CN113420399A - 绝缘接头雷电感应电压计算方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了绝缘接头雷电感应电压计算方法、装置、设备及介质，所述方法包括以下步骤：1）收集线路、管道参数以及土壤电阻率参数；2）建立输电线路对管道干扰电压的频域计算模型；3）对雷电流波形进行傅里叶正变换，将时域计算转换为频域计算；4）确定土壤在不同频率下的参数；5）计算不同频率下的绝缘接头电压；6）对频域计算结果进行傅里叶反变换，得到绝缘接头的时域波形。在计算过程中，实际的土壤电阻率随频率变化，土壤电阻率和电压密切相关，本发明考虑了土壤电阻率的频变特性，使计算结果更贴近实际情况。

Description

绝缘接头雷电感应电压计算方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明属于能源工程技术领域，具体涉及一种绝缘接头雷电感应电压计算方法、装置、设备及介质。

背景技术

随着经济的发展，社会对能源的需求日益增加，但当化石能源为主的能源布局与电力消费存在地理上的逆向分布时，导致长距离的能源输送成为必然。廊道资源的紧张以及电力通道和油气管道相似的路径规划原则，使电力通道和油气管道交叉并行的情况十分普遍。大量电力通道和油气管道并行使得两者之间电磁干扰问题越来越严重，一旦管道系统因此受到破坏，会对生态环境造成严重的破坏，也可能带来重大安全生产事故。

因管道阴极保护或抑制直流接地极在管道上产生过高电压的需要，埋地油气管道上往往会安装绝缘接头，以隔离相邻的两段油气管道的电气连接。当雷电击中油气管道附近的杆塔时，在杆塔入地电流的阻性耦合作用和地线电流的感性耦合作用下，附近埋地油气管道上会感应出较高的冲击过电压，由于绝缘接头两侧的油气管道是电气隔离的，两侧的电压差会直接施加在绝缘接头上，使其承受较高的冲击电压。若绝缘接头电压过大，其绝缘可能被击穿，起不到隔离两侧管道电气连接的作用。同时绝缘接头击穿时，会有放电现象，可能引燃管道内的易燃物质，造成严重的事故。现有的计算方法虽然可以应用于绝缘接头的电压计算，但其未考虑土壤电阻率的频变特性，与实际情况出入较大，计算得到结果偏大。

发明内容

本发明针对雷击管道附近的输电线路时，提供绝缘接头雷电感应电压计算方法、装置、设备及介质，计算结果更加准确。

为达到上述目的，本发明所述绝缘接头雷电感应电压计算方法，包括以下步骤：

步骤1，收集线路参数、埋地管道参数以及工频土壤电阻率；

步骤2，根据步骤1采集的线路参数、埋地管道参数以及工频土壤电阻率，建立输电线路对管道干扰电压的频域计算模型；

步骤3，对时域雷电流波形进行傅里叶正变换，将时域计算转换为频域计算，根据频谱图选取推荐频率f₁、f₂、f₃…f_n；

步骤4，计算埋地管道所在区域的土壤在推荐频率f₁、f₂、f₃…f_n下的电阻率ρ₁、ρ₂、ρ₃…ρ_n；

步骤5，结合步骤2中的频域计算模型以及步骤4得到的不同推荐频率下的电阻率，计算推荐频率f₁、f₂、f₃…f_n下的绝缘接头电压；

步骤6，将不同推荐频率下的绝缘接头电压进行傅里叶反变换，得到绝缘接头电压的时域波形。

进一步的，步骤1中，线路参数包括：线路档距，架空线路高度，杆塔结构及其接地装置的结构；管道参数包括：管道尺寸，管道埋深，防腐层参数以及绝缘接头的位置。

进一步的，步骤3中，选取推荐频率f₁、f₂、f₃…f_n包括以下步骤：

设Y为采样函数，定义α为每个推荐频率的频宽；β为一个频率被推荐前，采样函数的函数值变化的大小；γ为最大频率范围，Π为函数最大最小值差；n为采样数；

3.1.定义起点(s)；

3.2.搜索Y，直到发现点e，满足∣Y(s)-Y(e)∣>β·Π；

3.3.计算候选频率的偏差D，D＝e-s，如果D>γ·n，候选频率被拒绝；否则保留该候选频率；

3.4.若候选频率被保留，则实际推荐频率f的计算公式为：f＝(e+s)/2；

3.5通过3.1-3.4找到所有的推荐频率，若有两个推荐频率在包含频宽后交叉，则去掉频宽大的推荐频率。

进一步的，步骤4中，电阻率计算公式为：

进一步的，步骤6完成后，检测计算结果精度是否满足要求，若满足要求则计算结束；若不满足要求，基于计算结果采用傅里叶正变换得到更多的推荐频率f_n+1、f_n+2、f_n+3…f_n+m，重复步骤4到步骤6，直到计算结果精度满足要求。

