风力发电机W屏蔽，

式中：

l_G2为前二级区段C_γ的集电线路导线的暴露弧在大地上的水平投影；

步骤7，计算雷电流幅值为I_j时，考虑风力发电机W屏蔽作用的集电线路在集合B’部分的绕击闪络率和集合C’部分的绕击闪络率

步骤7.1，在后一级区段的集合中截取包括的前半部分组成一个新的集合B’，

对集合B’中的每一个后二级区段，按照步骤6.1的方法进行计算，得到个与雷电流幅值为I_j对应的绕击闪络率然后通过该个与雷电流幅值为I_j对应的绕击闪络率计算得到雷电流幅值为I_j时，集电线路在集合B’部分的绕击闪络率，并记为集合B’部分的绕击闪络率计算式如下：

步骤7.2，在前一级区段的集合中截取包括的前半部分组成一个新的集合C’，

对集合C’中的每一个前二级区段，按照步骤6.2的方法进行计算，得到个与雷电流幅值为Ij对应的绕击闪络率然后通过该个与雷电流幅值为I_j对应的绕击闪络率计算得到雷电流幅值为I_j时，集电线路在集合C’部分的绕击闪络率，并记为集合C’部分的绕击闪络率计算式如下：

步骤8，计算考虑风力发电机屏蔽作用的集电线路绕击闪络率S；

步骤8.1，从雷电流幅值范围A中分解出雷电流幅值为的雷电流幅值范围A1，设雷电流幅值范围A1内共包含n1个区间，n1≤n；对雷电流幅值范围A1中的每一个区间，逐个区间计算集合B’部分的绕击闪络率得到n1个集合B’部分的绕击闪络率然后进行积分得到雷电流幅值范围A1对应的集电线路B’部分的绕击闪络次数S_B，计算式如下：

步骤8.2，从雷电流幅值范围A中分解出雷电流幅值为的雷电流幅值范围A2，设雷电流幅值范围A2内共包含n2个区间，n2≤n；对雷电流幅值范围A2中的每一个区间，逐个区间计算集合C’部分的绕击闪络率得到n1个集合集合C’部分的绕击闪络率然后进行积分得到雷电流幅值范围A2对应的集电线路C’部分的绕击闪络次数S_C；计算方式如下：

步骤8.3，计算考虑风力发电机屏蔽作用下的集电线路绕击闪络率S，计算式如下：

S＝S_B+S_C。

优选地，所述雷击保护半径r_Wj的计算式如下：

当L_Bh+H_o≤H_A时，

当L_Bh+H_o＞H_A时，

其中，r_j为风力发电机击距，

优选地，后二级区段B_h的集电线路导线的暴露弧在大地上的水平投影l_G1的计算式如下；

其中，

r_c1为后二级区段B_h雷电流幅值I_j逐渐增加时的集电线路导线击距，r_c1＝10I_j ^0.65；

r_g1为后二级区段B_h雷电流幅值I_j逐渐增加时的集电线路大地击距，r_g1＝k_hr_c1；

所述暴露弧的获取方式为：以避雷线的中点为圆心、以导线击距r_c1为半径做避雷线圆弧，以导线的中点为圆心、以导线击距r_c1为半径做导线圆弧，以大地击距r_g1为高度做水平线，使导线圆弧和水平线相交得到点a、导线圆弧与避雷线圆弧相交得到点b，点a和点b形成暴露弧

优选地，前二级区段C_γ的集电线路导线的暴露弧在大地上的水平投影l_G2的计算式如下：

其中，

r_c2为前二级区段C_γ雷电流幅值I_j逐渐增加时的集电线路导线击距，r_c2＝10I_j ^0.65；

r_g2为前二级区段C_γ雷电流幅值I_j逐渐增加时的集电线路大地击距r_g2，r_g2＝k_γr_c2；

所述暴露弧的获取方式为：以避雷线的中点为圆心、以导线击距r_c2为半径做避雷线圆弧，以导线的中点为圆心、以导线击距r_c2为半径做导线圆弧，以大地击距r_g2为高度做水平线，使导线圆弧和水平线相交得到点c、导线圆弧与避雷线圆弧相交得到点d，点c和点d形成暴露弧

