CN110414120B - 一种取消避雷线输电线路防雷性能计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种取消避雷线输电线路防雷性能计算方法，该方法根据输电线路和杆塔的具体结构设计，通过规程法和统计方法计算得到输电线路走廊沿线的落雷次数。通过电磁暂态计算方法计算得到输电线路遭雷击时的雷电流与过电压分布。通过幅值和波形的调整方法将自然界多重雷击等效为单个脉冲雷击，进而计算避雷器本体两端的过电压与避雷器能量吸收值来判断该基杆塔是否发生闪络跳闸，并依此类推，计算得到整条线路的雷击跳闸率。该防雷性能计算方法能为取消避雷线线路的防雷装置的研发与配置提供指导与建议，从而更加准确可靠地获得防雷性能中的雷击跳闸率参数。

Description

一种取消避雷线输电线路防雷性能计算方法

技术领域

本发明属于电力***在线监测领域，具体涉及一种取消避雷线输电线路防雷性能计算方法。

背景技术

经统计，电力***中50％以上的跳闸事故是由于雷击引发，随着经济的不断发展，人民对用电可靠性提出了更高的要求，降低输电线路的雷击跳闸率、建立健全电网防雷体系对提高电力***的稳定性具有重要的作用。

输电线路防雷性能的计算是线路防雷改造的基础，对于防雷装置的研发与配置有着十分重要的指导意义。近年来，取消避雷线并加装带间隙避雷器以及防雷防冰闪合成绝缘子等防雷措施的线路逐渐增多，目前并没有专门针对取消避雷线输电线路的防雷性能计算方法，也没有考虑到多重雷作用下避雷器雷电能量耐受能力。因此，如何对取消避雷线输电线路的防雷能力进行评价，还有待进一步研究。

针对以上情况，急需设计一种取消避雷线输电线路防雷性能的计算或者设计方法，从而能够为取消避雷线线路的防雷装置的研发与配置提供指导与建议。

发明内容

由于现有防雷性能计算方法主要针对有避雷线的输电线路，且并未考虑到避雷器通流能力对输电线路防雷能力的影响，本发明提出了一种取消避雷线输电线路防雷性能计算方法，旨在为取消避雷线线路的防雷装置的研发与配置提供指导与建议，从而更加准确可靠地获得防雷性能中的雷击跳闸率参数。

根据本发明的一个方面，提供一种取消避雷线输电线路防雷性能计算方法，该方法步骤包括如下步骤1～4：

步骤1：根据规程法和统计方法计算得到整条线路的雷电活动特性，雷电活动特性的参数包括线路落雷密度N(I)、雷电流幅值概率分布P(I)，并根据线路落雷密度N(I)计算得到每100km的输电线路的线路落雷次数σ；

步骤2：建立电磁暂态仿真模型，计算得到不同雷击条件下输电线路雷电流与过电压分布特性，并结合与雷电流相关的所述雷电流幅值概率分布P(I)得到避雷器吸收的能量E；

步骤3：根据避雷器的绝缘子设计参数计算得到避雷器能量吸收能力E₀，在不同雷击条件下时，通过判断避雷器吸收的能量E是否大于等于避雷器能量吸收能力E₀，从而获得输电线路耐雷水平E_L0，所述输电线路耐雷水平E_L0为避雷器吸收能量E达到E₀时对应的雷电流能量值；

步骤4：根据雷电能量E_L、雷电流幅值概率分布P(I)、线路落雷次数σ、输电线路耐雷水平E_L0来计算100km长度的输电线路的雷击跳闸率q，其中q的计算方式为：

q＝P(E_L)×σ

其中，雷电流能量E_L与雷电流幅值概率分布P(I)相关，P(E_L)表示雷电流能量E_L超出耐雷水平E_L0的概率；在得出雷击跳闸率q后，根据每100km的雷击跳闸率q进而计算整条线路的雷击跳闸率。