一种绝缘接头雷电感应电压计算装置，包括：

采集模块，用于采集数据，并将采集的数据传递至计算输出模块；所述数据包括电线路参数、油气管道参数、油气管道和输电线路的空间相对位置以及当地的土壤电阻率；

计算输出模块，用于采集模块采集到的数据，建立输电线路对附近管道干扰电压的频域计算模型，然后由附近管道干扰电压的频域计算模型计算埋地管道绝缘接头雷电感应电压。

一种计算机设备，包括：电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上的绝缘接头雷电感应电压计算方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实如上述绝缘接头雷电感应电压计算方法的步骤。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

(1)在计算过程中，实际的土壤电阻率随频率变化，土壤电阻率和电压密切相关，本发明考虑了土壤电阻率的频变特性，使计算结果更贴近实际情况。

(2)考虑土壤频变特性后，计算得到绝缘接头的感应电压会更低，可放宽对输电线路和油气管道之间的距离要求，使输电线路和油气管道的路径规划更为灵活。对于已建输电线路和已埋油气管道，避免因计算方法导致绝缘接头电压偏高，而进行不必要的改造，节省人力物力。

一种绝缘接头雷电感应电压计算装置，包括采集模块和计算输出模块，分别实现数据采集和计算功能，自动化程度高，操作方便。用户只需要将有关数据输入本计算装置，即可快速得出埋地管道绝缘接头雷电感应电压。

附图说明

图1为本发明的工作流程参考图；

图2为某种工况下两种计算方法计算的管道绝缘接头的电压对比图；

图3为本发明提供的感应电压计算装置的模块结构示意图；

图4为本发明提供的计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的技术解决方案是，首先建立输电线路对附近管道电磁影响的频域计算模型，然后利用时频转化的方法，对雷电流波形进行傅里叶正变换，得到一系列频率，将时域计算转换为频域计算。最后确定土壤在这些频率下的参数特性，计算在不同频率下的管道绝缘接头电压，最后通过傅里叶反变换得到绝缘接头的时域电压波形。包括以下步骤：(1)对雷电流波形进行傅里叶正变换，将时域计算转换为频域计算；(2)确定土壤在不同频率下的参数；(3)计算不同频率下的绝缘接头电压；(4)对频域计算结果进行傅里叶反变换，得到绝缘接头的时域波形；(5)检测计算精度，判断是否需要对更多的频率点进行计算；(6)绝缘接头两侧金属导体地电位升波形作差，得到绝缘接头雷电感应电压。

实施例1

参照图1，一种埋地管道绝缘接头雷电感应电压计算方法，包括以下步骤：

步骤1、收集输电线路参数和油气管道参数。输电线路信息包括线路档距，架空线路高度，杆塔结构及其接地装置的结构等信息。油气管道参数包括管道尺寸，油气管道埋深，防腐层参数以及绝缘接头的位置等信息。除此之外，还需收集油气管道和输电线路的空间相对位置以及当地的工频土壤电阻率。

步骤2、根据步骤1收集的电线路参数、油气管道参数油气管道和输电线路的空间相对位置以及当地的工频土壤电阻率建立输电线路对附近管道干扰电压的频域计算模型，考虑雷电流沿地线传播的过程中会随着档距的增大而减小，其中，雷击塔两侧可分别只建立5个档距，减小建模工作量，雷击塔为被雷击中的杆塔。

