CN100361123C - 判定输电线路防雷性能的全线路、多参数综合优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及判定输电线路防雷性能的全线路、多参数综合优化方法,属于电力***输电线路防雷技术领域。该方法包括:对选定需要判定的输电线路进行逐杆参数的选取;利用蒙特卡洛法,逐杆计算杆塔的雷击跳闸率;再计算线路的雷击跳闸率;如果该跳闸率小于满足防雷性能要求的设定值则防雷性能符合要求,判定结束,否则找出跳闸率较高的杆塔为防雷性能薄弱的杆塔;选定可调参数;对各参数分别选取数点计算雷击跳闸率,并拟合出多参数综合优化曲线;选取合适的优化点,重新计算线路的雷击跳闸率,直到防雷性能符合要求。本发明能够使输电线路在设计和运行阶段,采取的防雷措施更具针对性、科学性和***性。
Description
技术领域
本发明属于电力***输电线路防雷技术领域,特别涉及一种用于判定输电线路防雷性能的方法,该方法能够对输电线路的防雷性能进行全线路仿真、多参数综合优化,用以科学指导输电线路设计和运行阶段的防雷工作。
背景技术
据电力部门统计,雷击是输电线路的主要故障类型,其中因雷击跳闸占线路跳闸比例可高达60%。因此,无论对于线路设计部门还是运行部门,分析判定输电线路防雷性能的好坏都是一项非常重要的工作,反映输电线路防雷性能的主要指标是线路的雷击跳闸率。在实际防雷工程中,一般是根据具体线路参数如杆塔型号,接地电阻,绝缘配置等,选用合适的雷击跳闸率方法,计算出该条线路雷击跳闸率的理论值,如果发现此值高于设定值,则需采用相应的防雷措施,使得雷击跳闸率控制在可以接受的范围内。
目前,对输电线路进行雷击跳闸率计算在国际上通用的是IEEE1997年在《Guidefor Improving the Lighting Performance of the Transmission Line》中介绍的方法和CIGRE1991在《Guide to Procedures for Estimating the LightningPerformance of Transmission Lines》中介绍的方法。
利用上述两种方法判定输电线路防雷性能方法的基本思路是类似的,即以线路中典型杆塔的雷击跳闸率代表线路的防雷性能,具体流程如图1所示,各步骤介绍如下:
1)首先要选择具有代表性的典型杆塔(对于典型杆塔的衡量目前还没有一个科学和统一的指标体系,而更多要依靠现场经验);
2)选取所需的杆塔参数(由电力部门提供),参数主要包括杆塔主尺寸、接地电阻、绝缘配置、所在位置的地形地貌等;
3)将参数代入前述IEEE或者CIGRE计算方法中的一系列解析表达式中,最终计算结果是该杆塔的雷击跳闸率值;
4)将此雷击跳闸率值作为判定整条线路的防雷性能的优劣的依据;
5)如果该跳闸率值小于满足防雷性能要求的设定值,则该线路防雷性能合格,则跳至步骤7),判定结束,否则进入下一步。
6)调整某些影响防雷性能的杆塔参数或加装防雷措施,跳转至步骤2)
7)判定结束。
从上面的步骤可以看出,这种方法对线路防雷性能的分析基于单个杆塔,虽然方法简化,但在实际线路中,沿线各个杆塔的型号、所在的地形地貌等众多条件差别很大,按这种简化方法分析全线路防雷性能,不仅计算精度无法得到保证,而且全线路各段、各基杆塔的防雷性能无法详细掌握。