与现有的计算方法相比，本发明的有益效果如下：

1、考虑了风电场所处的高海拔山区地形高度差异性，采用三维电气几何模型计算方法对风电场集电线路绕击闪络率的计算更加准确。

2、考虑了集电线路所处风电场的复杂环境，去除了风力发电机屏蔽作用对集电线路雷电绕击闪络率计算的影响，使得集电线路绕击闪络率的计算更加准确。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2考虑地形作用下沿档距方向的海拔高度及任一点导线对地高度示意图。

图3为风力发电机雷击保护半径的示意图。

图4为本发明中考虑地形情况下的三维电气几何模型图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对对本发明进行详细的说明

图1是本发明的流程图。由该图可见，本发明的计算方法包括以下步骤：

步骤1，对风电场集电线路内的杆塔进行编号、进行基本参数的采集和雷电流幅值范围的设定。

设需要估算的任一个风电场集电线路所在的区域为U，在区域U内对杆塔进行编号，设区域U中的任一个杆塔为杆塔T_m，m为区域U内的杆塔按照排列进行编号的顺序号，m为正整数。

采集区域U内的风电场集电线路的基本参数，所述基本参数包括杆塔高度尺寸参数、导线参数、避雷线参数、雷电参数和绝缘子闪络电压参数。

根据已知的观测数据，首先将需要估计的雷电流幅值范围记为雷电流幅值范围A，A＝0～300kA；然后将雷电流幅值范围A等分为n个区间，令每个区间起始处的雷电流幅值作为该区间评估点的雷电流幅值，得到n个区间评估点的雷电流幅值，在n个区间中任取一个区间，并将该区间评估点的雷电流幅值记为雷电流幅值I_j，j＝1，2...n；最后将n个区间评估点的雷电流幅值组成一个雷电流幅值的集合，记为集合I，I＝{I₁，I₂.......I_j......I_n}。

在本实施例中n＝1000～2000。

步骤2，进行二级区段的设定，并进行导线对地高度和避雷线对地高度的计算。即建立考虑地形情况下的三维电气模型，图3为本发明中考虑地形情况下的三维电气几何模型图。

步骤2.1，进行二级区段的设定。

将杆塔T_m与杆塔T_m+1之间的区间定义为后一级区段，在后一级区段内，将杆塔T_m与杆塔T_m+1之间的水平距离按长度1米等分得到K₁个后二级区段，将该其中的任意一个记为后二级区段B_h，h＝1，2……K₁，且序号h的增大方向为自杆塔T_m向杆塔T_m+1的方向；将K₁个后二级区段的集合记成集合B，集合令集合B内每一个后二级区段终点处的海拔高度为该后二级区段的海拔高度，对集合B内的每一个后二级区段的海拔高度进行测量，得到K₁个后二级区段海拔高度的集合H_B，其中，为后二级区段B_h的海拔高度。

将杆塔T_m与杆塔T_m-1之间的区间定义为前一级区段，在前级一区段内，将杆塔T_m与杆塔T_m-1杆塔之间的水平距离按长度1米等分得到K₂个前二级区段，并将其中的任意一个记为前二级区段C_γ，γ＝1，2……K₂，且序号γ的增大方向为自杆塔T_m向杆塔T_m-1的方向。将K₂个前二级区段的集合记成集合C，集合K₂≠K₁；令集合C内每一个前二级区段终点处的海拔高度为该前二级区段的海拔高度，对集合C内的每一个前二级区段的海拔高度进行测量，得到前一级区段内K₂个前二级区段海拔高度的集合H_C，其中，为前二级区段C_γ的海拔高度。

