CN108009351A - 雷击跳闸风险的分布图绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷击跳闸风险的分布图绘制方法，包括获取待分析区域的电网参数和雷击参数；将待分析区域划分为若干网格；统计各网格的地闪密度；计算待分析区域电网线路的雷击跳闸风险值；将待分析区域电网线路的雷击跳闸风险值进行等级划分和可视化处理，得到最终的雷击跳闸风险的分布图。本发明通过电网的历史运行数据和雷击历史数据，采用网格将待分析区域进行划分，并采用科学合理的计算方法计算各个网格的雷击跳闸风险值大小，从而得到雷击跳闸风险的分布图，因此本发明方法能够准确可靠的对雷击跳闸概率进行分析，而且分析过程科学合理，分析效果较好。

Description

雷击跳闸风险的分布图绘制方法

技术领域

本发明具体涉及一种雷击跳闸风险的分布图绘制方法。

背景技术

随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们日常生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。

我国经济发达的东部、东南部地区输电网络密布，这些地区雷害活动频繁，雷击跳闸是电网安全的主要威胁之一，统计数据表明：110kV及以上输电线路跳闸中，由雷击造成的比例高达50～70％。对输电线路的雷击跳闸风险进行评估，从而制定差异化防雷措施，是电网防雷工作经济、高效施行的重要思路。

输电线路雷击跳闸风险受雷电活动分布、杆塔结构、地形地貌等因素的影响，雷电定位***、地理信息***的广泛应用和多年的数据积累，为风险值的有效性提供了大量的数据基础。目前的研究，主要从地闪时刻分布基础数据出发，结合雷击跳闸率计算方法并考虑地形分布特征，通过对电流雷害危险电流区间的研究确定了雷害危险事件频次分布及其分级的评估模型。

目前对于雷击跳闸风险的分析，主要是基于线路走廊法，以跳闸率作为表征雷害风险等级评估的指标，分析京沪高铁全线的雷害风险，该方法适用于大规模、长距离的输电线路。但是，线路走廊法统计的雷电地闪密度与走廊宽度有关，太小统计的数据将受定位精度影响，选择太宽将不能有效反映线路实际的受雷频次。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分析准确可靠、分析过程科学合理且分析效果较好的雷击跳闸风险的分布图绘制方法。

本发明提供的这种雷击跳闸风险的分布图绘制方法，包括如下步骤：。

S1.获取待分析区域的电网参数和雷击参数；

S2.将待分析区域划分为若干网格；

S3.统计步骤S2划分的各个网格的地闪密度；

S4.根据步骤S1获取的电网参数和步骤S3得到的各个网格的地闪密度，计算待分析区域的电网线路的雷击跳闸风险值；

S5.将步骤S4得到的待分析区域的电网线路的雷击跳闸风险值进行等级划分和可视化处理，得到最终的雷击跳闸风险的分布图。

步骤S1所述的电网参数包括线路名称、杆塔名称、杆塔编号、经度、纬度、塔型、呼称高、杆塔性质、避雷线横担长度、导线横担长度、避雷线挂点高度、导线挂点高度、杆塔接地电阻、地面倾角和垂直档距等。

所述的地面倾角的取值原则为：平原地区的地面倾角取值为0°，山区的地面倾角取值为10°。

步骤S1所述的雷击参数包括雷电发生时间、雷击点位置坐标和雷电流幅值等。

步骤S2所述的将待分析区域划分为若干网格，具体为网格大小根据区域面积和线路长度进行选取，在具体实施时，可以将2km*2km的区域作为一个网格。

步骤S3所述的统计各个网格的地闪密度，具体为搜索步骤S1获取的雷击参数，若雷击的位置位于该网格中，则该网格的地闪次数加一；重复上述步骤直至所有的雷击位置参数均搜索完毕，再将该网格的所有地闪次数除以网格面积得到各个网格的地闪密度。

步骤S4所述的计算待分析区域的电网线路的雷击跳闸风险值，具体为采用如下算式计算雷击跳闸风险值：

式中N₁为某网格中电网线路的反击跳闸概率，N₂为某网格中电网线路的绕击跳闸概率，N_W为某网格的统计的地闪密度，为待分析区域的平均地闪密度，T_d为雷暴日的天数，(b+4h)的电网线路的等效受雷宽度，g为击杆率，η为建弧率，P₁为超过电网线路反击耐雷水平的雷电流概率，I_e为电网线路的绕击雷击水平，I_max为电网线路的最大绕击电流，D_c(I)为当雷电流为I时雷击中导线的暴露弧水平长度，p(I)为雷击电流幅值概率密度函数。

