CN115047253B - 基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期监测方法 - Google Patents

基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期监测方法 Download PDF

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CN115047253B CN202210686776.8A CN202210686776A CN115047253B CN 115047253 B CN115047253 B CN 115047253B CN 202210686776 A CN202210686776 A CN 202210686776A CN 115047253 B CN115047253 B CN 115047253B
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Abstract

本发明涉及基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期监测方法，包括：数据处理与控制单元依次发出指令，控制三个高压真空开关依次关闭，将辅助监测电容依次与A相、B相和C相并联，通过计算得到A相、B相和C相接入辅助监测电容后测得的三相对地总电容值CZ1、CZ2和CZ3，完成一个监测周期的监测，并计算一个监测周期内线路对地总电容；判断监测周期内得到的线路对地总电容CZT1是否在线路对地电容值范围内，如果在此范围内，则警报输出端口输出报警信号，如果不在此范围内，则继续下一个监测周期的监测。本发明能够实现对输电线路山火的早期在线监测，及时发现输电线路下发是否发生山火，并及时报警。

Description

基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期监测方法
技术领域
本发明涉及电力监测技术领域，尤其涉及一种基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期监测方法。
背景技术
山火是一种比较常见的自然或人为灾害。近年来随着我国电力资源需求的不断增长，输电线路的规模也在逐步扩大。在一些地形复杂、幅员辽阔的区域，输电线路常常需要跨越一些人迹罕至、树林茂密的地区，如果遇到山火，输电线路很容易发生掉闸现象或者其它更为严重的电力安全事故。目前国内对于山火条件下输电线路的故障特性研究并不完善，更缺乏相关的监测手段。因此，需要从山火对输电线路影响的本质出发，如何通过研究山火时产生的烟雾颗粒、高温和热对流等对输电线路对地空气间隙物理特性的影响，反衍出线路下方是否有山火发生，是目前需要考虑的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期监测方法，解决了目前对山火条件下输电线路故障特征监测手段缺乏的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期监测方法，所述早期监测方法包括：
数据处理与控制单元依次发出指令，控制高压真空开关SA、SB、SC依次关闭且每次只关闭一个高压真空开关，将辅助监测电容Cx依次与A相、B相和C相并联，通过计算得到A相、B相和C相接入辅助监测电容Cx后测得的三相对地总电容值CZ1、CZ2和CZ3，完成一个监测周期的监测；
根据公式
Figure GDA0004079124110000011
计算一个监测周期内线路对地总电容CZT1；
判断监测周期内得到的线路对地总电容CZT1是否在山火发生时因输电线路对地空气间隙介电常数变化的线路对地电容值范围内，如果在此范围内，则警报输出端口输出报警信号，如果不在此范围内，则继续下一个监测周期的监测。
所述通过计算得到A相、B相和C相接入辅助监测电容Cx后测得的三相对地总电容值CZ1、CZ2和CZ3包括：
将辅助监测电容Cx与A相并联，设定三相电源对称，根据辅助监测电容接入前的三相相电压
Figure GDA0004079124110000021
和/>
Figure GDA0004079124110000022
以及线路三相对地电容CA、CB和CC得到
Figure GDA0004079124110000023
Figure GDA0004079124110000024
进而得到中性点不对称电压/>
Figure GDA0004079124110000025
A相接入辅助监测电容后，A相相电压/>
Figure GDA0004079124110000026
满足/>
Figure GDA0004079124110000027
设定三相对地电容相等，A相相电压/>
Figure GDA0004079124110000028
模值UAN满足/>
Figure GDA0004079124110000029
其中UA为辅助监测电容接入前A相相电压模值，进而得到A相接入辅助监测电容后测得三相对地总电容值CZ1，其中j表示复数中的虚部，ω表示角频率；
将辅助监测电容Cx与A相断开并与B相并联，设定三相电源对称，根据辅助监测电容接入前的三相相电压
Figure GDA00040791241100000210
和/>
Figure GDA00040791241100000211
以及线路三相对地电容CA、CB和CC得到
Figure GDA00040791241100000212
Figure GDA00040791241100000213
进而得到中性点不对称电压/>
Figure GDA00040791241100000214
