CN110298053A - 一种基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算方法，所述方法包括以下步骤：(1)收集输电线路实际电气参数、结构参数以及地形地貌信息；(2)对雷电定位***监测的落雷数据进行统计分析；(3)***分析电感型避雷针的材料以及结构；(4)基于COMSOL Multiphysics仿真软件，仿真计算得到电感型避雷针的电容参数和电感参数，建立电感型避雷针的高频等效电路模型；(5)基于电磁暂态数值仿真程序PSCAD/EMTDC，建立精确的输电线路雷电过电压仿真分析模型，并计算输电线路耐雷水平；(6)基于上述得到数据，计算输电线路雷击跳闸率。可见，本发明可对单基杆塔或多基杆塔进行落雷数据统计处理与雷击跳闸率计算，计算结果精确、效率高。

Description

一种基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算 方法

技术领域

本发明涉及数据处理领域以及输电线路防雷领域，特别涉及一种基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算方法。

背景技术

雷击是造成输电线路跳闸的重要原因之一，雷电活动具有明显地域差异性，应根据不同区域的雷电活动特性，考虑输电线路的途径地区的实际雷电参数，因地制宜地采取有效的电网防雷措施。输电线路雷击跳闸率的精确计算对其防雷等级的评估以及后期防雷改造工作的开展具有重大意义。传统的采用统一雷电流幅值概率分布函数及地区地闪密度值的计算方法很难体现输电线路雷电活动的差异性，计算精确度较低。随着雷电定位***在输电线路上的应用，体现落雷数据差异性的雷击跳闸率计算方法成为了可能，但落雷数据统计处理过程较为繁琐，缺少简单高效的雷电数据统计方法。

近年来，电感型避雷针以能降低雷电流幅值和陡度从而达到防雷效果的一种新型防雷思维受到了关注。相比常规输电线路避雷针、引流入地的防雷方式，电感型避雷针是从源头限制雷电流从而降低雷电流在绝缘子两端形成的过电压。但目前尚未有考虑落雷数据差异性的基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算方法。

发明内容

为克服现有技术和方法存在的不足，本发明提供一种基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算方法，其具体方案如下：

S1：收集输电线路实际电气参数、结构参数以及地形地貌信息；

S2：对雷电定位***监测的输电线路的落雷数据进行统计分析与处理；

S3：***分析电感型避雷针的材料参数以及结构参数；

S4：基于COMSOL Multiphysics有限元多物理场仿真软件，仿真计算得到电感型避雷针的电容参数和电感参数，并最终得到电感型避雷针的高频等效电路模型；

S5：基于电磁暂态数值仿真程序PSCAD/EMTDC，建立精确的输电线路雷电过电压仿真分析模型，并计算输电线路耐雷水平；

S6：基于以上得到的输电线路落雷数据、地形地貌和耐雷水平，计算输电线路雷击跳闸率。

优选的，步骤S2中，所述落雷数据的统计分析与处理包括如下步骤：

S21：从雷电定位***导出该输电线路近三年的落雷数据excel文件；

S22：利用MATLAB中提供的xlsread函数对excel文件进行读取，其主要的调用形式为a＝xlsread('filename.xls')；

S23：通过mean()函数求平均值，sum()函数求和，统计每基杆塔近三年的平均地闪密度以及雷电流幅值概率分布参数；

S24：利用自定义拟合函数f＝fittype()对雷电流幅值概率分布数据进行拟合，自定义函数表达式如下公式：

P(I₀)＝1/(1+(I₀/a)^b)

其中：I₀为雷电流幅值，kA；P(I₀)为雷电流幅值超过I₀的概率；a、b为参数。

S25：利用GUIDE工具箱制作GUI界面，对杆塔地闪密度及雷电流幅值概率分布参数进行输出。

优选的，步骤S4中，所述电感型避雷针的电容参数和电感参数的计算过程包括如下步骤：

S41：基于Auto CAD软件建立电感型避雷针的三维轴对称模型；

S42：将模型导入COMSOL Multiphysics有限元多物理场仿真软件，并选择静电场；

S43：定义模型材料属性并施加边界载荷；

S44：对电感型避雷针线圈部分进行较细化剖分处理，对其他部分进行细化剖分处理；

S45：计算电感型避雷针每匝线圈的匝间分布电容C_d、对地分布电容C_e和电感L。

优选的，步骤S5中，所述精确的输电线路雷电过电压仿真分析模型包括导线、杆塔、绝缘子、雷电流、电感型避雷针模型。

优选的，步骤S6中，所述计算输电线路雷击跳闸率包括如下步骤：

S61：确定输入量为每基杆塔近三年平均地闪密度、雷电流幅值概率分布参数、耐雷水平、绝缘子串的放电距离以及地形地貌，输出量为每基杆塔的雷击跳闸率；

S62：所述输电线路雷击跳闸率的具体计算公式为：

N＝N_Lη(gP₁+P_sf)

N_L＝0.1Ng(28h^0.6+b)