进一步的，所述步骤1还包括：

所述的雷电流幅值概率分布P(I)的计算公式为：

其中，a表示线路雷电流幅值的平均值，b表示概率分布指数，a与b的取值由雷电流波头时间与波尾时间决定，自变量I表示雷电流幅值。

进一步的，所述步骤1中根据线路落雷密度N(I)计算得到每100km的输电线路的线路落雷次数σ具体包括：

通过输电走廊的落雷密度与每1km的引雷宽度Y计算线路的落雷次数，其引雷宽度Y的公式为:

Y＝4h+b

其中，Y表示引雷宽度，h表示导线平均宽度，b表示最外侧导线距离；

线路落雷次数σ的公式为：

σ＝N(I)*100*Y

其中，线路落雷次数σ为带小数的浮点数。

进一步的，所述步骤2中避雷器吸收的能量E的计算方式为：

通过电磁暂态仿真模型仿真计算得到避雷器两端过电压以及流过避雷器的雷电流波形，避雷器吸收的能量E由下式确定：

当E超过避雷器能量吸收能力E0时，认为输电线路发生跳闸事故，其中u(t)和i(t)分别表示避雷器两端的雷电过电压以及雷电流，t表示时间，T表示雷电作用时间，E表示避雷器吸收的能量，其中避雷器两端的雷电流i(t)与雷电流幅值概率分布P(I)相关。

进一步的，所述步骤2中避雷器吸收的能量E的计算方式中使用了如下的多重雷与单重雷的等效计算方法：等效单重雷电波的幅值与波头时间等于多重雷电流中第一个雷电脉冲电流的幅值与波头时间，等效单重雷电波的总电荷与多重雷的总电荷相等，进而决定等效单重雷的波尾时间。

进一步的，所述多重雷与单重雷的等效计算方法还包括：

波尾时间t_R与等效单重雷电流的总电荷Q_eq能够近似等效为如下公式：

上式中，T表示雷电作用时间，I_eq为等效单重雷的幅值。

进一步的，所述步骤4中还包括：所述雷电能量E_L的计算公式具体为：

其中，p(I)表示与雷电流幅值概率分布P(I)密切相关的雷电过电流分布函数，u_L(t)表示雷电流在输电线路上产生的过电压，T表示雷电作用时间。

在另外一个方面，本发明还公开了一种取消避雷线输电线路防雷性能计算装置，包括：

至少一个处理器；以及

与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项所述的防雷性能计算方法。

在另外一个方面，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的防雷性能计算方法。

本发明的技术解决方案思路是，根据输电线路和杆塔的具体结构设计，通过规程法和统计方法计算得到输电线路走廊沿线的落雷次数。通过电磁暂态计算方法计算得到输电线路遭雷击时的雷电流与过电压分布。通过幅值和波形的调整方法将自然界多重雷击等效为单个脉冲雷击，进而计算避雷器本体两端的过电压与避雷器能量吸收值来判断该基杆塔是否发生闪络跳闸，并依此类推，计算得到整条线路的雷击跳闸率。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明的方法用于输电线路防雷性能参数整定计算中，考虑了多重雷对输电线路耐雷水平的影响。相对于传统的防雷性能整定计算方法而言，本发明可以更加准确的对取消避雷线情况下的输电线路防雷性能进行评估，进而对输电线路防雷设备的配置与安装进行指导。

附图说明

图1为本发明中取消地线输电线路防雷性能计算方法的流程图；

图2为典型的取消地线输电线路的雷电流幅值概率分布曲线图；

图3为本发明中输电线路雷击电磁暂态仿真模型的示意图；

图4为本发明中多重雷与单重雷击的等效方法示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示的取消避雷线(地线)输电线路防雷性能计算方法流程图，其可以通过每段线路的雷击跳闸率来计算整条线路的防雷性能计算方法。以100km为单位，其整条线路上的每100km分段的取消地线输电线路的防雷性能计算方法步骤包括如下的步骤1～4：

步骤1：根据规程法和统计方法计算得到整条线路的雷电活动特性，雷电活动特性的参数包括线路落雷密度N(I)、雷电流幅值概率分布P(I)，并根据线路落雷密度计算得到每100km的输电线路的线路落雷次数σ；