步骤2.2，计算后导线对地高度L_Bh和前导线对地高度

令后二级区段B_h中的导线的中点为点O，点O处导线的对地垂直高度记为后导线对地高度L_Bh，后导线对地高度L_Bh的计算式如下：

式中，H_m为杆塔T_m的海拔高度，H_C为杆塔T_m上导线悬挂点的对地垂直距离，f_O为点O处的导线弧垂，D₁为点O到杆塔T_m的直线水平距离，α1为杆塔T_m和杆塔T_m+1之间的高差角，H_O为点O处对应的地面海拔高度。

其中，点O处的导线弧垂f_O的计算公式如下：

式中：g₁为导线比载，σ₁为导线最大应力。

令前二级区段C_γ中的导线的中点为点Q，点Q处导线的对地垂直高度记为前导线对地高度前导线对地高度的计算式如下：

式中，f_Q为点Q处的导线弧垂，D₂为点Q到杆塔T_m的直线水平距离，α2为杆塔T_m和杆塔编号T_m-1之间的高差角，H_Q为点Q对应的地面海拔高度。

其中，点Q处的导线弧垂f_Q的计算公式如下：

步骤2.3，计算后避雷线对地高度和前避雷线对地高度

令后二级区段B_h中的避雷线的中点为点S，点S处避雷线的对地垂直高度记为后避雷线对地高度后避雷线对地高度的计算公式如下：

式中，H_G为杆塔T_m上避雷线悬挂点的对地垂直距离，f_S为在点S处的避雷线弧垂，E₁为点S到杆塔T_m的直线水平距离，H_S为点S处对应的地面海拔高度。

其中，点S处的避雷线弧垂f_S的计算公式如下：

式中：g₂为避雷线比载，σ₂为避雷线最大应力。

令前二级区段C_γ中的避雷线中点为点X，点X处避雷线的对地垂直高度记为前避雷线对地高度前避雷线对地高度的计算式如下：

式中，f_X为点X处的避雷线弧垂，E₂为点X到杆塔T_m的直线水平距离，H_X为点X对应的地面海拔高度。

其中，点X处的避雷线弧垂f_X的计算公式如下：

图2考虑地形作用下沿档距方向的海拔高度及任一点导线对地高度示意图。由图2、图3可见前一级区段和后一级区段中二级区段的分段及导线、避雷线的状态。

步骤3，考虑海拔高度的影响，对杆塔T_m的绝缘子雷电冲击50％放电电压U_50％进行修正，得到修正过的绝缘子雷电冲击50％放电电压U1_50％，

式中，K_a为修正系数，q为海拔高度修正因子，本发明中，取q为1.0。

在本实施例中取U1_50％＝380kV。

步骤4，计算后二级区段B_h的风电场集电线路最小反击耐雷水平和风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平计算前二级区段C_γ的风电场集电线路最小反击耐雷水平和风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平

步骤4.1，计算后二级区段B_h的风电场集电线路最小反击耐雷水平和前二级区段C_γ中的风电场集电线路最小反击耐雷水平计算式分别如下：

式中，k_m为考虑冲击电晕影响的耦合系数，β_m为杆塔T_m的杆塔分流系数；R_m为杆塔T_m的冲击接地电阻；为杆塔T_m横担高度；V_m为杆塔总电感；为导线、地线间的几何耦合系数。

步骤4.2，计算后二级区段B_h的风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平计算式如下：

其中，为后二级区段的风电场集电线路最大击矩，计算式如下：

式中：

θ₀₁是在后二级区段B_h的保护角，L₁为从杆塔T_m的导线到避雷线的水平横担距离。

F是第一中间变量，F＝k_h ²-sin²(θ₀)，其中，k_h是在后二级区段B_h的击距系数，计算式如下：

当

当k_h＝0.55。

G1是第二中间变量，

步骤4.3，计算前二级区段C_γ的风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平计算式如下：

其中，为前二级区段的风电场集电线路最大击矩，计算式如下：

式中：

θ₀₂是在前二级区段C_γ的保护角，

F2是第三中间变量，F2＝k_γ ²-sin²(θ₀₂)，k_γ是在前二级区段C_γ的击距系数，，计算式如下：

当

当k_γ＝0.55。

G2是第四中间变量，

步骤5，判断在雷电流幅值为I_j时，风力发电机对集电线路的屏蔽范围。

步骤5.1，选取距离杆塔T_m水平距离最近的风力发电机W，记为风力发电机W，收集风力发电机W的基本参数，包括风力发电机W的整机高度H_W、所处海拔高度高度H_A；