步骤S5所述的将待分析区域的电网线路的雷击跳闸风险值进行等级划分和可视化处理并得到最终的雷击跳闸风险的分布图，具体为采用如下步骤进行配给跳闸风险图的绘制：

A.对步骤S4得到的雷击跳闸风险值进行等级划分；

B.将步骤A划分的等级在待分析区域的的各个网格中进行可视化处理，从而得到最终的雷击跳闸风险的分布图。

步骤A所述的对得到的雷击跳闸风险值进行等级划分，具体为采用自然分割法按照雷击跳闸风险值的大小进行等级划分。

本发明提供的这种雷击跳闸风险的分布图绘制方法，通过电网的历史运行数据和雷击历史数据，采用网格将待分析区域进行划分，并采用科学合理的计算方法计算各个网格的雷击跳闸风险值大小，从而得到雷击跳闸风险的分布图，因此本发明方法能够准确可靠的对雷击跳闸概率进行分析，而且分析过程科学合理，分析效果较好。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明实施例的地区A在2012～2016年雷电流幅值概率密度分布曲线对比图。

图3为本发明实施例的地区A在2012～2016年雷电流幅值概率分布曲线对比图。

图4为为本发明实施例的地区A的拟合曲线与实际雷电流幅值概率分布曲线对比示意图。

图5为本发明实施例的地区A的110kV甲乙线雷击跳闸风险分布示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的方法流程图：本发明提供的这种雷击跳闸风险的分布图绘制方法，包括如下步骤：。

S1.获取待分析区域的电网参数和雷击参数；

电网参数包括线路名称、杆塔名称、杆塔编号、经度、纬度、塔型、呼称高、杆塔性质、避雷线横担长度、导线横担长度、避雷线挂点高度、导线挂点高度、杆塔接地电阻、地面倾角和垂直档距等；地面倾角的取值原则为：平原地区的地面倾角取值为0°，山区的地面倾角取值为10°；

雷击参数包括雷电发生时间、雷击点位置坐标和雷电流幅值等；

S2.将待分析区域划分为若干网格；网格大小根据区域面积和线路长度进行选取，在具体实施时将待分析区域划分为2km*2km的等大小方形网格，可以得到较为理想的分析效果；

S3.统计步骤S2划分的各个网格的地闪密度；具体为搜索步骤S1获取的雷击参数，若雷击的位置位于该网格中，则该网格的地闪次数加一；重复上述步骤直至所有的雷击位置参数均搜索完毕，再将该网格的所有地闪次数除以网格面积得到各个网格的地闪密度；

S4.根据步骤S1获取的电网参数和步骤S3得到的各个网格的地闪密度，计算待分析区域的电网线路的雷击跳闸风险值；具体为采用如下算式计算雷击跳闸风险值：

式中N₁为某网格中电网线路的反击跳闸概率，N₂为某网格中电网线路的绕击跳闸概率，N_W为某网格的统计的地闪密度，为待分析区域的平均地闪密度，T_d为雷暴日的天数，(b+4h)的电网线路的等效受雷宽度，g为击杆率，η为建弧率，P₁为超过电网线路反击耐雷水平的雷电流概率，I_e为电网线路的绕击雷击水平，I_max为电网线路的最大绕击电流，D_c(I)为当雷电流为I时雷击中导线的暴露弧水平长度，p(I)为雷击电流幅值概率密度函数；

上述两个公式的来源如下：

雷击风险的基本关系是：

R＝NPL

式中N为防雷对象的年累计次数，P为雷击损坏的概率，L为雷击造成的损失；

我国一般以跳闸率作为评价输电线路安全运行的指标。雷击导致输电线路跳闸的原因因可以分成两类，一是雷击中杆塔，泄放入地的过程中导致的线路跳闸，即反击跳闸。一是雷电直接击中线路导致的线路跳闸，即绕击跳闸；