Figure GDA00040791241100000215
B相接入辅助监测电容后，B相相电压/>
Figure GDA00040791241100000216
满足
Figure GDA00040791241100000217
Figure GDA00040791241100000218
设定三相对地电容相等，B相相电压/>
Figure GDA00040791241100000219
模值UBN满足/>
Figure GDA00040791241100000220
其中UB为辅助监测电容接入前B相相电压模值，进而得到B相接入辅助监测电容后测得三相对地总电容值CZ2；
将辅助监测电容Cx与B相断开并与C相并联，设定三相电源对称，根据辅助监测电容接入前的三相相电压
Figure GDA00040791241100000221
和/>
Figure GDA00040791241100000222
以及线路三相对地电容CA、CB和CC得到
Figure GDA00040791241100000223
Figure GDA00040791241100000224
进而得到中性点不对称电压/>
Figure GDA00040791241100000225
Figure GDA00040791241100000226
C相接入辅助监测电容后，C相相电压/>
Figure GDA00040791241100000230
满足
Figure GDA00040791241100000231
Figure GDA00040791241100000227
设定三相对地电容相等，C相相电压/>
Figure GDA00040791241100000228
模值UCN满足/>
Figure GDA00040791241100000229
其中UC为辅助监测电容接入前C相相电压模值，进而得到C相接入辅助监测电容后测得三相对地总电容值CZ3。
所述早期监测方法还包括执行于数据处理与控制单元指令发出之前的线路对地电容值范围设置步骤和辅助监测电容Cx设置步骤。
所述线路对地电容值范围设置步骤包括：通过模拟不同线路高度和燃烧不同植被，获得空气间隙气固两相体介电常数变化范围，线路对地电容C满足
Figure GDA0004079124110000031
其中，εr为空气间隙气固两相体介电常数，S为线路对地等效面积，d为线路对地等效距离，k为静电力常数。
所述辅助监测电容Cx设置步骤包括：设置一个辅助监测电容CX，通过高压真空开关SA、SB和SC分别与输电线路A相、B相与C相并联，输电线路各相经过电压分压器将电压信号送入数据处理与控制单元，数据处理与控制单元通过真空开关控制单元分别控制高压真空开关SA、SB和SC的开断。
本发明具有以下优点：一种基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期监测方法，通过对输电线路下发发生山火时烟雾颗粒或气体分子的极化和空间分布对间隙的空间介电常数的影响时对地电容的变化，进而实现对输电线路山火的早期在线监测，能够及时发现输电线路下发是否发生山火，并及时报警。
附图说明
图1为本发明的电路等效示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
本发明根据在输电线路下方发生山火时，输电线路与地之间的空气间隙会产生大量的烟雾颗粒和其它气体分子，此时空气间隙内成分可看作气固两相体，这些烟雾颗粒或气体分子的极化和空间分布会影响整个间隙的空间介电常数，因此提出一种基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期在线监测方法：进行线路下方山火试验，通过模拟不同线路高度、燃烧不同植被获得空气间隙气固两相体介电常数变化范围；得到在实际线路下发生不同类型的山火时线路对地空气间隙的电容值变化范围；设置一个辅助监测电容CX，通过高压真空开关SA、SB和SC可以分别与输电线路A相、B相与C相相连；输电线路各相经电压分压器将电压信号送入数据处理与控制单元，数据处理与控制单元可通过真空开关控制单元分别控制高压真空开关SA、SB和SC的开断；数据处理与控制单元分别控制高压真空开关的开断将辅助监测电容依次并联在A相、B相与C相；依据计算方法在线监测线路对地电容(相对介电常数)的变化；依据在线监测结果与试验所得山火发生时线路对地电容变化范围做对比，若在此范围，则输出报警信号；具体包括以下内容：
步骤1)：进行线路下方山火试验，通过模拟不同线路高度、燃烧不同植被，获得空气间隙气固两相体介电常数变化范围。线路对地电容C满足公式(1)，其中εr为空气间隙气固两相体介电常数，S为线路对地等效面积，d为线路对地等效距离，k为静电力常数。
Figure GDA0004079124110000041
由公式1可得在实际线路下发生不同类型的山火时线路对地空气间隙的电容值变化范围。
步骤2)，如图1所示，设置一个辅助监测电容CX，通过高压真空开关SA、SB和SC可以分别与输电线路A相、B相与C相相连。输电线路各相经电压分压器将电压信号送入数据处理与控制单元，数据处理与控制单元可通过真空开关控制单元分别控制高压真空开关SA、SB和SC的开断。
步骤3)数据处理与控制单元发出指令，合上SA开关将辅助监测电容CX并上A相。假定三相电源对称，则有公式(2)和公式(3)，其中
Figure GDA0004079124110000042
是中性点不对称电压，/>
Figure GDA0004079124110000043
和/>
Figure GDA0004079124110000044
是辅助监测电容接入前三相相电压，CA、CB和CC是线路三相对地电容。
Figure GDA0004079124110000045