使用滚球法计算风力发电机W在雷电流幅值为I_j时对于集电线路的雷击保护半径具体计算如下：

当L_Bh+H_o≤H_A时，

当L_Bh+H_o＞H_A时，

其中，r_j为风力发电机击距，

风力发电机的雷击保护半径示意图见图3。

步骤5.2，判断在雷电流幅值为I_j时，风力发电机W是否对后二级区段B_h有屏蔽作用并计算屏蔽范围大小，具体的，记后二级区段B_h与风力发电机W的水平距离为

若则后二级区段B_h被风力发电机W屏蔽，不会遭受雷击；

若则后二级区段B_h未被风力发电机W屏蔽。

步骤5.3，判断在雷电流幅值为I_j时，风力发电机W是否对前二级区段C_γ有屏蔽作用并计算屏蔽范围大小，具体的，记前二级区段C_γ与风力发电机W的水平距离为

若则前二级区段C_γ被风力发电机W屏蔽，不会遭受雷击；

若则前二级区段C_γ未被风力发电机W屏蔽。

步骤6，在雷电流幅值为I_j、且考虑风力发电机W屏蔽作用的前提下，计算集电线路在后二级区段B_h发生的雷电绕击闪络次数集电线路在前二级区段C_γ发生的雷电绕击闪络率

步骤6.1，雷电绕击闪络次数的计算如下：

若后二级区段B_h被风力发电机W屏蔽，

若后二级区段B_h未被风力发电机W屏蔽，

式中：

l_G1为后二级区段B_h的集电线路导线的暴露弧在大地上的水平投影；

N_g为地面落雷密度，T_d为年雷暴日数，在本实施例中，T_d为40天。

P()为雷电流幅值分布概率函数，即雷电流幅值超过I_j的雷电流出现的概率，P(I_j+1)为雷电流幅值超过(I_j+1)的雷电流出现的概率；

步骤6.2，雷电绕击闪络次数的计算如下：

若前二级区段C_γ被风力发电机W屏蔽，

若前二级区段C_γ未被风力发电机W屏蔽，

式中：

l_G2为前二级区段C_γ的集电线路导线的暴露弧在大地上的水平投影。

步骤7，计算雷电流幅值为I_j时，考虑风力发电机W屏蔽作用的集电线路在集合B’部分的绕击闪络率和集合C’部分的绕击闪络率

步骤7.1，在后一级区段的集合中截取包括的前半部分组成一个新的集合B’，

对集合B’中的每一个后二级区段，按照步骤6.1的方法进行计算，得到个与雷电流幅值为Ij对应的绕击闪络率然后通过该个与雷电流幅值为Ij对应的绕击闪络率计算得到雷电流幅值为Ij时，集电线路在集合B’部分的绕击闪络率，并记为集合B’部分的绕击闪络率计算式如下：

步骤7.2，在前一级区段的集合中截取包括的前半部分组成一个新的集合C’，

对集合C’中的每一个前二级区段，按照步骤6.2的方法进行计算，得到个与雷电流幅值为I_j对应的绕击闪络率然后通过该个与雷电流幅值为I_j对应的绕击闪络率计算得到雷电流幅值为I_j时，集电线路在集合C’部分的绕击闪络率，并记为集合C’部分的绕击闪络率计算式如下：

步骤8，计算考虑风力发电机屏蔽作用的集电线路绕击闪络率S。

步骤8.1，从雷电流幅值范围A中分解出雷电流幅值为的雷电流幅值范围A1，设雷电流幅值范围A1内共包含n1个区间，n1≤n；对雷电流幅值范围A1中的每一个区间，逐个区间计算集合B’部分的绕击闪络率得到n1个集合B’部分的绕击闪络率然后进行积分得到雷电流幅值范围A1对应的集电线路B’部分的绕击闪络次数S_B，计算式如下：

