CN116167205A - 一种高压输电线路隐性缺陷检测方法及预警*** - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高压输电线路隐性缺陷检测方法及预警***，该方法包括：对不同环境及因素作用下高压输电线路弧光高阻故障的发生机理进行分析，研究弧光高阻接地故障发生时的空气绝缘击穿量化机理；基于空气绝缘击穿量化机理，对高压输电线路线路弧光高阻故障进行建模；在数值仿真***中实现对弧光高阻故障模型的控制，模拟输电线路高阻故障录波数据中电弧的动态特性；基于动态阻抗轨迹实现高压电网在线稳定量化评估分析；本发明通过建立弧光高阻故障模型，实现了基于动态阻抗轨迹的高压电网在线稳定量化评估分析，为调控值班人员提供电网运行方式调整、负荷倒供、风险分析等线路隐性故障处理辅助策略，提高电网应对冲击的稳定裕度与安全性。
Description
技术领域
本发明属于高压输电线路隐性缺陷检测技术领域，尤其涉及一种高压输电线路隐性缺陷检测方法及***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
受自然环境等因素影响，近年来多样形态高压输电线路隐性缺陷频繁发生，主要由绝缘子闪络、山火、雾霾影响、雷击造成的绝缘损伤、碰触树木等因素诱发，该类缺陷易导致多起继电保护动作延时甚至拒动等，从而诱发大规模风电、光伏脱网或者高压直流输电连续换相失败引发的连锁故障等恶性事故，对电网造成严重的冲击。
输电线路隐性缺陷存在明显的发展过程，典型的特征是存在弧光放电现象，而隐性缺陷机理分析与检测的难点在于故障点电弧的动态非线性特征难以把握。常规基于热平衡原理的电弧模型均为实时迭代计算的微分方程，适用于数值建模仿真，但无法与现有继电保护、故障录波中常规算法有效结合；目前实际故障分析中一般将电弧考虑为静态纯阻性元件或稳态电弧电压方波模型，而丧失了最富有价值的动态特性，从而导致了针对弧光高阻故障整定门槛设置无依据、主后备保护拒动等恶性事故频繁发生，严重影响了电网运行安全。
因此，本发明将积极对高压输电线路隐性缺陷进行统计分析，探讨弧光高阻故障引发输电线路跳闸的条件和影响因素、研究适用于弧光高阻演化机理分析的电弧动态模型，研究并推广应用故障预警技术。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高压输电线路隐性缺陷检测方法及***。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种高压输电线路隐性缺陷检测方法，包括：
对不同环境及因素作用下高压输电线路弧光高阻故障的发生机理进行分析，研究输电线路弧光高阻接地故障发生时的空气绝缘击穿量化机理；
基于所述空气绝缘击穿量化机理，对高压输电线路线路弧光高阻故障进行建模；
在数值仿真***中实现对所述的弧光高阻故障模型的控制，模拟得到输电线路高阻故障录波数据中电弧的动态特性；
基于获取的动态阻抗轨迹实现高压电网在线稳定量化评估分析。
本发明第二方面提供了一种高压输电线路隐性缺陷预警***，包括：
空气绝缘击穿量化机理分析模块，被配置为：对不同环境及因素作用下高压输电线路线路弧光高阻故障的发生机理进行分析，研究输电线路弧光高阻接地故障发生时的空气绝缘击穿量化机理；
弧光高阻故障模型建立模块，被配置为：基于所述空气绝缘击穿量化机理，对高压输电线路线路弧光高阻故障进行建模；
弧光高阻故障模型仿真模块，被配置为：在数值仿真***中实现对所述的弧光高阻故障模型的控制，模拟得到输电线路高阻故障录波数据中电弧的动态特性；
高压电网评估分析模块，被配置为：基于获取的动态阻抗轨迹实现高压电网在线稳定量化评估分析。
本发明第三方面提供了计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的一种高压输电线路隐性缺陷检测方法中的步骤。
本发明第四方面提供了电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的一种高压输电线路隐性缺陷检测方法中的步骤。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
