输电线路周边配电线路感应雷跳闸风险评估方法与装置

摘要

本发明公开了一种输电线路周边配电线路感应雷跳闸风险评估方法，先采集输电线路的相关数据，再将采集的数据代入特定的公式，将所得感应雷跳闸率作为衡量感应雷跳闸风险的评估标准，为特殊区域配电线路防雷措施的制定与评比等提供了可靠的依据。本评估方法所需采集的数据易于获取，整个过程不涉及复杂的运算，所得跳闸率准确地反映了跳闸风险。本发明还公开了一种与上述评估方法对应的输电线路周边配电线路感应雷跳闸风险评估装置，将评估方法与评估装置结合使用，即可实现风险评估的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及配电线路防雷技术领域，特别是涉及一种输电线路周边配电线 路感应雷跳闸风险评估方法与装置。

背景技术

配电线路，如10kV配电线路，作为配电网的重要组成部分，由于线路的绝 缘水平低下，感应雷过电压已经成为配电线路雷害跳闸率增多的主要原因。为 了节省低压架空配电线路的建设用地，有一部分的架空配电线路是沿着输电线 路的走廊并行架设或是成一定角度交叉架设，特别是在变电站进出线区域。输 电线路的高度远远大于架空配电线路，发生雷击时首先击在输电线路上，对配 电线路具有保护屏蔽作用，但其产生的交变磁场会在配电线路上感应出过电压 从而使线路跳闸。

目前国内外对架空配电线路感应过电压的产生机理及电磁场数学模型进行 了研究，但特殊区域的低压架空配电线路，如上述输电网周边的配电线路，缺 少对其感应雷过电压的定量分析。

发明内容

基于上述情况，本发明提出了一种输电线路周边配电线路感应雷跳闸风险 评估方法与装置，以评估输电线路周边特殊区域的配电线路遭受感应雷后跳闸 的风险，为防雷措施的制定提供支持。

一种输电线路周边配电线路感应雷跳闸风险评估方法，包括步骤：

采集输电线路周边配电线路的相关数据：落雷密度γ、雷暴日T_d、建弧率η、 线路平均高度h、绝缘子放电电压U_50%、历史最大雷电流幅值I_m，输电线路到 配电线路的距离S_min、输电线路双回避雷线之间的距离d，对于单回避雷线的输 电线路，所述距离d为0；

按照以下两式分两种情况计算输电线路周边配电线路感应雷跳闸率n：

当配电线路走廊位于输电线路走廊正下方并平行架设时，

$n=2\times 0.1\times {\int }_{S_{\min }}^{S_{\max }}{10}^{-\frac{I_0\left(S\right)}{88}}\gamma T_d\mathrm{\eta dS}$

当配电线路走廊处于输电线路走廊正下方并成一定角度架设时，

$n=2\times 0.1\times {\int }_{S_{\min }}^{S_{\max }}{10}^{-\frac{I_0\left(S\right)}{88}}\gamma T_d\mathrm{\eta dS}\times \frac{d+2S_{\max }}{100\sin \theta }$

上式中，S表示雷击点到输电线路的距离，θ表示输电线路与配电线路之间 的夹角，I₀(S)表示引起绝缘子闪络的最小雷电流，其表达式为表示引起绝缘子闪络的雷击点的最远距离，其表达式为

一种输电线路周边配电线路感应雷跳闸风险评估装置，包括：

数据采集模块，用于采集输电线路周边配电线路的相关数据：落雷密度γ、 雷暴日T_d、建弧率η、线路平均高度h、绝缘子放电电压U_50％、历史最大雷电流 幅值I_m，输电线路到配电线路的距离S_min、输电线路双回避雷线之间的距离d， 对于单回避雷线的输电线路，所述距离d为0；