同时在分析各种防雷措施效果时,目前这些方法只能单参数计算、比较和调整,无法分析多参数综合变化后线路的防雷性能变化趋势,采取防雷措施时更是很难找到最优点。最终导致输电线路在设计和运行阶段,防雷措施使用缺乏科学性和***性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的输电线路防雷判定方法无法进行全线路仿真、多参数综合优化的不足,提出了一种输电线路雷击跳闸仿真的全线路、多参数综合优化方法,该方法能够对输电线路的防雷性能进行全线路仿真、多参数综合优化,使输电线路在设计和运行阶段,采取的防雷措施更具针对性、科学性和***性。
本发明提出的一种判定输电线路防雷性能的全线路、多参数综合优化方法,其特征在于,该方法具体包括以下步骤:
1)选定需要判定的输电线路(可以是整条线路也可以是比较关心的某段线路);
2)对该线路以杆塔为单位进行逐杆参数的选取,选取的参数包括可调参数和不可调参数(可调参数可包括:绝缘配置、接地电阻、防雷措施、避雷线保护角,不可调参数可包括:雷电活动参数、杆塔参数、线路参数、海拔高度、地形地貌等);
3)按照所选取的参数,利用蒙特卡洛法(处理随机问题的一种数学方法),逐杆计算杆塔的雷击跳闸率;
4)以各杆塔雷击跳闸率为基础,以杆塔两侧水平档距之和的二分之一作为加权系数,计算线路的雷击跳闸率,计算公式如式(1)所示;
式中R为线路的雷击跳闸率(1/100km.yr)
N为线路杆塔数
Ri为第i基杆塔的雷击跳闸率(1/100km.yr)
Li为第i基杆塔两侧水平档距之和的一半
L为线路总长度(km);
5)根据步骤4)得到的线路雷击跳闸率,如果该跳闸率小于满足防雷性能要求的设定值则防雷性能符合要求,跳转至步骤10)判定结束,否则进入步骤6);
6)根据沿线各杆塔雷击跳闸率,找出跳闸率较高的杆塔为防雷性能薄弱的杆塔;
7)根据现场情况对该薄弱杆塔选定可调参数的可调范围;
8)根据可调参数的可调范围或采用的防雷措施,在调节范围内对各参数分别选取数点,按照步骤4)的方法计算出选取点的雷击跳闸率,并将选取点的雷击跳闸率拟合出多参数综合优化曲线;
9)根据多参数综合优化曲线(在现场操作的可行性和经济性前提下),选取合适的优化点,利用蒙特卡洛法重新计算该基杆塔改进后的雷击跳闸率,跳转至步骤4);;
10)判定结束。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的特点是:逐杆精确建模不仅导致线路整体雷击跳闸率计算精度提高,而且还能帮助具体掌握沿线各个杆塔的防雷性能,使下一步采取防雷措施时更具针对性。在针对性地对薄弱杆塔采取防雷措施时,首先确定实际运行中的可调整参数,然后计算当各个可调参数在一定范围内变化时,杆塔防雷性能变化的趋势曲线。这样就可以帮助用户根据实际情况,确定多参数综合调整时的最优点。
本发明的有益效果是,通过对输电线路防雷性能进行全线路、多参数综合优化,科学指导电力部门的输电线路设计和运行,有效地提高了输电线路的供电可靠性,产生了明显的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是现有输电线路防雷性能判定方法流程图。
图2是本发明的判定输电线路防雷性能的全线路、多参数综合优化方法总体流程图。
图3是本发明采用的蒙特卡洛法的实施例具体流程图。
图4是本发明引入的电气几何模型原理图。
图5是本发明引入的电气几何模型计算绕击率示意图。
图6是伏秒特性相交法判断绝缘闪络示意图。
图7是本发明方法计算的某条输电线路沿线杆塔的跳闸率曲线。
图8是本发明方法计算的某基杆塔的防雷性能多参数优化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提出的判定输电线路防雷性能的全线路、多参数综合优化方法,如图2所示,具体包括以下步骤:
1)选定需要判定的线路或者线路段(在这一步中可以输入关于此条线路的总体情况。主要包括线路名称,线路长度,线路杆塔数等。线路名称可以用来作为计算后保存相应线路参数和计算结果文件的文件名,线路长度和线路杆塔数是计算过程中的必要参数);
2)对线路进行逐杆参数的选取,具体参数包括:绝缘配置、接地电阻、防雷措施(加装一定高度的耦合地线;加装线路避雷器;加装负角保护针等)、避雷线保护角、雷电活动参数、杆塔参数(杆塔型号;呼程高)、线路参数(电压等级:交流110kV、220kV、500kV、750kV、1000kV,直流±500kV、±800kV;杆塔两侧水平档距;)、海拔高度、地形地貌等。其中绝缘配置、接地电阻、防雷措施、避雷线保护角为可调参数,雷电活动参数、杆塔参数、线路参数、海拔高度、地形地貌为不可调参数;
3)按照所选取的参数,采用蒙特卡洛法计算各基杆塔的雷击跳闸率;由于输电线路雷击跳闸本身是具有较强的概率性质,用概率方法来处理它更能体现其本质特征。蒙特卡罗方法作为一种经典的随机问题计算方法,它选定目标函数以后,可根据需要调节和改变影响因素,利用数学的方法产生各种不同分布的随机变量抽样序列,并由此给出模拟给定问题的概率统计模型,然后给出问题数值解的渐进统计估计值。蒙特卡罗方法的突出特点是考虑因素全面,且控制因素取舍容易,计算模型简明。
在本发明中,将输电线路雷击跳闸率N作为若干随机变量的函数。
N=f(I,U,B…) (2)
其中雷电流幅值I,雷击瞬间导线工频电压值U,雷击线路时的部位B等都是随机变量,且具有不同的概率分布f(I)、f(U)和f(B)。
利用蒙特卡洛法计算雷击跳闸率时,需要重复地模拟线路遭受雷击的情况,即采用随机抽样的方法从各个雷击跳闸影响因素f(I)、f(U)和f(B)的随机变量的概率分布中抽样,得到第k次雷击时相应的随机数Ik、Uk和Bk,然后利用相应的判据判断这些该次雷击时引起绝缘闪络。
yk=f(Ik,Uk,Bk),k=1,2,3…N (3)
若引起闪络,则yk=1,否则yk=0经过N次抽样,便可得到概率估计值:
本发明采用的蒙特卡洛法的实施例流程如图3所示,具体包括以下步骤:
第1步:读入计算所需参数,主要的参数包括:绝缘配置、接地电阻、防雷措施(加装一定高度的耦合地线;加装线路避雷器;加装负角保护针等)、避雷线保护角、雷电活动参数、杆塔参数(杆塔型号;呼程高)、线路参数(电压等级:交流110kV、220kV、500kV、750kV、1000kV,直流±500kV、±800kV;杆塔两侧水平档距;)、海拔高度、地形地貌等。
第2步:设置模拟雷击次数
首先根据第一步输入的杆塔参数利用公式(5)计算该型号杆塔在指定的落雷密度下,一年内在100公里线路上的雷击次数(由于雷击输电线路是个随机过程,因此必须计算足够雷击次数后才能使计算结果收敛从而满足精度要求。考虑到计算的速度和工程计算的精度要求,每次仿真计算的雷击次数可相当于10000-30000年100公里线路的遭受的雷击次数)。
Ns=Ng(4hs+b)/10 (5)
其中hs为避雷线平均高度(米),b为两避雷线间距(米)。
ht是杆塔高度,fs是避雷线弧垂。
第3步随机抽样雷电流波形
按照雷电流幅值概率分布公式(7),波头、波尾分别取值2.6/50μs。
i=-88logr1 (7)
其中r1为[0,1]均匀分布的随机数。
第4步随机抽样导线上的工频电压瞬时值