Figure GDA0004079124110000046
A相接入辅助监测电容后，A相相电压
Figure GDA00040791241100000412
满足公式4。假设三相对地电容相等，A相相电压/>
Figure GDA00040791241100000411
模值UAN满足公式(5)，其中UA为辅助监测电容接入前A相相电压模值。进而得到A相接入辅助监测电容后测得三相对地总电容值CZ1，其中j表示复数中的虚部，ω表示角频率。
Figure GDA0004079124110000047
Figure GDA0004079124110000048
Figure GDA0004079124110000049
在数据处理与控制单元下达闭合开关SA指令之前，通过电压分压器测得A相相电压模值UA。开关SA闭合之后，通过电压分压器测得A相相电压模值UAN。代入公式(6)后可计算出三相对地总电容CZ1并存储在内部储存单元内。
步骤4)数据处理与控制单元发出指令，断开SA开关等待间隔时间1s后合上SB开关将辅助监测电容CX并上B相。假定三相电源对称，则有公式(7)和公式(8)，其中
Figure GDA00040791241100000410
是中性点不对称电压，/>
Figure GDA0004079124110000051
和/>
Figure GDA0004079124110000052
是辅助监测电容接入前三相相电压，CA、CB和CC是线路三相对地电容。
Figure GDA0004079124110000053
Figure GDA0004079124110000054
B相接入辅助监测电容后，B相相电压
Figure GDA0004079124110000055
满足公式(9)。假设三相对地电容相等，B相相电压/>
Figure GDA0004079124110000056
模值UBN满足公式(10)，其中UB为辅助监测电容接入前B相相电压模值。进而得到B相接入辅助监测电容后测得三相对地总电容值CZ2。
Figure GDA0004079124110000057
Figure GDA0004079124110000058
Figure GDA0004079124110000059
/>
在数据处理与控制单元下达闭合开关SB指令之前的间隔时间内，通过电压分压器测得B相相电压模值UB。开关SB闭合之后，通过电压分压器测得B相相电压模值UBN代入公式(11)后可计算出三相对地总电容CZ2并存储在内部储存单元内。
步骤5)数据处理与控制单元发出指令，断开SB开关等待间隔时间1s后合上SC开关将辅助监测电容CX并上C相。假定三相电源对称，则有公式(12)和公式(13)，其中
Figure GDA00040791241100000510
是中性点不对称电压，/>
Figure GDA00040791241100000511
和/>
Figure GDA00040791241100000512
是辅助监测电容接入前三相相电压，CA、CB和CC是线路三相对地电容。
Figure GDA00040791241100000513
Figure GDA00040791241100000514
C相接入辅助监测电容后，C相相电压
Figure GDA00040791241100000515
满足公式(14)。假设三相对地电容相等，C相相电压/>
Figure GDA00040791241100000516
模值UCN满足公式(15)，其中UC为辅助监测电容接入前C相相电压模值。进而得到C相接入辅助监测电容后测得三相对地总电容值CZ3。
Figure GDA00040791241100000517
Figure GDA00040791241100000518
Figure GDA00040791241100000519
在数据处理与控制单元下达闭合开关SC指令之前的间隔时间内，通过电压分压器测得C相相电压模值UC。开关SC闭合之后，通过电压分压器测得C相相电压模值UCN。代入公式16后可计算出三相对地总电容CZ3并存储在内部储存单元内。
步骤6)因为实际线路电压不平衡，各相对地电容之间有较小的差值，所以将辅助监测电容分别并联在不同相位输电线路时计算所得线路对地总电容进一步平均化以减小测量误差。以辅助监测电容的3次依次换相为1次监测周期，则在一监测周期内线路对地总电容CZT1满足公式(17)。
Figure GDA0004079124110000061
步骤7)判断监测周期内所得线路对地总电容值是否属于步骤1)所得山火发生时因输电线路对地空气间隙介电常数变化而变化的线路对地电容值范围。如果监测周期内所得线路对地总电容满足此范围，则警报输出端口输出报警信号，反之则重复步骤3)至步骤7)
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期监测方法，其特征在于：所述早期监测方法包括：
数据处理与控制单元依次发出指令，控制高压真空开关SA、SB、SC依次关闭且每次只关闭一个高压真空开关，将辅助监测电容Cx依次与A相、B相和C相并联，通过计算得到A相、B相和C相接入辅助监测电容Cx后测得的三相对地总电容值CZ1、CZ2和CZ3，完成一个监测周期的监测；
根据公式
Figure FDA0004079124100000011
计算一个监测周期内线路对地总电容CZT1；
判断监测周期内得到的线路对地总电容CZT1是否在山火发生时因输电线路对地空气间隙介电常数变化的线路对地电容值范围内，如果在此范围内，则警报输出端口输出报警信号，如果不在此范围内，则继续下一个监测周期的监测。