(1)本发明提出适用于故障形态演化机理推演的对数电弧模型，实现了基于动态阻抗轨迹的高压电网在线稳定量化评估分析，为调控值班人员提供电网运行方式调整、负荷倒供、风险分析等线路隐性故障处理辅助策略，提高电网应对冲击的稳定裕度与安全性。
(2)考虑到将高阻考虑成数值较大的单一静态纯阻性元件，这种对电弧动态过程的简化忽略会导致继电保护动作性能的延迟和失效的问题，本发明基于空气绝缘击穿原理的弧光高阻故障建模及形态演化机理研究，重点考虑山火、湿热、雾霾等因素对空气绝缘强度的量化影响，提出了适用于故障形态演化机理推演的对数电弧模型，实现高压输电线路高精度精细化故障分析。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为第一个实施例的高阻接地故障测距电路原理图；
图2为第一个实施例的故障点电压与电弧电流工频相位差；
图3为第一个实施例的方法流程图；
图4为第一个实施例的碰撞电离系数与电场强度关系曲线；
图5(a)为第一个实施例的对数电弧模型的电弧伏安特性曲线；(b)、(c)分别为两个不同变电站的弧光高阻故障实测图；(d)为传统电弧模型Cassie模型的电弧伏安特性曲线。
具体实施方式
实施例一
输电线路发生单相高阻接地故障如图1所示，考虑到输电线路正序阻抗等于负序阻抗，则保护安装处的故障相电压
计算公式可写为:/>
式中：
分别为故障/>
相正序和零序线路电阻和电感；/>
和i0分别为测量端/>
相电流和零序电流；uF为故障点电压；
分别为线路电阻和电感的零序电流补偿系数。
传统单端阻抗法故障测距将故障支路看作纯阻性，一般利用保护量测出的零序电流来估算故障点电压相位，令uF＝RF i0，得到传统单端阻抗算法如式(2)所示：
此时，误差主要有以下两个来源。
1)对侧电流注入故障支路带来的相位差，特别是在对侧为强***，保护量测侧为弱***时；或者量测***的等值阻抗角相差较大时；或者故障点距量测端较远且***阻抗和线路阻抗角相差较大时，用保护量测处零序电流估计故障点电压的相位将存在较大误差。
2)电弧等值阻抗的电感分量，这也是导致故障测距精度下降的主要原因。图2给出了近年我国华东、华中部分电网实际弧光高阻接地故障故障点电压与电弧电流工频相位差实测结果，可见，最大相位差可达到10°，电弧存在明显的电感分量。
因此，考虑到故障点电弧的动态非线性特征难以把握的问题，本实施例提供一种高压输电线路隐性缺陷检测方法，包括：
步骤1、对不同环境及因素作用下高压输电线路弧光高阻故障的发生机理进行分析，研究输电线路弧光高阻接地故障发生时的空气绝缘击穿量化机理；
高阻故障分析的难点在于不同类型绝缘击穿的量化机理不同，如果对电弧动态过程的简化，仅将高阻考虑成数值较大的单一静态纯阻性元件会导致继电保护动作的延迟和失效；因此，本实施例基于输电线路弧光高阻接地主要为大气压短间隙放电的现实，研究弧光高阻接地电弧精细化建模及故障检测算法；
输电线路因绝缘子闪络、雷击、山火、碰触树木等因素发生弧光高阻接地故障的共同特征在于故障时刻故障支路由短间隙电弧和导电介质构成。绝缘子闪络是空气中沿绝缘子发生的破坏性放电现象，故障支路由局部电弧和表面污层电阻串联构成。雷击故障机理与绝缘子闪络相同。山火故障是输电线路山火燃烧电离空气及导电烟雾导致的导线局部空气放电，故障支路由电弧空气间隙和山火引发的导电通路构成。碰触树木故障是输电线路与其周边树木直接碰触或空气绝缘被击穿而导致的输电线路放电现象，故障支路由局部电弧和树木构成。其他经导电介质的输电线路隐性故障与上述故障机理相同。
步骤2、基于空气绝缘击穿量化机理，对高压输电线路线路弧光高阻故障进行建模；
具体的，高阻接地故障支路建模需将非线性电弧阻抗和塔基固定电阻分离，关注能给出电弧电压和电流解析表达的电弧模型，从而适用于故障测距和继电保护应用。
针对输电线路弧光高阻接地故障主要为低气压短间隙放电的实际，本实施例利用阐释短间隙空气放电的汤逊原理描述电弧的动态特性；采用电子的定向运动表达电弧电流，采用电弧空间中电场和电子崩运动的耦合关系描述电弧电压与电流的函数关系。