跳闸率确定模块，用于按照以下两式分两种情况计算输电线路周边配电线 路感应雷跳闸率n：

当配电线路走廊位于输电线路走廊正下方并平行架设时，

$n=2\times 0.1\times {\int }_{S_{\min }}^{S_{\max }}{10}^{-\frac{I_0\left(S\right)}{88}}\gamma T_d\mathrm{\eta dS}$

当配电线路走廊处于输电线路走廊正下方并成一定角度架设时，

$n=2\times 0.1\times {\int }_{S_{\min }}^{S_{\max }}{10}^{-\frac{I_0\left(S\right)}{88}}\gamma T_d\mathrm{\eta dS}\times \frac{d+2S_{\max }}{100\sin \theta }$

上式中，S表示雷击点到输电线路的距离，θ表示输电线路与配电线路之间 的夹角，I₀(S)表示引起绝缘子闪络的最小雷电流，其表达式为表示引起绝缘子闪络的雷击点的最远距离，其表达式为

本发明输电线路周边配电线路感应雷跳闸风险评估方法，先采集输电线路 的相关数据，再将采集的数据代入特定的公式，将所得感应雷跳闸率作为衡量 感应雷跳闸风险的评估标准，为特殊区域配电线路防雷措施的制定与评比等提 供了可靠的依据。本评估方法所需采集的数据易于获取，整个过程不涉及复杂 的运算，所得跳闸率准确地反映了跳闸风险。本发明输电线路周边配电线路感 应雷跳闸风险评估装置是与上述评估方法对应的装置，评估方法与评估装置结 合使用，即可实现风险评估的目的。

附图说明

图1为电气几何模型示意图；

图2为与输电线路成不同角度的配电线路模型；

图3为本发明输电线路周边配电线路感应雷跳闸风险评估方法流程示意图；

图4为本发明输电线路周边配电线路感应雷跳闸风险评估装置结构示意图。

具体实施方式

本发明对架设于输电线路下方的配电线路的感应雷进行分析，采用感应雷 跳闸率来反映其感应雷跳闸风险，并分两种情况分别计算感应雷跳闸率，为特 殊区域配电线路的耐雷水平的评估与防雷措施的制定等提供了可靠的依据。下 面以10kV配电线路为例，从跳闸率计算公式的推导说起，结合附图详细解释本 发明。

1.线路电气几何模型原理

电气几何模型是将雷电的放电特性与线路的结构尺寸结合起来的一种计算 引雷范围的几何分析模型。其原理是雷云向地面发展的先导放电通道头部到达 被击物的临界击穿距离即击距以前，击中点是不确定的，先打到哪个物体的击 距之内，就向该物体放电。由于雷击距理论需要考虑的因素较多，其中最主要 的因素为雷电流幅值大小和被击物高度，而经典的电气几何模型未考虑线路高 度对击距的影响，所以是改进后的电气几何模型，雷击距是一个有关于雷电流 幅值和被击物高度的函数，即：

r_d＝aI^bf(h)                                （1）

式中，r_d为对导线雷击击距；f（h）为考虑导线高度影响的函数；I为雷电 流幅值；a、b为常系数。

当雷电先导发展到导线侧边时，会受到地面形状的影响，对雷击地面和导 线的选择存在区别，通常情况下地面击距r_e都要小于导线击距：

r_e＝k_jr_d；k_j＜1                        （2）

所以雷击距决定了导线、避雷线、大地三者之间的受雷范围，也决定了三 者的相对引雷能力。

2.引雷空间的雷击概率

根据雷击距的理论，输电线路的引雷范围示意图，在不考虑地面倾角的影 响下，如图1所示。

由式（1）确定的导线雷击距和式（2）确定的对地雷击距会交与某一点， 此点的雷电流幅值I_e为临界值为

$I_e={\left[\frac{k_j}{\mathrm{af}\left(h\right)}\right]}^{\frac{1}{b}}---\left(3\right)$