采用防雷计算应用杆塔的电感模型，得到一个档距内的线路区段，反击跳闸率计算公式为：

N₁＝0.1N_d(b+4h)gηP₁

式中，N_d为落雷密度，单位为次/平方公里，(b+4h)的电网线路的等效受雷宽度，g为击杆率，平原地区双避雷线线路取为1/6；山区取1/4；P₁为超过电网线路反击耐雷水平的雷电流概率，η为建弧率，即绝缘子和空气间隙在雷电流冲击之后，转变为稳定的工频电弧的概率；

将上式换算到100公里长输电线路杆塔的年雷击次数：

N_g＝0.1N_d(b+4h)g

换算到100公里长输电线路杆塔遭受一次雷击导致跳闸的概率为：

P_g＝ηP₁

因此上式可以划为：

N₁＝N_gP_g

定义输电线路反击跳闸风险为每100公里长线路在一年内因雷电反击导致跳闸的次数。

同样的，改进的电气几何模型计算绕击跳闸率计算公式为：

式中I_e为电网线路的绕击雷击水平，I_max为电网线路的最大绕击电流，D_c(I)为当雷电流为I时雷击中导线的暴露弧水平长度，p(I)为雷击电流幅值概率密度函数；

上式可以划为：

N₂＝N_LP_L

式中，N_L为100公里长线路导线遭受的年雷击次数，P_L为100公里长线路导线遭受一次雷击导致跳闸的概率。定义输电线路绕击跳闸风险为每100公里长线路在一年内因雷电绕击导致跳闸的次数；

防雷计算应用杆塔的电感模型得到反击耐雷水平I计算公式为：

式中k为导线与避雷线之间计及电晕影响耦合系数；k₀为导线与避雷线之间几何耦合系数；ht为杆塔高度；h_a为横担对地高度；h_g为避雷线对地平均高度；h_c为导线平均高度；U_50％为绝缘子串冲击闪络放电电压；L_t为杆塔等值电感；l_f为绝缘子串长；β为杆塔分流系数；

改进电气几何模型中最大击距的计算公式为：

式中R_sm为最大击距，h_t为导线对地平均高度，θ为地面倾角，α为避雷线保护角；

我国电力行业规程中规定的输电线路雷击跳闸率计算公式是根据雷击跳闸机理结合历史经验得到的，地闪密度的计算公式基于雷暴日进行求取，即：N_d＝γT_d，T_d为雷暴日，γ为每个雷暴日每平方公里地面上的平均落雷次数，当雷暴日为40d时，γ＝0.07；国际大电网会议推荐的地闪密度求取公式,N_d＝0.023T_d ^1.3，IEEE推荐的经验公式N_d＝0.04T_d ^1.25。根据雷电定位***统计的地闪密度相对于传统的雷电记录手段在准确率上有很大的提高，表1为采用网格法统计的地闪密度与传统的地闪密度求取办法得到的线路雷击跳闸率与实际值对比。

表1不同地闪密度统计方法跳闸率计算结果与实际值对比

电压等级	直接统计	国际大电网会议	IEEE推荐公式	实际值
					110kV	1.1267	0.1958	0.2724	0.3800
220kV	1.7570	0.3053	0.4247	0.6845
					500kV	0.6538	0.1136	0.1580	0.0761

由表1可知，由于雷电定位***记录的地闪密度大于采用雷暴日计算得到地闪密度，导致跳闸率计算结果偏离实际值，需修正。本文采用国际大电网会议推荐的公式计算雷击跳闸率，用2×2km的网格统计的地闪密度对公式进行修正，从而得到修正后跳闸率计算公式为：

式中N₁为某网格中电网线路的反击跳闸概率，N₂为某网格中电网线路的绕击跳闸概率，N_W为某网格的统计的地闪密度，为待分析区域的平均地闪密度，T_d为雷暴日的天数，(b+4h)的电网线路的等效受雷宽度，g为击杆率，η为建弧率，P₁为超过电网线路反击耐雷水平的雷电流概率，I_e为电网线路的绕击雷击水平，I_max为电网线路的最大绕击电流，D_c(I)为当雷电流为I时雷击中导线的暴露弧水平长度，p(I)为雷击电流幅值概率密度函数；

