输电线路绕击耐雷性能的非线性解析分析模型及其在差异化防雷中的应用

摘要

我国的超高压输电线路已投产运行多年,运行经验表明,雷电绕击跳闸一直是困扰超高压输电线路安全运行的重要因素之一。作为目前我国电网中常见的输电线路电压等级,超高压输电线路的稳定运行是电网持续可靠供电的基础。在超高压输电线路防雷设计和改造工作中,为了使得防雷工作有针对性的开展,需要采用合适的绕击耐雷分析模型对输电线路的绕击耐雷情况进行估计。因此,超高压输电线路的绕击耐雷性能评估研究一直受到了各国学者的广泛关注。
　　长期以来,由于雷电监测技术、线路参数提取技术等的限制,同一条线路在绕击耐雷性能评估中的各类参数往往相对固定。这种计算方式能够整体反映出输电线路的绕击耐雷水平,为当前超高压输电线路的绕击耐雷性能评估做出了巨大贡献。但由于防雷工作中跳闸往往发生于线路防雷最为薄弱的环节。因此,提出了针对不同线路参数、不同线路走廊特征的“差异化”防雷思想,而“精准的”线路绕击耐雷分析是实现差异化防雷的基础。目前,国内外已有大量学者开展了此类将雷电参数、线路参数、走廊参数等精细化的差异化绕击耐雷性能评估方法研究。
　　本文中,基于各类差异化绕击耐雷性能分析模型,对模型中涉及的关键方法进行了充分的研究,并对限制差异化绕击耐雷性能评估的关键模型进行了改进,建立了适用于工程应用的超高压输电线路的差异化绕击耐雷性能评估模型。
　　考虑到差异化绕击耐雷性能评估对地闪密度空间精度要求较高的需求,分析了目前经典网格法在基于雷电定位数据的高空间精度地闪密度统计中的不足,认为由于经典网格法在空间精度和统计数据可靠性上不能兼顾,难以直接用于高空间精度的地闪密度统计,并以经典网格法为基础提出了一种新的地闪密度统计方法,即邻域网格法。邻域网格法将网格与统计区域分离,使得其在地闪密度统计时,能不受网格减小而带来的统计结果不可靠的约束。文中从地闪数据量和定位误差两个角度分别采用仿真和理论分析方法对比了这两种网格法在地闪密度统计时的优缺点。结果表明:在网格较大时,经典网格法和本文提出的邻域网格法均能得到较为可靠的结果;而在网格较小时,邻域网格法依然能得到较为可靠的结果而经典网格法可靠性大幅降低。同样,重庆市内的实际地闪密度统计结果也印证了这个结论。进而,基于邻域网格法统计了空间精度为0.01°×0.01°的重庆市高空间精度地闪密度图。
　　相关研究表明,超高压输电线路建议采用先导发展模型(LPM)进行绕击风险分析。先导发展模型在计算时能较为完整地反映出雷电绕击超高压输电线路的整个过程,但其计算量巨大、计算耗时较长,限制了其在差异化绕击耐雷性能分析研究和工程中的应用。
　　本文分析了影响先导发展模型应用的关键因素,认为上下行先导发展是造成模拟工作量巨大的核心因素之一。因此,基于目前先导发展模型中广泛应用的Rizk上下行先导发展方向假设,建立了描述上下行先导发展方向的微分方程控制模型,并进一步将该微分方程模型通过解析求解的方式转化为一组单自变量的非线性方程组,该非线性方程组可以将上下行先导头部的发展轨迹完整地表示出来。验证实验表明:该组方程准确地表达了Rizk关于上下行先导发展方向的假设,可在实际先导发展模型计算机实现中代替传统数值模拟方法。
　　通过把雷击地面物体的过程分为两个关键步骤,即文中的下行先导一级定位点和二级定位点,将复杂的数值模拟先导发展模型过程简化为求解一级定位点和二级定位点非线性方程组的非线性解析分析模型。基于线性递减下行先导通道电荷密度假设,使用模拟电荷法建立了空间电位非线性计算模型,使用该非线性计算模型,可以快速地确定线路上行先导起始时下行先导的一级定位点。采用文中得到的上下行先导发展方向非线性计算模型,结合空间电位的非线性计算模型及上行先导压降模型,建立了下行先导二级定位点非线性计算模型。因此,通过比较地面导线或避雷线上及大地对应的不同二级定位点,可以较为快捷地得到雷击发生点。导线吸引半径对比结果表明:本文先导发展模型与 Dellera-Garbagnati等模型获得的导线吸引半径较为吻合,验证了本文非线性解析先导发展模型的合理性。
　　进一步研究了输电线路多导线情况下先导发展模型的非线性解析分析模型,并结合前文提出的高空间精度地闪密度统计模型,使用目前最新的全球高程模型ASTER GDEM,建立了适合超高压输电线路的绕击耐雷性能分析模型。并结合重庆地区地闪密度分析结果对某500kV输电线路绕击耐雷性能进行了差异化评估。