一般认为大多数雷为负极性,则雷击瞬间叠加工频电压为较大正值时情况较严重。计算产生一个[0,1]均匀分布的随机数r2,由于工频相角在[0,2π]上是均匀分布的,由此可将产生的随机数变换为相角的随机数:
=2πr2 (8)
得到值后,就可以计算出三相工频电压瞬时值:
Ua=Umsin() (9)
其中Um为相电压峰值;
第5步根据电气几何模型决定雷击部位
在线路引雷宽度内,雷击线路部位主要分为二种:反击和绕击。对于反击又可以分为雷击杆塔,和雷击档距中间。对于雷击档距中央,一般认为不会导致绝缘子闪络。对于绕击、反击概率的计算,本发明引入了电气几何模型。
电气几何模型是指将雷电的放电特性和线路的结构尺寸联系起来而建立的一种几何计算模型。其基本原理建立在下列概念和假设基础上:
(1)雷电先导到达被击物体临界击距前是不确定的,到达哪一物体的击距内即向其放电;
(2)击距是雷电流的函数,大小与雷电流幅值相关。根据理论研究和试验,击距和雷电流幅值有以下关系:
rs=kIp (12)
式中rs表示击距(m),I表示雷电流幅值(kA)。
k,p是两个常数。IEEE在1997年推荐的公式是:
rc=10I0.65 (13)
其中hd为导线平均对地高度。rc与rg分别为导线(包括避雷线)击距和地面击距。
(3)不考虑雷击物体的形状效应和其它因素的影响。
(4)先导接近地面时入射角服从某种分布函数,从统计角度来讲,其垂直下落的雷电分布密度最大,而水平来袭的雷电密度下降到零。在一般计算中,可以认为所有雷均垂直地面下落。
以地面倾角θg=0为例。对于某一雷电流幅值Ii,根据式(13)可以算出相应击距rci和rgi,如图4所示。
在图4中,以rci为半径,分别以避雷线s和导线c为圆心作圆弧BiCi和CiDi,两圆弧交于Ci;在离地面rgi处作一水平线DiEi,与圆弧交于Di。由弧线BiCi,CiDi和直线DiEi组成的的曲线沿线路方向移动,形成定位面。当雷电流幅值为Ii的先导头部位于定位面以上时,其放电发展不受线路影响。只有当先导头部到达定位曲面时,才受影响向被击物发展。若先进入BiCi弧面,则避雷线被击,导线得到保护,所以BiCi为保护弧。如先进入CiDi弧面,则击中导线,即避雷线的屏蔽失效发生了绕击,CiDi为暴露弧。若先导头部进入DiEi平面,则击中大地,故DiEi为大地捕雷面。
假设雷电先导均匀垂直地从高空向地面发展。从图5可以看出,幅值为Ii击于保护弧BiCi和暴露弧CiDi的概率,分别与该两弧再水平面的投影FiGi和GiDi成比例。因此GiDi和FiDi之比就是雷电流Ii的绕击率。由图可见,绕击率和雷电流幅值有关。幅值低的雷电流具有较大的绕击率。理想条件下,当幅值达到最大绕击电流后,绕击率为0。但在山区,气象不利条件下,不排除发生大电流绕击的可能性。
以计算过程中的一次雷击为例。根据电气几何模型计算得到绕击率Pa,随后计算机产生一个[0,1]均匀分布的随机数r3,如果r3<pa,则认为此次雷击为绕击;否则认为为反击。再进一步,如果发生反击,则认为雷击杆塔(即击杆率g)服从如表1所示的概率分布,再产生一个[0,1]均匀分布的随机数r4,如果r4<g则认为发生雷击杆塔,否则是雷击档距中央。当确定完此次雷击的雷击部位后,如是雷击档距中间,就可认为不发生雷击闪络。
表1各种地形条件下杆塔击杆率
避雷线根数 | 1 | 2 |
平原 | 1/4 | 1/6 |
山区 | 1/3 | 1/4 |
第6步计算雷击过电压
这里的雷击过电压计算包括两种情况,即绕击过电压与反击过电压,具体为绕击还是反击是由第5步决定的。
当发生绕击情况时,绝缘子两端承受的过电压计算如式(15)