步骤8.2，从雷电流幅值范围A中分解出雷电流幅值为的雷电流幅值范围A2，设雷电流幅值范围A2内共包含n2个区间，n2≤n；对雷电流幅值范围A2中的每一个区间，逐个区间计算集合C’部分的绕击闪络率得到n1个集合集合C’部分的绕击闪络率然后进行积分得到雷电流幅值范围A2对应的集电线路C’部分的绕击闪络次数S_C；计算方式如下：

步骤8.3，计算考虑风力发电机屏蔽作用下的集电线路绕击闪络率S，计算式如下：

S＝S_B+S_C。

在步骤6中的后二级区段B_h的集电线路导线的暴露弧在大地上的水平投影l_G1的计算式如下；

其中，

r_c1为后二级区段B_h雷电流幅值I_j逐渐增加时的集电线路导线击距，r_c1＝10I_j ^0.65；

r_g1为后二级区段B_h雷电流幅值I_j逐渐增加时的集电线路大地击距，r_g1＝k_hr_c1。

所述暴露弧的获取方式为：以避雷线的中点为圆心、以导线击距r_c1为半径做避雷线圆弧，以导线的中点为圆心、以导线击距r_c1为半径做导线圆弧，以大地击距r_g1为高度做水平线，使导线圆弧和水平线相交得到点a、导线圆弧与避雷线圆弧相交得到点b，点a和点b形成暴露弧

在步骤6中的前二级区段C_γ的集电线路导线的暴露弧年大地上的水平投影l_G2的计算式如下：

其中，

r_c2为前二级区段C_γ雷电流幅值I_j逐渐增加时的集电线路导线击距，r_c2＝10I_j ^0.65；

r_g2为前二级区段C_γ雷电流幅值I_j逐渐增加时的集电线路大地击距r_g2，r_g2＝k_γr_c2。

所述暴露弧的获取方式为：以避雷线的中点为圆心、以导线击距r_c2为半径做避雷线圆弧，以导线的中点为圆心、以导线击距r_c2为半径做导线圆弧，以大地击距r_g2为高度做水平线，使导线圆弧和水平线相交得到点c、导线圆弧与避雷线圆弧相交得到点d，点c和点d形成暴露弧

暴露弧的位置见图4。

在本实施例中的计算结果为：S＝1.1359次/(百公里·年)，根据风电场集电线路雷击跳闸故障信息统计数据整理并折合后，该风电场集电线路雷击闪络率为1.2158次/百公里·年。该计算结果与实际数据相比较为吻合。

由以上可见，本发明利用在输电线路绕击闪络率计算中通过平断面定位图提取地形参数，从集电线路采用的塔形结构和所处的地形入手，编制可考虑风力发电机屏蔽作用的计算程序对绕击闪络率计算分析；提出了一种考虑风力发电机屏蔽作用的集电线路绕击闪络率计算方法。

Claims (4)

1.一种考虑风力发电机屏蔽作用的集电线路绕击闪络率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对风电场集电线路内的杆塔进行编号、进行基本参数的采集和雷电流幅值范围的设定；

设需要估算的任一个风电场集电线路所在的区域为U，在区域U内对杆塔进行编号，设区域U中的任一个杆塔为杆塔T_m，m为区域U内的杆塔按照排列进行编号的顺序号，m为正整数；

采集区域U内的风电场集电线路的基本参数，所述基本参数包括杆塔高度尺寸参数、导线参数、避雷线参数、雷电参数和绝缘子闪络电压参数；

根据已知的观测数据，首先将需要估计的雷电流幅值范围记为雷电流幅值范围A，A＝0～300kA；然后将雷电流幅值范围A等分为n个区间，令每个区间起始处的雷电流幅值作为该区间评估点的雷电流幅值，得到n个区间评估点的雷电流幅值，在n个区间中任取一个区间，并将该区间评估点的雷电流幅值记为雷电流幅值I_j，j＝1，2...n；最后将n个区间评估点的雷电流幅值组成一个雷电流幅值的集合，记为集合I，I＝{I₁，I₂......I_j......I_n}；