步骤2：建立电磁暂态仿真模型，计算得到不同雷击条件下输电线路雷电流与过电压的分布特性，并结合与雷电流相关的所述雷电流幅值概率分布P(I)得到避雷器吸收的能量E；

步骤3：根据避雷器的绝缘子设计参数计算得到避雷器能量吸收能力E₀，在不同雷击条件下时，通过判断避雷器吸收的能量E是否大于等于避雷器能量吸收能力E₀，从而获得输电线路耐雷水平E_L0，所述输电线路耐雷水平E_L0为避雷器吸收能量E达到E₀时对应的雷电流能量值；

步骤4：根据雷电能量E_L、雷电流幅值概率分布P(I)、线路落雷次数σ、输电线路耐雷水平E_L0来计算100km长度的输电线路的雷击跳闸率q，其中q的计算方式为：

q＝P(E_L)×σ

其中，雷电流能量E_L与雷电流幅值概率分布P(I)相关，P(E_L)表示雷电流能量E_L超出耐雷水平E_L0的概率，得出雷击跳闸率q后，可根据每100km的雷击跳闸率q进而计算整条线路的雷击跳闸率。

需要指出的是，由步骤4中的q的公式可知，所述雷击跳闸率q为一条100km长度的输电线路上每年跳闸的次数(可为浮点数)，即输电线路引雷范围内雷电流能量E_L超过所述输电线路耐雷水平E_L0的次数。

进一步的，当雷电能量E_L大于E_L0时，可知输电线路发生跳闸事故，因为E_L与雷电流幅值概率分布P(I)密切相关，优选的，为了使得雷电能量E_L的计算更为准确，E_L的计算公式为：

其中，p(I)表示与雷电流幅值概率分布P(I)密切相关的雷电过电流分布函数，u_L(t)表示雷电流在输电线路上产生的过电压。

如图2所示的雷电流幅值概率分布曲线，根据输电线路和杆塔的具体形状，通过规程法和统计方法，对取消避雷线输电线路走廊区域的雷电流幅值与落雷次数进行统计，得到线路沿途的落雷密度与线路沿途的雷电流幅值概率分布P(I)的公式，其如下式所示：

其中，a表示线路雷电流幅值的平均值，b表示概率分布指数，a与b的取值由雷电流波头时间与波尾时间决定，自变量I表示雷电流幅值，具体的，对于每100km的取消避雷线输电线路，雷电流波形可优选为波头时间2.6μs，波尾时间50μs的双指数波形。

此外，可通过输电走廊的落雷密度与每1km的引雷宽度Y计算线路的落雷次数，其引雷宽度Y的计算方法如下:

Y＝4h+b

其中，Y表示引雷宽度，h表示导线平均宽度，b表示最外侧导线距离。

线路落雷次数σ等于落雷密度N(I)乘以引雷宽度Y乘以线路长度，在计算雷击跳闸率时线路长度取100km，故此处线路长度为100km，此外，由步骤1可知，落雷密度N(I)由统计数据确定，线路落雷次数σ的公式如下：

σ＝N(I)*100*Y

其中，线路落雷次数σ可以为带小数的浮点数，从而从理论统计意义上表示每100km的落雷次数。

图3所示为输电线路电磁暂态仿真计算模型，其中输电导线和杆塔采用多波阻抗模型。与传统线路建模方法对比，取消了接地的避雷线。图3中横着的线路是输电线路，竖着线路和方框表示杆塔，因绝缘子模型与本发明研究的雷击跳闸率无关，且绝缘子和杆塔模型过于细节，故在本发明中不进行详细建模阐述和标明。

在步骤2中，可以通过仿真计算得到避雷器两端过电压以及流过避雷器的雷电流波形，避雷器吸收的能量E可以由下式确定：当E超过避雷器能量吸收能力E₀时，认为输电线路发生跳闸事故：