其中I为雷电流幅值,Zc为导线波阻抗,工程计算中通常取400Ω。当发生反击时,如果没有安装耦合地线时,绝缘子两端承受的过电压计算如(16)
(16)式中的参数含义如表2所示。
表2(13)式各参数含义
I为雷电流幅值的随机抽样(kV) | h<sub>a</sub>为导线对地高度(m) |
A为雷电流波头陡度(kA/μS) | h<sub>t</sub>为避雷线对地高度(m) |
u为工频电压瞬时值的随机抽样(kV) | h<sub>g</sub>为避雷线平均高度(m) |
k为导线和避雷线的耦合系数 | h<sub>c</sub>为导线平均高度(m) |
β为杆塔分流系数 | L<sub>t</sub>为杆塔电感(μH) |
R<sub>i</sub>为杆塔冲击接地电阻(Ω) |
如果防雷措施是安装了耦合地线,绝缘子两端承受的过电压幅值按照(17)式计算。
Lgt a,Lgt b为塔顶至耦合地线悬挂点段、耦合地线悬挂点至塔基段的杆塔等值电感(μH)。
Lb1,Lb2为杆塔两侧相邻档避雷线及耦合地线的电感并联值(μH)。
Rch为杆塔冲击接地电阻(Ω)。
C1,C2为导线和地线、耦合地线间的耦合系数。
β为杆塔分流系数
u为工频电压瞬时值的随机抽样(kV)
A为雷电流波头陡度(μS)
第7步闪络判断
对于反击闪络,可用式(18)近似计算伏秒特性曲线,然后利用伏秒特性相交法(见图6)判断。
其中VFO为闪络电压值(kV),t为闪络前时间(μs),W为最短空气间隙或绝缘子干弧距离(m)。
图6中曲线1为按(18)计算的绝缘子闪络特性曲线,曲线2和曲线3分别为两条雷击过电压曲线。曲线2和曲线1在t1时刻相交,可以认为此时绝缘发生闪络。曲线3和曲线1不相交,绝缘不发生闪络。
对于绕击闪络判断,如果(15)式计算的绕击过电压为U
UCFO=533l+132 (19)
其中l为绝缘子干弧距离或者最短空气间隙(m)
如果U>UCFO,即绕击导致绝缘子闪络,否则绕击不导致绝缘子闪络。
第8步循环计算
第三步至第七步是一次雷击过程的仿真,对每基杆塔的雷击仿真应该根据第二步计算的次数进行。因此需要对第三步和第七步不断重复计算,直到满足计算次数要求。
第9步计算跳闸比例
根据前面统计的雷击闪络事故次数乘以式(20)的建弧率和总的雷击次数相比,即可得到雷击跳闸事故占总雷击次数的比例。
η=(4.5E0.75-14)×100-2 (20)
式中E为绝缘子串的平均运行电压梯度(kV/m)。
对有效接地***:
对中性点绝缘,消弧线圈接地***:
以上两式中Un为***额定电压(kV);l1为绝缘子长度(m);l2为木横担线路的线间距离(m),对铁横担和钢筋混凝土横担线路,l2=0。
若E≤6kV/m,建弧率很小,可近似认为η=0。
第10步雷击跳闸率
目前,工程计算中对于雷击跳闸率单位一般采用1/100km.yr。因此需要将第九步的计算结果进行单位换算。假设第9步得到的雷击跳闸事故占总雷击次数比例为P,而计算线路每100公里一年遭受的雷击次数按式(4)计算所得为NL,则该条线路的雷击跳闸率为NLP/100km.yr。
4)加权综合计算线路雷击跳闸率。这一步完全以上一步杆塔雷击跳闸率计算为基础。可以对杆塔的雷击跳闸率进行排序,跳闸率较高即防雷性能薄弱的某些杆塔。线路的雷击跳闸率按式(23)进行计算
式中R为线路的雷击跳闸率(1/100km.yr)
N为线路杆塔数
Ri为第i基杆塔的雷击跳闸率(1/100km.yr)
Li为第i基杆塔两侧水平档距之和的一半
L为线路总长度(km)