η＝(4.5E^0.75-14)×10^-2

其中：N为线路雷击跳闸率，次/(100km.a)；N_L为线路落雷次数，次/(100km.a)；N_g为地闪密度，次/(km².a)；h为杆塔高度，m；b为两根地线之间的距离，m；η为建弧率，E为绝缘子串的平均运行电压梯度的有效值，kV/m；l_i为绝缘子串长度，m；g为击杆率，平原地区取1/6，山区取1/4；P₁为线路反击闪络概率；P_sf为线路直击闪络概率。

S63：根据以上函数表达式在MATLAB中定义M函数，并编写模型计算代码；

S64：利用GUIDE工具箱制作GUI界面，对输电线路杆塔雷击跳闸率进行批量计算与输出。

本发明与现有技术和方法相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明提供了输电线路雷电数据统计方法，编写了雷电数据统计模型和处理界面，该模型可对雷电定位***监测的输电线路落雷数据进行批量处理与输出；

(2)本发明提供了将输电线路落雷数据的差异性体现在基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算方法，并编写了输电线路雷击跳闸率计算模型和处理界面，可对单一杆塔进行计算，也可同时对多基杆塔进行计算；

(3)本发明提供了一种基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算方法，采用电磁暂态仿真程序(PSCAD/EMTDC)和多物理场仿真程序(COMSOL Multiphysics)对电感型避雷针的高频电路等效参数和输电线路耐雷水平进行计算，并基于MATLAB编写落雷数据的统计模型、输电线路雷击跳闸率的计算模型以及对应的操作界面，可对数据进行批量处理和计算，操作简单，有利于提高基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算精度和效率。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为输电线路落雷数据统计分析处理的流程示意图；

图3为输电线路落雷数据处理界面；

图4为电感型避雷针高频等效电路参数计算的流程示意图；

图5为输电线路雷击跳闸率计算的流程示意图；

图6为输电线路雷击跳闸率计算界面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施事例，进一步阐述本发明具体实施过程，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，在本实施例中，一种基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算方法，包括如下步骤：

S1：收集输电线路实际电气参数、结构参数以及地形地貌信息；

S2：对雷电定位***监测的输电线路落雷数据进行统计分析与处理；

S3：***分析电感型避雷针的材料参数以及结构参数；

S4：基于COMSOL Multiphysics有限元多物理场仿真软件，仿真计算电感型避雷针的电容参数和电感参数，并最终得到电感型避雷针的高频等效电路模型；

S5：基于电磁暂态数值仿真程序PSCAD/EMTDC，建立精确的输电线路雷电过电压仿真分析模型，并计算输电线路耐雷水平；

S6：基于以上得到的输电线路落雷数据、地形地貌和耐雷水平，计算输电线路雷击跳闸率。

如图2所示，在本申请实例中，所述落雷数据的统计分析与处理包括如下步骤：

S21：从雷电定位***导出该输电线路近三年的落雷数据excel文件；

S22：利用MATLAB中提供的xlsread函数对excel文件进行读取，其主要的调用形式为a＝xlsread('filename.xls')；

S23：通过mean()函数求平均值，sum()函数求和，统计每基杆塔近三年的平均地闪密度以及雷电流幅值概率分布参数；

S24：利用自定义拟合函数f＝fittype()对雷电流幅值概率分布数据进行拟合，自定义函数表达式如下公式：

P(I₀)＝1/(1+(I₀/a)^b)

其中：I₀为雷电流幅值，kA；P(I₀)为雷电流幅值超过I₀的概率；a、b为参数。

S25：利用GUIDE工具箱制作GUI界面，对杆塔地闪密度及雷电流幅值概率分布函数进行输出。

如图3所示，本实施例基于MATLAB的GUI程序建立了落雷数据统计模型和处理界面，该模型可对落雷数据进行批量处理，省略了繁琐的人工统计过程。落雷数据统计模型可以同时实现对单一杆塔、多基杆塔地闪密度的统计和雷电流幅值概率分布函数的拟合，并最终输出地闪密度统计结果和雷电流幅值概率分布参数。

如图4所示，在本申请实例中，所述电感型避雷针的电容参数和电感参数的计算过程包括如下步骤：

S41：基于Auto CAD软件建立电感型避雷针的三维轴对称模型；

S42：将模型导入COMSOL Multiphysics有限元多物理场仿真软件，并选择静电场；

S43：定义模型材料属性并施加边界载荷；

S44：对电感型避雷针线圈部分进行较细化剖分处理，对其他部分进行细化剖分处理；

S45：计算电感型避雷针每匝线圈的匝间分布电容C_d、对地分布电容C_e和电感L。

在本实施例中，所述精确的输电线路雷电过电压仿真分析模型包括导线、杆塔、绝缘子、雷电流、电感型避雷针模型。

如图5所示，在本申请实例中，所述计算输电线路雷击跳闸率包括如下步骤：

S61：确定输入量为每基杆塔近三年平均地闪密度、雷电流幅值概率分布函数、耐雷水平、绝缘子串的放电距离以及地形地貌，输出量为每基杆塔的雷击跳闸率；

S62：所述输电线路雷击跳闸率的具体计算公式为：

N＝N_Lη(gP₁+P_sf)

N_L＝0.1Ng(28h^0.6+b)