S5.将步骤S4得到的待分析区域的电网线路的雷击跳闸风险值进行等级划分和可视化处理，得到最终的雷击跳闸风险的分布图；具体为采用如下步骤进行配给跳闸风险图的绘制：

A.对步骤S4得到的雷击跳闸风险值，采用自然分割法按照雷击跳闸风险值的大小进行等级划分；

B.将步骤A划分的等级在待分析区域的的各个网格中进行可视化处理，从而得到最终的雷击跳闸风险的分布图。

以下结合一个具体实施例，对本发明方法进行进一步说明：

地区A属H省重雷区，由于地区A特殊的地理及气候环境因素影响，该地区每年的落雷数占H省总落雷数的1/7以上，110kV及以上电压等级输电线路雷击跳闸事故频发，近两年的统计数据表明：地区A地区跳闸的输电线路线路中，70％以上是由雷击引起的。H省雷电定位***经过多年的推广和运用，已积累了大量的雷电定位数据样本，是该地区雷电活动分布规律研究的重要依据，选取2012～2015年的雷电定位数据进行统计分析，求取网格地闪密度，绘制地闪密度分布图。以3kA为间隔，进行雷电流幅值概率分布函数和概率密度函数研究，并拟合出相应的曲线。

如图2、图3所示为根据雷电定位数据统计的2012～2016年地区A的雷电流幅值概率密度和雷电流幅值概率分布曲线对比；

由图2、图3可知，除2012年外，2013～2016年的雷电流幅值概率分布曲线基本重叠，说明地区A的雷电流幅值概率分布曲线符合统计规律。概率为50％对应的雷电流幅值越高，表明高幅值雷电流所占比例越大，曲线下降速度越快，中值附近的雷电流占比越小，低幅值的雷电流占比越大，2012、2014年的概率曲线下降速度较慢，说明高幅值雷电流所占比例越大。分别对5年的雷电流幅值概率分布曲线进行拟合，得到2012～2016年的雷电流幅值概率分布函数系数α、β取值如表1所示：

表2 2012～2016年郴州地区雷电流幅值概率分布函数系数α、β取值对比

年份	2012年	2013年	2014年	2015年	2016年
						α	27.5	19.4	19.3	18.2	18.7
β	2.37	2.40	2.41	2.45	2.60

对2012-2015年的综合雷电流幅值概率分布曲线进行拟合，得到2012-2015年的雷电流幅值概率分布函数如图4和下式所示：

拟合得到α＝19.9kA，β＝2.4，相关性系数为0.99，具有很强的相关性。

选取地区A某110kV甲乙线作为计算实例，该线路全长43.5km，共有杆塔148基，1-42杆途经地区A的重雷区之一的中心城区重雷区。全线地形基本为山地、丘陵，结构复杂，线路参数、杆塔参数、杆塔类型、杆塔接地电阻均取至实测值，进行雷击危险电流区间计算，采用自然分割法进行风险等级划分。绘制的地闪密度分布图即杆塔雷击跳闸可视化风险图。

统计该线路近两年来雷击跳闸2次，分别为：P31杆A相绝缘子遭雷击，P22杆C相合成绝缘子遭雷击，均发生在风险等级最高的4级杆塔区段。输电线路雷击跳闸风险评估模型具有一定的实用性，实现可视化可作为输电线路防雷性能评估和防雷措施制定的依据。

由图5可知，110kV甲乙线雷击跳闸风险等级较高的杆塔区段分布较为明显，分别为：1-12、25-39、57-68、81-95、113-124段，针对以上区段的线路应制定相应技术措施，提出防雷改造方案。

传统的雷击跳闸率计算方法中雷电地闪密度是通过雷暴日进行计算得到的，与实际情况存在较大差异；本发明方法通过采用2×2km网格大小统计地闪密度，对雷击跳闸率计算方法进行修正，所得结果与实际情况较相符；本发明方法以跳闸率作为风险评级指标，选取网格法统计地闪密度、杆塔参数和地形地貌参数代入典型计算模型中进行计算并划分等级，通过实例计算，所得结果与实际历史数据较相符；本发明方法基于地理信息***，实现区域地闪密度分布和线路杆塔位置坐标的雷击跳闸风险的可视化显示图，可作为差异化防雷措施制定的重要依据。

Claims (8)