步骤2，进行二级区段的设定，并进行导线对地高度和避雷线对地高度的计算；

步骤2.1，进行二级区段的设定；

将杆塔T_m与杆塔T_m+1之间的区间定义为后一级区段，在后一级区段内，将杆塔T_m与杆塔T_m+1之间的水平距离按长度1米等分得到K₁个后二级区段，将该其中的任意一个记为后二级区段B_h，h＝1，2……K₁，且序号h的增大方向为自杆塔T_m向杆塔T_m+1的方向；将K₁个后二级区段的集合记成集合B，集合令集合B内每一个后二级区段终点处的海拔高度为该后二级区段的海拔高度，对集合B内的每一个后二级区段的海拔高度进行测量，得到K₁个后二级区段海拔高度的集合H_B，其中，为后二级区段B_h的海拔高度；

将杆塔T_m与杆塔T_m-1之间的区间定义为前一级区段，在前级一区段内，将杆塔T_m与杆塔T_m-1杆塔之间的水平距离按长度1米等分得到K₂个前二级区段，并将其中的任意一个记为前二级区段C_γ，γ＝1，2……K₂，且序号γ的增大方向为自杆塔T_m向杆塔T_m-1的方向；将K₂个前二级区段的集合记成集合C，集合K₂≠K₁；令集合C内每一个前二级区段终点处的海拔高度为该前二级区段的海拔高度，对集合C内的每一个前二级区段的海拔高度进行测量，得到前一级区段内K₂个前二级区段海拔高度的集合H_C，其中，为前二级区段C_γ的海拔高度；

步骤2.2，计算后导线对地高度L_Bh和前导线对地高度

令后二级区段B_h中的导线的中点为点O，点O处导线的对地垂直高度记为后导线对地高度L_Bh，后导线对地高度L_Bh的计算式如下：

式中，H_m为杆塔T_m的海拔高度，H_C为杆塔T_m上导线悬挂点的对地垂直距离，f_O为点O处的导线弧垂，D₁为点O到杆塔T_m的直线水平距离，α1为杆塔T_m和杆塔T_m+1之间的高差角，H_o为点O处对应的地面海拔高度；

其中，点O处的导线弧垂f_O的计算公式如下：

式中：g₁为导线比载，σ₁为导线最大应力；

令前二级区段C_γ中的导线的中点为点Q，点Q处导线的对地垂直高度记为前导线对地高度前导线对地高度的计算式如下：

式中，f_Q为点Q处的导线弧垂，D₂为点Q到杆塔T_m的直线水平距离，α2为杆塔T_m和杆塔编号T_m-1之间的高差角，H_Q为点Q对应的地面海拔高度；

其中，点Q处的导线弧垂f_Q的计算公式如下：

步骤2.3，计算后避雷线对地高度和前避雷线对地高度

令后二级区段B_h中的避雷线的中点为点S，点S处避雷线的对地垂直高度记为后避雷线对地高度后避雷线对地高度的计算公式如下：

式中，H_G为杆塔T_m上避雷线悬挂点的对地垂直距离，f_S为在点S处的避雷线弧垂，E₁为点S到杆塔T_m的直线水平距离，H_S为点S处对应的地面海拔高度；

其中，点S处的避雷线弧垂f_S的计算公式如下：

式中：g₂为避雷线比载，σ₂为避雷线最大应力；

令前二级区段C_γ中的避雷线的中点为点X，点X处避雷线的对地垂直高度记为前避雷线对地高度前避雷线对地高度G_Cγ的计算式如下：

G_cγ＝H_m+H_G-f_X-E₂×tanα2-H_X

式中，f_X为点X处的避雷线弧垂，E₂为点X到杆塔T_m的直线水平距离，H_X为点X对应的地面海拔高度；

其中，点X处的避雷线弧垂f_X的计算公式如下：

步骤3，考虑海拔高度的影响，对杆塔T_m的绝缘子雷电冲击50％放电电压U_50％进行修正，得到修正过的绝缘子雷电冲击50％放电电压U1_50％，

式中，K_a为修正系数，q为海拔高度修正因子，取修正因子为1.0；

步骤4，计算后二级区段B_h的风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平计算前二级区段C_γ的风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平