其中u(t)和i(t)分别表示避雷器两端的雷电过电压以及雷电流，t表示时间，T表示雷电作用时间，E表示避雷器吸收的能量，其中避雷器两端的雷电流i(t)大小由于主要受到雷电流幅值概率分布P(I)的影响(由于雷击时i(t)与P(I)之间的关系属于电力防灾减灾领域的基础知识，故此处不赘)，故避雷器吸收的能量E与雷电流幅值概率分布P(I)也密切相关。

由于实际的雷击环境更容易频繁的出现短时间内的连续多重雷的情况，为了使得步骤2中通过电磁暂态仿真计算模型计算得到的避雷器吸收的能量E在不同雷击条件下时的计算更加精确，本发明还额外设计了多重雷与单重雷的等效计算方法，用于提高计算效率。此外，判断取消避雷线输电线路是否闪络跳闸，计算避雷器本体两端过电压时，雷电流幅值起到了决定性因素，在计算雷电流能量时，需要考虑多重雷的影响，为计算方便，也很有必要将多重雷等效为单重雷电波来计算。

具体的，图4所示为多重雷与单重雷的等效计算方法，统计数据标明，现实中雷电流大多为多重雷电波，即一次雷击过程中存在多个脉冲雷电流。为计算方便，可以将多重雷等效为单重雷电波来计算，其等效原则为：单脉冲雷击为双指数波形，单脉冲雷击的幅值与上升时间与多脉冲雷击中第一个脉冲雷相等。等效的单脉冲雷击的波尾时间由多重雷的个数与能量决定。其等效原则为等效单重雷的电荷量与多重雷的总电荷量相等。例如，一个雷击过程中存在三个雷电脉冲，为计算简便，将多重雷击过程中的三个脉冲雷等效为单个脉冲雷。等效单重雷电流的总电荷Q_eq与多重雷中三个脉冲雷电荷Q1、Q2、Q3之和相等。

故可知具体的等效计算方法为：等效单重雷电波的幅值与波头时间等于多重雷电流中第一个雷电脉冲电流的幅值与波头时间。等效单重雷电波的总电荷与多重雷的总电荷相等，进而决定等效单重雷的波尾时间。

用于简便计算的等效单重雷的幅值I_eq与多重雷击过程中第一个脉冲雷的幅值I₁相等，即都等于I_m，波头时间t_f为2.6μs，波尾时间t_R由总的电荷量决定，t_R与Q_eq之间的关系式可以近似等效为如下公式：

上式中，T表示雷电作用时间，通常取最大值0.2s；

通过上述幅值和波形的等效调整方法将自然界多重雷击(不限于上述Q1、Q2、Q3的三重雷情况)等效为单个脉冲雷击，进而更加快速简便的计算避雷器两端吸收的避雷器吸收的能量E，通过比较E≥E₀，来判断理论上是否发生雷击跳闸事故，从而得出输电线路耐雷水平E_L0。

值得一提的是，本发明考虑到了超长输电线路的复杂布线情况，故通过分段计算每100km的雷击跳闸率q来得到整段输电线路的的雷击跳闸率，这样也是为了提高参数计算的准确率，且上述步骤4中得到的每100km的雷击跳闸率q也可以根据实际情况适用于更长或者更短的取消避雷线的输电线路的雷击跳闸率计算(如10～50km的情况)，此外，本发明的方法特别适合于通过计算机软件来实现，故上述取消避雷线输电线路防雷性能计算方法可使用带计算机指令的非暂态计算机可读存储介质或者包括处理器的计算机来实现。

本发明的有益效果是：该方法用于输电线路防雷性能参数整定计算中，考虑了长距离且带有多重雷对输电线路耐雷水平的影响。相对于传统的防雷性能整定计算方法而言，本发明可以更加准确的对取消避雷线情况下的输电线路防雷性能进行评估，且参数比较准确且计算量小，进而方便对输电线路防雷设备的配置与安装进行指导。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种取消避雷线输电线路防雷性能计算方法，其特征在于，该方法步骤包括如下步骤1～4：