η＝(4.5E^0.75-14)×10^-2

其中：N为线路雷击跳闸率，次/(100km.a)；N_L为线路落雷次数，次/(100km.a)；N_g为地闪密度，次/(km².a)；h为杆塔高度，m；b为两根地线之间的距离，m；η为建弧率，E为绝缘子串的平均运行电压梯度的有效值，kV/m；l_i为绝缘子串长度，m；g为击杆率，平原地区取1/6，山区取1/4；P₁为线路反击闪络概率；P_sf为线路直击闪络概率。

S63：根据以上函数表达式在MATLAB中定义M函数，并编写模型计算代码；

S64：利用GUIDE工具箱制作GUI界面，对杆塔雷击跳闸率进行批量计算与输出。

如图6所示，本实施例基于MATLAB的GUI程序建立了输电线路雷击跳闸率计算模型和处理界面，可对单一杆塔进行计算，也可对多基杆塔进行计算。对单一杆塔进行计算时，只需在输入框中输入上述计算得到的地闪密度、雷电流幅值概率分布参数、耐雷水平、地形地貌，点击计算，即可输出雷击跳闸率计算结果。对多基杆塔进行计算时，需要提前将每基杆塔对应的输入量批量储存在excel文件中，然后导入文件，进行计算，最终导出计算结果。

Claims (5)

1.一种基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：收集输电线路实际电气参数、结构参数以及地形地貌信息；

S2：统计分析与处理雷电定位***监测的输电线路的落雷数据；

S3：***分析电感型避雷针的材料以及结构；

S4：基于COMSOL Multiphysics有限元多物理场仿真软件，仿真计算得到电感型避雷针的电容参数和电感参数，并最终得到电感型避雷针的高频等效电路模型；

S5：基于电磁暂态数值仿真程序PSCAD/EMTDC，建立精确的输电线路雷电过电压仿真分析模型，并计算输电线路耐雷水平；

S6：基于上述得到的输电线路落雷数据、地形地貌和耐雷水平，计算输电线路雷击跳闸率。

2.根据权利要求书1所述的一种基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算方法，其特征在于所述步骤S2中，落雷数据的统计分析与处理包括如下步骤：

S21：从雷电定位***导出该输电线路近三年的落雷数据excel文件；

S22：利用MATLAB中提供的xlsread函数对excel文件进行读取，其主要的调用形式为a＝xlsread('filename.xls')；

S23：通过mean()函数求平均值，sum()函数求和，统计每基杆塔近三年的平均地闪密度以及雷电流幅值概率分布参数；

S24：利用自定义拟合函数f＝fittype()对雷电流幅值概率分布参数进行拟合，自定义函数表达式如下公式：

P(I₀)＝1/(1+(I₀/a)^b)

其中：I₀为雷电流幅值，kA；P(I₀)为雷电流幅值超过I₀的概率；a、b为参数。

S25：利用GUIDE工具箱制作GUI界面，对杆塔地闪密度及雷电流幅值概率分布参数进行输出。

3.根据权利要求书1所述的一种基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算方法，其特征在于所述步骤S4中，电感型避雷针的电容参数和电感参数的计算过程包括如下步骤：

S41：基于Auto CAD绘图软件建立电感型避雷针的三维轴对称模型；

S42：将模型导入COMSOL Multiphysics有限元多物理场仿真软件，并选择静电场；

S43：定义模型材料属性并施加边界载荷；

S44：对电感型避雷针线圈部分进行较细化剖分处理，对其他部分进行细化剖分处理；

S45：计算电感型避雷针每匝线圈的匝间分布电容C_d、对地分布电容C_e和电感L。

4.根据权利要求书1所述的一种基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算方法，其特征在于所述步骤S5中，精确的输电线路雷电过电压仿真分析模型包括导线、杆塔、绝缘子、雷电流、电感型避雷针模型。

5.根据权利要求书1所述的一种基于电感型避雷针防护的输电线路雷击跳闸率的计算方法，其特征在于所述步骤S6中，输电线路雷击跳闸率的计算包括如下步骤：

S61：确定输入量为每基杆塔近三年平均地闪密度、雷电流幅值概率分布参数、耐雷水平、绝缘子串的放电距离以及地形地貌，输出量为每基杆塔的雷击跳闸率；

S62：所述输电线路雷击跳闸率的具体计算公式为：

N＝N_Lη(gP₁+P_sf)

N_L＝0.1Ng(28h^0.6+b)

η＝(4.5E^0.75-14)×10^-2

其中：N为线路雷击跳闸率，次/(100km.a)；N_L为线路落雷次数，次/(100km.a)；N_g为地闪密度，次/(km².a)；h为杆塔高度，m；b为两根地线之间的距离，m；η为建弧率，E为绝缘子串的平均运行电压梯度的有效值，kV/m；l_i为绝缘子串长度，m；g为击杆率，平原地区取1/6，山区取1/4；P₁为线路反击闪络概率；P_sf为线路直击闪络概率。

S63：根据以上函数表达式在MATLAB中定义M函数，并编写模型计算代码；

S64：利用GUIDE工具箱制作GUI界面，对输电线路杆塔雷击跳闸率进行批量计算与输出。