步骤4.1，计算后二级区段B_h的风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平计算式如下：

其中，为前二级区段的风电场集电线路最大击矩，计算式如下：

式中：

θ₀₁是后二级区段B_h的保护角，L₁为从杆塔T_m的导线到避雷线的水平横担距离；

F是第一中间变量，F＝k_h ²-sin²(θ₀₁)，其中，k_h是在后二级区段B_h的击距系数，计算式如下：

当

当k_h＝0.55；

G1是第二中间变量，

步骤4.2，计算前二级区段C_γ的风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平计算式如下：

其中，为前二级区段的风电场集电线路最大击矩，计算式如下：

式中：

θ₀₂是在前二级区段C_γ的保护角，

F2是第三中间变量，F2＝k_γ ²-sin²(θ₀₂)，k_γ是在前二级区段C_γ的击距系数，计算式如下：

当

当k_γ＝0.55；

G2是第四中间变量，

步骤5，判断在雷电流幅值为I_j时，风力发电机对集电线路的屏蔽范围；

步骤5.1，选取距离杆塔T_m水平距离最近的风力发电机W，记为风力发电机W，收集风力发电机W的基本参数，包括风力发电机W的整机高度H_W、所处海拔高度高度H_A；

使用滚球法计算风力发电机W在雷电流幅值为I_j时对于集电线路的雷击保护半径

步骤5.2，判断在雷电流幅值为I_j时，风力发电机W是否对后二级区段B_h有屏蔽作用并计算屏蔽范围大小，具体的，记后二级区段B_h与风力发电机W的水平距离为

若则后二级区段B_h被风力发电机W屏蔽，不会遭受雷击；

若则后二级区段B_h未被风力发电机W屏蔽；

步骤5.3，判断在雷电流幅值为I_j时，风力发电机W是否对前二级区段C_γ有屏蔽作用并计算屏蔽范围大小，具体的，记前二级区段C_γ与风力发电机W的水平距离为

若则前二级区段C_γ被风力发电机W屏蔽，不会遭受雷击；

若则前二级区段C_γ未被风力发电机W屏蔽；

步骤6，在雷电流幅值为I_j、且考虑风力发电机W屏蔽作用的前提下，计算集电线路在后二级区段B_h发生的雷电绕击闪络次数集电线路在前二级区段C_γ发生的雷电绕击闪络率

步骤6.1，雷电绕击闪络次数的计算如下：

若后二级区段B_h被风力发电机W屏蔽，

若后二级区段B_h未被风力发电机W屏蔽，

式中：

l_G1为后二级区段B_h的集电线路导线的暴露弧在大地上的水平投影；

N_g为地面落雷密度，T_d为年雷暴日数；

P()为雷电流幅值分布概率函数，即雷电流幅值超过I_j的雷电流出现的概率，P(I_j+1)为雷电流幅值超过(I_j+1)的雷电流出现的概率；

步骤6.2，雷电绕击闪络次数的计算如下：

若前二级区段C_γ被风力发电机W屏蔽，

若前二级区段C_γ未被风力发电机W屏蔽，

式中：

l_G2为前二级区段C_γ的集电线路导线的暴露弧在大地上的水平投影；

步骤7，计算雷电流幅值为I_j时，考虑风力发电机W屏蔽作用的集电线路在集合B’部分的绕击闪络率和集合C’部分的绕击闪络率

步骤7.1，在后一级区段的集合中截取包括的前半部分组成一个新的集合B’，

对集合B’中的每一个后二级区段，按照步骤6.1的方法进行计算，得到个与雷电流幅值为I_j对应的绕击闪络率然后通过该个与雷电流幅值为I_j对应的绕击闪络率计算得到雷电流幅值为I_j时，集电线路在集合B’部分的绕击闪络率，并记为集合B’部分的绕击闪络率计算式如下：