2.根据权利要求1所述的基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期监测方法，其特征在于：所述通过计算得到A相、B相和C相接入辅助监测电容Cx后测得的三相对地总电容值CZ1、CZ2和CZ3包括：
将辅助监测电容Cx与A相并联，设定三相电源对称，根据辅助监测电容接入前的三相相电压
Figure FDA0004079124100000012
和/>
Figure FDA0004079124100000013
以及线路三相对地电容CA、CB和CC得到/>
Figure FDA0004079124100000014
Figure FDA0004079124100000015
进而得到中性点不对称电压/>
Figure FDA0004079124100000016
Figure FDA0004079124100000017
A相接入辅助监测电容后，A相相电压/>
Figure FDA0004079124100000018
满足/>
Figure FDA0004079124100000019
Figure FDA00040791241000000110
设定三相对地电容相等，A相相电压/>
Figure FDA00040791241000000111
模值UAN满足/>
Figure FDA00040791241000000112
Figure FDA00040791241000000113
其中UA为辅助监测电容接入前A相相电压模值，进而得到A相接入辅助监测电容后测得三相对地总电容值CZ1，其中j表示复数中的虚部，ω表示角频率；
将辅助监测电容Cx与A相断开并与B相并联，设定三相电源对称，根据辅助监测电容接入前的三相相电压
Figure FDA00040791241000000114
和/>
Figure FDA00040791241000000115
以及线路三相对地电容CA、CB和CC得到/>
Figure FDA00040791241000000116
Figure FDA00040791241000000117
进而得到中性点不对称电压
Figure FDA00040791241000000118
Figure FDA00040791241000000119
B相接入辅助监测电容后，B相相电压/>
Figure FDA00040791241000000120
满足
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Figure FDA00040791241000000122
设定三相对地电容相等，B相相电压/>
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模值UBN满足/>
Figure FDA00040791241000000124
Figure FDA0004079124100000021
其中UB为辅助监测电容接入前B相相电压模值，进而得到B相接入辅助监测电容后测得三相对地总电容值CZ2；
将辅助监测电容Cx与B相断开并与C相并联，设定三相电源对称，根据辅助监测电容接入前的三相相电压
Figure FDA0004079124100000022
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Figure FDA0004079124100000023
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Figure FDA0004079124100000025
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C相接入辅助监测电容后，C相相电压/>
Figure FDA0004079124100000028
满足
Figure FDA0004079124100000029
Figure FDA00040791241000000210
设定三相对地电容相等，C相相电压/>
Figure FDA00040791241000000211
模值UCN满足/>
Figure FDA00040791241000000212
Figure FDA00040791241000000213
其中UC为辅助监测电容接入前C相相电压模值，进而得到C相接入辅助监测电容后测得三相对地总电容值CZ3。
3.根据权利要求1或2所述的基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期监测方法，其特征在于：所述早期监测方法还包括执行于数据处理与控制单元指令发出之前的线路对地电容值范围设置步骤和辅助监测电容Cx设置步骤。
4.根据权利要求3所述的基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期监测方法，其特征在于：所述线路对地电容值范围设置步骤包括：通过模拟不同线路高度和燃烧不同植被，获得空气间隙气固两相体介电常数变化范围，线路对地电容C满足
Figure FDA00040791241000000214
其中，εr为空气间隙气固两相体介电常数，S为线路对地等效面积，d为线路对地等效距离，k为静电力常数。
5.根据权利要求3所述的基于输电线路空间介电常数变化的山火故障早期监测方法，其特征在于：所述辅助监测电容Cx设置步骤包括：设置一个辅助监测电容CX，通过高压真空开关SA、SB和SC分别与输电线路A相、B相与C相并联，输电线路各相经过电压分压器将电压信号送入数据处理与控制单元，数据处理与控制单元通过真空开关控制单元分别控制高压真空开关SA、SB和SC的开断。
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