电子在电场的作用下加速，因碰撞电离使自由电子数不断增加，形成电子崩，因此，利用大量电子的定向运动来表达电弧电流，存在方程(3)：
i＝ISeαd (3)
式中：i为电弧电流；IS为由外电离因素引起的饱和电流；d为电弧长度；α为碰撞电离系数，定义为一个电子沿电场方向行经1cm长度平均发生的碰撞电离次数。
根据理想气体状态方程和电子平均自由程的关系式及理想气体状态方程，可以给出一定气压下，碰撞电离系数α(cm-1)与电场强度E(kV/cm)的关系：
式中在给定气压下对应于确定的气体种类时，c1、c2在一定的E、T值范围内均为常数。对N2，在0.1MPa气压下，c1＝2.86×106K/cm，c2＝7.47×104K·kV/cm。电离状态下电弧中心部分维持的温度可达5000K以上，电弧表面温度也会达到3000～4000K，若取T＝3000K，碰撞电离系数α与电场强度E的关系如图4所示。
图4中，实线为α与E的函数关系曲线，虚线为拟合直线，对于输电线路电弧放电现象，在标准大气压、气体以N2为主的空气中，工频电压下且间隙距离不太大时，温度在3000K左右的电弧，平均电场强度E约为5kV/cm，α与E近似呈正比关系如式(5)所示：
α＝AE+B (5)
式(5)代入式(3)，有：
i＝ISeαd＝ISe(AE+B)d (6)
对电弧电压u有：
u＝Ed≥0 (7)
则：
i＝IS′eAu≥IS′ (8)
式(8)可进一步写成：
式中：u为电弧电压；i为电弧电流；UT＝1/A、I'S＝ISeBd为常数。考虑到交流信号的极性，从汤逊碰撞理论中推导出了空气电弧中电压与电流的函数关系，在交流电压下的对数电弧模型如式(10)所示：
步骤3、在数值仿真***中实现对所述的弧光高阻故障模型的控制，模拟得到输电线路高阻故障录波数据中电弧的动态特性；
具体的，为了验证式(10)模型的准确性，基于EMTP软件建模图1所示***拓扑，利用式(10)所示算法仿真发生弧光高阻接地故障时电压电流时域波形及伏安特性；其中220kV交流输电***参数如表1所示，线路总长为60km，两侧***功角差为10°。
表1 220kV交流输电***参数
图5给出了分别基于对数电弧仿真模型与实测数据的电弧电压与电流伏安特性的对比，可见采用式(10)对数电弧模型能够很好地模拟出图5(b)、(c)所示的华东电网实际输电线路高阻故障录波数据中电弧的动态特性。而对比可见，图5(d)所示的传统电弧模型Cassie模型，其伏安特性曲线拟合效果明显比对数电弧模型差。
步骤4、基于获取的动态阻抗轨迹实现高压电网在线稳定量化评估分析。
具体的，由于高压输电线路的接地瞬间不论是高阻接地故障还是金属性短路都会有接地点电压的突变，通过观察检测到达检测母线的暂态突变，判断接地故障的发生。
实施例二
本实施例公开了一种高压输电线路隐性缺陷预警***，包括：
空气绝缘击穿量化机理分析模块，被配置为：对不同环境及因素作用下高压输电线路线路弧光高阻故障的发生机理进行分析，研究输电线路弧光高阻接地故障发生时的空气绝缘击穿量化机理；
弧光高阻故障模型建立模块，被配置为：基于所述空气绝缘击穿量化机理，对高压输电线路线路弧光高阻故障进行建模；
弧光高阻故障模型仿真模块，被配置为：在数值仿真***中实现对所述的弧光高阻故障模型的控制，模拟得到输电线路高阻故障录波数据中电弧的动态特性；
高压电网评估分析模块，被配置为：基于获取的动态阻抗轨迹实现高压电网在线稳定量化评估分析。
实施例三
本实施例的目的是提供计算机可读存储介质。
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的一种高压输电线路隐性缺陷检测方法中的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供电子设备。
电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的一种高压输电线路隐性缺陷检测方法中的步骤。
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种高压输电线路隐性缺陷检测方法，其特征在于，包括：