1.一种雷击跳闸风险的分布图绘制方法，包括如下步骤：。

S1.获取待分析区域的电网参数和雷击参数；

S2.将待分析区域划分为若干网格；

S3.统计步骤S2划分的各个网格的地闪密度；

S4.根据步骤S1获取的电网参数和步骤S3得到的各个网格的地闪密度，计算待分析区域的电网线路的雷击跳闸风险值；

S5.将步骤S4得到的待分析区域的电网线路的雷击跳闸风险值进行等级划分和可视化处理，得到最终的雷击跳闸风险的分布图。

2.根据权利要求1所述的雷击跳闸风险的分布图绘制方法，其特征在于步骤S1所述的电网参数包括线路名称、杆塔名称、杆塔编号、经度、纬度、塔型、呼称高、杆塔性质、避雷线横担长度、导线横担长度、避雷线挂点高度、导线挂点高度、杆塔接地电阻、地面倾角和垂直档距。

3.根据权利要求2所述的雷击跳闸风险的分布图绘制方法，其特征在于所述的地面倾角的取值原则为：平原地区的地面倾角取值为0°，山区的地面倾角取值为10°。

4.根据权利要求1所述的雷击跳闸风险的分布图绘制方法，其特征在于步骤S1所述的雷击参数包括雷电发生时间、雷击点位置坐标和雷电流幅值。

5.根据权利要求1所述的雷击跳闸风险的分布图绘制方法，其特征在于步骤S2所述的将待分析区域划分为若干网格，具体为网格大小根据区域面积和线路长度进行选取。

6.根据权利要求1所述的雷击跳闸风险的分布图绘制方法，其特征在于步骤S3所述的统计各个网格的地闪密度，具体为搜索步骤S1获取的雷击参数，若雷击的位置位于该网格中，则该网格的地闪次数加一；重复上述步骤直至所有的雷击位置参数均搜索完毕，再将该网格的所有地闪次数除以网格面积得到各个网格的地闪密度。

7.根据权利要求1～6之一所述的雷击跳闸风险的分布图绘制方法，其特征在于步骤S4所述的计算待分析区域的电网线路的雷击跳闸风险值，具体为采用如下算式计算雷击跳闸风险值：

<mrow> <msub> <mi>N</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mn>0.0023</mn> <mfrac> <msub> <mi>N</mi> <mi>W</mi> </msub> <mover> <msub> <mi>N</mi> <mi>W</mi> </msub> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mfrac> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>d</mi> <mn>1.3</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>b</mi> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <mi>h</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>g&amp;eta;P</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mn>0.0046</mn> <mfrac> <msub> <mi>N</mi> <mi>W</mi> </msub> <mover> <msub> <mi>N</mi> <mi>W</mi> </msub> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mfrac> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>d</mi> <mn>1.3</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>b</mi> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <mi>h</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&amp;eta;</mi> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>e</mi> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mi>max</mi> </msub> </msubsup> <msub> <mi>D</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>I</mi> </mrow>

式中N₁为某网格中电网线路的反击跳闸概率，N₂为某网格中电网线路的绕击跳闸概率，N_W为某网格的统计的地闪密度，为待分析区域的平均地闪密度，T_d为雷暴日的天数，(b+4h)的电网线路的等效受雷宽度，g为击杆率，η为建弧率，P₁为超过电网线路反击耐雷水平的雷电流概率，I_e为电网线路的绕击雷击水平，I_max为电网线路的最大绕击电流，D_c(I)为当雷电流为I时雷击中导线的暴露弧水平长度，p(I)为雷击电流幅值概率密度函数。

8.根据权利要求7所述的雷击跳闸风险的分布图绘制方法，其特征在于步骤S5所述的将待分析区域的电网线路的雷击跳闸风险值进行等级划分和可视化处理并得到最终的雷击跳闸风险的分布图，具体为采用如下步骤进行配给跳闸风险图的绘制：

A.对步骤S4得到的雷击跳闸风险值进行等级划分；

B.将步骤A划分的等级在待分析区域的的各个网格中进行可视化处理，从而得到最终的雷击跳闸风险的分布图。

步骤A所述的对得到的雷击跳闸风险值进行等级划分，具体为采用自然分割法按照雷击跳闸风险值的大小进行等级划分。