步骤3、通过傅里叶变换将雷电流在时域空间的电流波形转换为频域空间的频率谱，根据频谱图来选取用于频域计算模型的推荐频率f₁、f₂、f₃…f_n，n≥5；

推荐频率的选取方法如下：

设Y为采样函数，定义α为每个推荐频率的频宽；β为一个频率被推荐前，采样函数的函数值变化的大小；γ为最大频率范围，Π为函数最大最小值差；n为采样数；

3.1.采样函数点#1被定义为起点(s)；

3.2.搜索Y，直到发现点e，满足∣Y(s)-Y(e)∣>β·Π；

3.3.计算候选频率的偏差D＝e-s；如果D>γ·n，候选频率被拒绝；否则，保留该候选频率；

3.4.若候选频率被保留，则实际推荐频率的计算公式为：f＝(e+s)/2，该频率的宽度W＝2α·D；

3.5通过上述过程找到所有的推荐频率，若有两个推荐频率在包含频宽后交叉，则去掉频宽大的推荐频率。

步骤4、利用公式

计算土壤在推荐频率f₁、f₂、f₃…f_n下的电阻率ρ₁、ρ₂、ρ₃…ρ_n，其中，ρ₀为工频下的土壤电阻率。

步骤5、将步骤4确定的土壤电阻率，代入步骤2中的输电线路对附近管道干扰电压的频域计算模型，以计算频率f₁、f₂、f₃…f_n下的绝缘接头电压；

步骤6、将步骤5得到的不同频率下的绝缘接头电压进行傅里叶反变换，得到埋地油气管道绝缘接头因附近输电线路被雷击而产生的感应电压波形。

步骤7、检测计算结果精度是否满足要求，若满足要求则计算结束。若不满足要求，基于计算结果采用傅里叶正变换得到更多的推荐频率f_n+1、f_n+2、f_n+3…f_n+m，重复4～7，直到计算结果精度满足要求。

实施例2

一种绝缘接头雷电感应电压计算方法，包括以下步骤：

步骤1，线路参数：塔高85m，线路档距500m，地线直径1.66cm，接地装置为方框带射线结构，方框边长为15m，射线长20m，接地导体为半径1cm的钢导体。管道参数：埋深为1.5m，长度为50km，直径为406mm，壁厚6mm，防腐层的面电阻率为10⁵Ω·m²，防腐层厚度为3mm。管道与输电线路平行，距离为30m，管道的绝缘接头位于离被雷击杆塔最近的位置。土壤电阻率为1000Ω·m。

步骤2，根据以上参数建立频域计算模型；

步骤3，雷电流波形为2.6/50μs，幅值取100kA。利用傅里叶变化后得到频率：0Hz、10000Hz、20000Hz、30000Hz、40000Hz、50000Hz、70000Hz、80000Hz、90000Hz、100000Hz、150000Hz、160000Hz、180000Hz、190000Hz、240000Hz、530000Hz、620000Hz、690000Hz、720000Hz、730000Hz、750000Hz、900000Hz、1000000Hz、1450000Hz、1460000Hz、1510000Hz、1550000Hz、1670000Hz、1770000Hz、2920000Hz、4160000Hz、5840000Hz、8760000Hz、11680000Hz、14600000Hz、15510000Hz、15590000Hz、15640000Hz、15700000Hz、17520000Hz、18240000Hz、20440000Hz、20480000Hz。

步骤4，确定土壤分别在上述频率下的电阻率：1000Ω·m、932Ω·m、896Ω·m、869Ω·m、846Ω·m、826Ω·m、792Ω·m、778Ω·m、764Ω·m、752Ω·m、699Ω·m、690Ω·m、674Ω·m、666Ω·m、631Ω·m、506Ω·m、480Ω·m、463Ω·m、456Ω·m、454Ω·m、450Ω·m、420Ω·m、404Ω·m、347Ω·m、346Ω·m、341Ω·m、338Ω·m、327Ω·m、319Ω·m、252Ω·m、211Ω·m、177Ω·m、142Ω·m、121Ω·m、106Ω·m、102Ω·m、102Ω·m、102Ω·m、102Ω·m、95Ω·m、93Ω·m、87Ω·m、87Ω·m。

步骤5：计算得到绝缘接头在上述频率下的电压分别为：0V、320V、730V、1300V、1800V、2500V、3800V、4600V、5500V、6500V、18000V、23000V、15000V、10000V、7400V、24000V、41000V、74000V、89000V、89000V、87000V、56000V、32000V、15000V、15000V、16000V、16000V、20000V、27000V、15000V、350V、1300V、240V、570V、620V、320V、270V、250V、250V、420V、480V、790V、790V。