对不同环境及因素作用下高压输电线路弧光高阻故障的发生机理进行分析，研究输电线路弧光高阻接地故障发生时的空气绝缘击穿量化机理；
基于所述空气绝缘击穿量化机理，对高压输电线路线路弧光高阻故障进行建模；
在数值仿真***中实现对所述的弧光高阻故障模型的控制，模拟得到输电线路高阻故障录波数据中电弧的动态特性；
基于获取的动态阻抗轨迹实现高压电网在线稳定量化评估分析。
2.如权利要求1所述的一种高压输电线路隐性缺陷检测方法，其特征在于，所述的导致高压输电线路线路发生弧光高阻接地故障的环境及因素包括：绝缘子闪络、雷击、山火以及碰触树木；
不同环境及因素下发生弧光高阻接地故障时的的共同特征在于故障时刻故障支路由短间隙电弧和导电介质构成。
3.如权利要求1所述的一种高压输电线路隐性缺陷检测方法，其特征在于，基于所述空气绝缘击穿量化机理，对高压输电线路线路弧光高阻故障进行建模，包括：将非线性电弧阻抗和塔基固定电阻分离，基于电弧空间中电场和电子崩运动的耦合关系，构建交流电压下的对数电弧模型。
4.如权利要求3所述的一种高压输电线路隐性缺陷检测方法，其特征在于，所述构建交流电压下的对数电弧模型，包括：基于电子的定向运动构建电弧电流模型；基于所述电弧电流模型和碰撞电离系数构建电弧电压模型；
基于交流信号的极性以及所述电弧电压模型，获得交流电压下的对数电弧模型。
5.如权利要求4所述的一种高压输电线路隐性缺陷检测方法，其特征在于，所述碰撞电离系数的确定方法为：根据理想气体状态方程和电子平均自由程的关系式及理想气体状态方程，在一定气压下，建立碰撞电离系数与电场强度的函数模型。
6.如权利要求3所述的一种高压输电线路隐性缺陷检测方法，其特征在于，所述在数值仿真***中实现对所述的弧光高阻故障模型的控制，模拟得到输电线路高阻故障录波数据中电弧的动态特性，包括：利用EMTP数字仿真软件以及对数电弧模型模拟高阻接地故障，并与现场实测数据进行比对，验证仿真模型的有效性。
7.如权利要求6所述的一种高压输电线路隐性缺陷检测方法，其特征在于，所述验证仿真模型的有效性，包括：基于高阻接地故障电压电流时域波形及伏安特性分析的固体介质电击穿模型分析，并基于现场故障录波数据对构建的高压输电线路线路弧光高阻故障模型进行有效性评估。
8.一种高压输电线路隐性缺陷预警***，其特征在于：包括：
空气绝缘击穿量化机理分析模块，被配置为：对不同环境及因素作用下高压输电线路线路弧光高阻故障的发生机理进行分析，研究输电线路弧光高阻接地故障发生时的空气绝缘击穿量化机理；
弧光高阻故障模型建立模块，被配置为：基于所述空气绝缘击穿量化机理，对高压输电线路线路弧光高阻故障进行建模；
弧光高阻故障模型仿真模块，被配置为：在数值仿真***中实现对所述的弧光高阻故障模型的控制，模拟得到输电线路高阻故障录波数据中电弧的动态特性；
高压电网评估分析模块，被配置为：基于获取的动态阻抗轨迹实现高压电网在线稳定量化评估分析。
9.计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的一种高压输电线路隐性缺陷检测方法中的步骤。
10.电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的一种高压输电线路隐性缺陷检测方法中的步骤。
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| CN118150915A (zh) * | 2024-05-10 | 2024-06-07 | 江苏天南电力股份有限公司 | 一种高压导线表面电场强度分析方法及*** |
-
2022
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| CN118150915A (zh) * | 2024-05-10 | 2024-06-07 | 江苏天南电力股份有限公司 | 一种高压导线表面电场强度分析方法及*** |
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