5)判断线路防雷性能是否需要进行改进。如果式(23)计算的跳闸率值小于满足防雷性能要求的设定值(此设定值一般设为电网主管部门对该线路雷击跳闸率考核值),则该线路防雷性能合格,则跳至步骤10),判定结束,否则需要改进线路防雷性能,转入步骤6);
6)选定线路中防雷比较薄弱的杆塔。薄弱杆塔一般选取步骤4)中排序得到的跳闸率较高的杆塔(考虑到雷电活动的随机性,一般不推荐按照实际运行中雷击事故情况选择薄弱杆塔);
7)选定杆塔中可调参数的可调范围。主要的可调参数包括接地电阻、绝缘配置、防雷措施(包括加装一定高度的耦合地线、加装线路避雷器、加装负角保护针等),在设计阶段避雷线保护角也是可调参数。这些参数是否可调应该根据线路实际情况判断;
8)计算多参数综合优化曲线。当可调参数确定以后,在常规的可调范围,对各参数分别选取数点,按照步骤4)的方法计算出选取点的雷击跳闸率,然后将这些选取点的雷击跳闸率拟合出多参数综合优化曲线(为了同时保证计算精度和计算速度,一般每条曲线的选取5个左右点用于计算)。
9)根据8)计算结果的多参数优化曲线,在现场操作的可行性和经济性前提下,选取合适的优化点,对该基杆塔用优化点的参数代替原有参数,利用蒙特卡洛法重新计算该基杆塔改进后的雷击跳闸率,并跳转至步骤3);
10)判定结束。
采用本发明方法的应用实例的效果如下:
图7是对某条输电线路采用本发明方法得到的沿线杆塔雷击跳闸率分布示意图。同时计算根据(20)式计算得到该条线路雷击跳闸率计算值为1.41/100km.yr,统计值为1.37/100km.yr,计算值和实际值的误差为6%。从图中可以看出,这条输电线路共有307基杆塔。其中用红色标注的101#,102#,105#,106#,114#雷击跳闸率较高,属于需要重点加强防雷性能的杆塔。
图8是该条线路跳闸率最高114#杆塔多参数综合优化曲线图。从图中可以看出,减小保护角是改善该基杆塔防雷性能最有效的措施,在此基杆塔位置应该选用小保护角的杆塔,同时适当加强绝缘。具体的最优点应该以此曲线为基础,电力设计和运行人员从现场操作的可行性和改造的经济性出发适当选取。
Claims (1)
1、一种判定输电线路防雷性能的全线路、多参数综合优化方法,其特征在于,该方法具体包括以下步骤:
1)选定需要判定的输电线路;
2)对该线路以杆塔为单位进行逐杆参数的选取,选取的参数包括可调参数和不可调参数;
3)按照所选取的参数,利用蒙特卡洛法,逐杆计算杆塔的雷击跳闸率;
4)以各杆塔雷击跳闸率为基础,以杆塔两侧水平档距之和的二分之一作为加权系数,计算线路的雷击跳闸率;
式中R为线路的雷击跳闸率,单位为1/100km.yr,N为线路杆塔数,Ri为第i基杆塔的雷击跳闸率单位为1/100km.yr,Li为第i基杆塔两侧水平档距之和的一半,L为线路总长度,单位为km;
5)根据步骤4)得到的线路雷击跳闸率,如果该跳闸率小于满足防雷性能要求的设定值则防雷性能符合要求,跳转至步骤10)判定结束,否则进入步骤6);
6)根据沿线各杆塔雷击跳闸率,找出跳闸率较高的杆塔为防雷性能薄弱的杆塔;
7)根据现场情况对该薄弱杆塔选定可调参数的可调范围;
8)根据可调参数的可调范围或采用的防雷措施,在调节范围内分别选取各参数的不同数值点,按照步骤4)的方法计算出选取点的雷击跳闸率,并将选取点的雷击跳闸率拟合出多参数综合优化曲线;
9)根据多参数综合优化曲线在现场操作的可行性和经济性前提下,选取合适的优化点,利用蒙特卡洛法重新计算该基杆塔改进后的雷击跳闸率,跳转至步骤4);
10)判定结束。
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