步骤6：对步骤5的计算结果进行傅里叶反变换，得到绝缘接头的时域波形。

步骤7：计算精度满足要求，绝缘接头电压峰值为8.28kV，若忽视土壤电阻率的频变特性，则计算得到的电压为12.35kV，本方法的计算结果较其下降了33％。

图2描述了不同初始土壤电阻率下，考虑与不考虑土壤电阻率频变特性的绝缘接头感应电压峰值，以及考虑土壤频变特性后绝缘接头电压峰值的降幅。以初始土壤电阻率1000Ω·Ω为例，不考虑土壤电阻率频变特性时，绝缘接头电压峰值为12.35kV，考虑土壤电阻率频变特性后，绝缘接头电压峰值为8.28kV，降低了33％。

实施例3

如图3所示，本发明提供的一种绝缘接头雷电感应电压计算装置，包括采集模块和计算输出模块；

其中，采集模块，用于采集数据，并将采集的数据传递至计算输出模块；所述数据包括电线路参数、油气管道参数、油气管道和输电线路的空间相对位置以及当地的土壤电阻率。

计算输出模块，用于采集模块采集到的数据，建立输电线路对附近管道干扰电压的频域计算模型，然后由附近管道干扰电压的频域计算模型计算埋地管道绝缘接头雷电感应电压。

实施例4

如图4所示，本发明提供的一种计算机设备，包括电连接的存储器和处理器，其中，存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的埋地管道绝缘接头雷电感应电压计算方法的步骤。

实施例5

所述绝缘接头雷电感应电压计算装置如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种绝缘接头雷电感应电压计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，收集线路参数、埋地管道参数以及工频土壤电阻率；

步骤2，根据步骤1采集的线路参数、埋地管道参数以及工频土壤电阻率，建立输电线路对管道干扰电压的频域计算模型；

步骤3，对时域雷电流波形进行傅里叶正变换，将时域计算转换为频域计算，根据频谱图选取推荐频率f₁、f₂、f₃…f_n；

步骤4，计算埋地管道所在区域的土壤在推荐频率f₁、f₂、f₃…f_n下的电阻率ρ₁、ρ₂、ρ₃…ρ_n；

步骤5，结合步骤2中的频域计算模型以及步骤4得到的不同推荐频率下的电阻率，计算推荐频率f₁、f₂、f₃…f_n下的绝缘接头电压；

步骤6，将不同推荐频率下的绝缘接头电压进行傅里叶反变换，得到绝缘接头电压的时域波形。

2.根据权利要求1所述的一种绝缘接头雷电感应电压计算方法，其特征在于，所述步骤1中，线路参数包括：线路档距，架空线路高度，杆塔结构及其接地装置的结构；管道参数包括：管道尺寸，管道埋深，防腐层参数以及绝缘接头的位置。

3.根据权利要求1所述的一种绝缘接头雷电感应电压计算方法，其特征在于，所述步骤3中，选取推荐频率f₁、f₂、f₃…f_n包括以下步骤：

设Y为采样函数，定义α为每个推荐频率的频宽；β为一个频率被推荐前，采样函数的函数值变化的大小；γ为最大频率范围，Π为函数最大最小值差；n为采样数；

3.1.定义起点(s)；

3.2.搜索Y，直到发现点e，满足∣Y(s)-Y(e)∣>β·Π；

3.3.计算候选频率的偏差D，D＝e-s，如果D>γ·n，候选频率被拒绝；否则保留该候选频率；

3.4.若候选频率被保留，则实际推荐频率f的计算公式为：f＝(e+s)/2；

3.5通过3.1-3.4找到所有的推荐频率，若有两个推荐频率在包含频宽后交叉，则去掉频宽大的推荐频率。

4.根据权利要求1所述的一种绝缘接头雷电感应电压计算方法，其特征在于，所述步骤4中，电阻率计算公式为：

5.根据权利要求1所述的一种绝缘接头雷电感应电压计算方法，其特征在于，所述步骤6完成后，检测计算结果精度是否满足要求，若满足要求则计算结束；若不满足要求，基于计算结果采用傅里叶正变换得到更多的推荐频率f_n+1、f_n+2、f_n+3…f_n+m，重复步骤4到步骤6，直到计算结果精度满足要求。

6.一种绝缘接头雷电感应电压计算装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集数据，并将采集的数据传递至计算输出模块；所述数据包括电线路参数、油气管道参数、油气管道和输电线路的空间相对位置以及当地的土壤电阻率；

计算输出模块，用于采集模块采集到的数据，建立输电线路对附近管道干扰电压的频域计算模型，然后由附近管道干扰电压的频域计算模型计算埋地管道绝缘接头雷电感应电压。

7.一种计算机设备，其特征在于，包括：电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现权利要求1-6中任意一项所述的方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。

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