步骤7.2，在前一级区段的集合中截取包括的前半部分组成一个新的集合C’，

对集合C’中的每一个前二级区段，按照步骤6.2的方法进行计算，得到个与雷电流幅值为I_j对应的绕击闪络率然后通过该个与雷电流幅值为I_j对应的绕击闪络率计算得到雷电流幅值为I_j时，集电线路在集合C’部分的绕击闪络率，并记为集合C’部分的绕击闪络率计算式如下：

步骤8，计算考虑风力发电机屏蔽作用的集电线路绕击闪络率S；

步骤8.1，从雷电流幅值范围A中分解出雷电流幅值为的雷电流幅值范围A1，设雷电流幅值范围A1内共包含n1个区间，n1≤n；对雷电流幅值范围A1中的每一个区间，逐个区间计算集合B’部分的绕击闪络率得到n1个集合B’部分的绕击闪络率然后进行积分得到雷电流幅值范围A1对应的集电线路B’部分的绕击闪络次数S_B，计算式如下：

步骤8.2，从雷电流幅值范围A中分解出雷电流幅值为的雷电流幅值范围A2，设雷电流幅值范围A2内共包含n2个区间，n2≤n；对雷电流幅值范围A2中的每一个区间，逐个区间计算集合C’部分的绕击闪络率得到n1个集合集合C’部分的绕击闪络率然后进行积分得到雷电流幅值范围A2对应的集电线路C’部分的绕击闪络次数S_C；计算方式如下：

步骤8.3，计算考虑风力发电机屏蔽作用下的集电线路绕击闪络率S，计算式如下：

S＝S_B+S_C。

2.根据权利要求1所述的一种考虑风力发电机屏蔽作用的集电线路绕击闪络率计算方法，其特征在于，所述雷击保护半径r_Wj的计算式如下：

当L_Bh+H_o≤H_A时，

当L_Bh+H_o＞H_A时，

其中，r_j为风力发电机击距，

3.根据权利要求1所述的一种考虑风力发电机屏蔽作用的集电线路绕击闪络率计算方法，其特征在于，后二级区段B_h的集电线路导线的暴露弧在大地上的水平投影l_G1的计算式如下；

其中，

r_c1为后二级区段B_h雷电流幅值I_j逐渐增加时的集电线路导线击距，r_c1＝10I_j ^0.65；

r_g1为后二级区段B_h雷电流幅值I_j逐渐增加时的集电线路大地击距，r_g1＝k_hr_c1；

所述暴露弧的获取方式为：以避雷线的中点为圆心、以导线击距r_c1为半径做避雷线圆弧，以导线的中点为圆心、以导线击距r_c1为半径做导线圆弧，以大地击距r_g1为高度做水平线，使导线圆弧和水平线相交得到点a、导线圆弧与避雷线圆弧相交得到点b，点a和点b形成暴露弧

4.根据权利要求1所述的一种高海拔山区风电场集电线路雷击闪络率的估算方法，其特征在于，前二级区段C_γ的集电线路导线的暴露弧在大地上的水平投影l_G2的计算式如下：

其中，

r_c2为前二级区段C_γ雷电流幅值I_j逐渐增加时的集电线路导线击距，r_c2＝10I_i ^0.65；

r_g2为前二级区段C_γ雷电流幅值I_j逐渐增加时的集电线路大地击距r_g2，r_g2＝k_γr_c2；

所述暴露弧的获取方式为：以避雷线的中点为圆心、以导线击距r_c2为半径做避雷线圆弧，以导线的中点为圆心、以导线击距r_c2为半径做导线圆弧，以大地击距r_g2为高度做水平线，使导线圆弧和水平线相交得到点c、导线圆弧与避雷线圆弧相交得到点d，点c和点d形成暴露弧