步骤1：根据规程法和统计方法计算得到整条线路的雷电活动特性，雷电活动特性的参数包括线路落雷密度N(I)、雷电流幅值概率分布P(I)，并根据线路落雷密度N(I)计算得到每100km的输电线路的线路落雷次数σ；

步骤2：建立电磁暂态仿真模型，计算得到不同雷击条件下输电线路雷电流与过电压分布特性，并结合与雷电流相关的所述雷电流幅值概率分布P(I)得到避雷器吸收的能量E；

所述避雷器吸收的能量E的计算方式中使用了如下的多重雷与单重雷的等效计算方法：等效单重雷电波的幅值与波头时间等于多重雷电流中第一个雷电脉冲电流的幅值与波头时间，等效单重雷电波的总电荷与多重雷的总电荷相等，进而决定等效单重雷的波尾时间；所述多重雷与单重雷的等效计算方法还包括：

波尾时间t_R与等效单重雷电流的总电荷Q_eq能够近似等效为如下公式：

上式中，T表示雷电作用时间，I_eq为等效单重雷的幅值；

步骤3：根据避雷器的绝缘子设计参数计算得到避雷器能量吸收能力E₀，在不同雷击条件下时，通过判断避雷器吸收的能量E是否大于等于避雷器能量吸收能力E₀，从而获得输电线路耐雷水平E_L0，所述输电线路耐雷水平E_L0为避雷器吸收能量E达到E₀时对应的雷电流能量值；

步骤4：根据雷电能量E_L、雷电流幅值概率分布P(I)、线路落雷次数σ、输电线路耐雷水平E_L0来计算100km长度的输电线路的雷击跳闸率q，其中q的计算方式为：

q＝P(E_L)×σ

其中，雷电流能量E_L与雷电流幅值概率分布P(I)相关，P(E_L)表示雷电流能量E_L超出耐雷水平E_L0的概率；在得出雷击跳闸率q后，根据每100km的雷击跳闸率q进而计算整条线路的雷击跳闸率。

2.根据权利要求1所述的防雷性能计算方法，其特征在于，所述步骤1还包括：

所述的雷电流幅值概率分布P(I)的计算公式为：

其中，a表示线路雷电流幅值的平均值，b表示概率分布指数，a与b的取值由雷电流波头时间与波尾时间决定，自变量I表示雷电流幅值。

3.根据权利要求1所述的防雷性能计算方法，其特征在于，所述步骤1中根据线路落雷密度N(I)计算得到每100km的输电线路的线路落雷次数σ具体包括：

通过输电走廊的落雷密度与每1km的引雷宽度Y计算线路的落雷次数，其引雷宽度Y的公式为：

Y＝4h+b

其中，Y表示引雷宽度，h表示导线平均宽度，b表示最外侧导线距离；

线路落雷次数σ的公式为：

σ＝N(I)*100*Y

其中，线路落雷次数σ为带小数的浮点数。

4.根据权利要求1所述的防雷性能计算方法，其特征在于，所述步骤2中避雷器吸收的能量E的计算方式为：

通过电磁暂态仿真模型仿真计算得到避雷器两端过电压以及流过避雷器的雷电流波形，避雷器吸收的能量E由下式确定：

当E超过避雷器能量吸收能力E0时，认为输电线路发生跳闸事故，其中u(t)和i(t)分别表示避雷器两端的雷电过电压以及雷电流，t表示时间，T表示雷电作用时间，E表示避雷器吸收的能量，其中避雷器两端的雷电流i(t)与雷电流幅值概率分布P(I)相关。

5.根据权利要求1所述的防雷性能计算方法，其特征在于，所述步骤4中还包括：所述雷电能量E_L的计算公式具体为：

其中，p(I)表示与雷电流幅值概率分布P(I)密切相关的雷电过电流分布函数，u_L(t)表示雷电流在输电线路上产生的过电压，T表示雷电作用时间。

6.一种取消避雷线输电线路防雷性能计算装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及

与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至5任一项所述的防雷性能计算方法。

7.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至5任一项所述的防雷性能计算方法。

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