雷击的雷电流幅值是随机的，对大量实测的雷电流幅值进行统计分析，可 得其概率分布曲线。根据我国电力行业标准DL/T620-1997，综合我国十几年观 测结果，对于珠江三角区地区（雷暴日超过20天），雷电流幅值的累计概率分 布推荐为：

lgP＝-I/88                                    （4）

对应的得到的雷电流概率密度函数为：

$P\left(I\right)=\frac{\ln 10}{88}{10}^{-\frac{I}{88}}---\left(5\right)$

所以根据相关文献中的方法可以得到以I_e为分界点的输电架空线路单侧的 引雷范围W为：

$W={\int }_0^{l_e}{R}_{d}P\left(I\right)\mathrm{dI}+{\int }_{l_e}^{+\infty }{x}_{e}P\left(I\right)\mathrm{dI}---\left(6\right)$

由式可知引雷范围是与线路高度成正比关系，随着线路高度的增加而增加。 因此相对于独立架设的配电线路，架设在输电线路旁的架空配电线路会由于引 来更多的雷而导致的感应雷过电压使配电线路跳闸。

3.架空配电线路感应雷

当雷云对输电线路或附近地表面放电时，先导通道中的负电荷被迅速中和， 先导通道产生的电场迅速降低，使导线上的束缚电荷得到释放，沿导线两侧运 动形成感应雷过电压。同时，雷电通道中的雷电流在通道周围空间建立强大的 电磁场，该电磁场的变化也感应出很高的电压，静电感应电压和电磁场感应电 压两者相互叠加使导线产生过电压。

输电线路对周围的架空配电线路的屏蔽作用，使架空配电线路在输电线路 的保护范围内基本不遭受直击雷，而大部分遭受的是感应雷。所以当架空配电 线路上的输电线路或附近地面落雷时，10kV架空配电线路绝缘水平相比于输电 线路的要小得多，在架空配电线路上的感应过电压会超过绝缘耐受电压从而引 起配电线路的跳闸事故。

根据标准DL/T620-1997规定当雷击点距线路距离大于65m时，导线上的感 应过电压的最大值为

$U=25\frac{\mathrm{Ih}}{S}---\left(7\right)$

其中式中，I为雷电流幅值；h导线平均高度；S雷击点至线路距离。

一般情况下，10kV配电架空线路的杆塔高度在5m-15m之间，220kV输电 线路的平均地线高度为24.5m，平均导线高度为14.5m，设雷击点到架空配电线 路有最短距离S_min（雷击点在输电线路或附近地面上），当雷直击在输电线路上 或周围地面上，在架空配电线路产生的感应过电压采用式（7）不合适。根据国 外的对架空线路感应雷过电压的研究，IEEE最新配电线路防雷标准有下面式子 计算：

$U=38.8\frac{\mathrm{Ih}}{S}---\left(8\right)$

在防雷计算中判断绝缘子是否发生闪络一般采用的是比较绝缘子串两端出 现的过电压与绝缘子或空气间隙U_50%放电电压作为判据，当过电压超过绝缘的 U_50%放电电压即为闪络。所以在给定距离S和绝缘子U_50%放电电压后，可以算 出引起绝缘子闪络的最小雷电流I₀(S):

$I_0\left(S\right)=\frac{U_{50\%}S}{38.8h}---\left(9\right)$

$S_{\max }=\frac{38.8I_{m}h}{U_{50\%}}---\left(10\right)$

式(10)中，I_m表示配电线路历史记录的最大雷电流幅值，通常取前三年的历 史数据，历史数据可以通过雷电定位系统获取，S_max表示引起配电线路绝缘子闪 络的雷击点的最远距离。

综合考虑直击输电线路及线路两侧的地面落雷，对所有能引起架空配电线 路绝缘子闪络的落雷区间进行积分，架空配电线路的感应雷过电压引起的跳闸 率为：

$n=2\times 0.1\times {\int }_{S_{\min }}^{S_{\max }}{10}^{-\frac{I_0\left(S\right)}{88}}\gamma T_d\mathrm{\eta dS}---\left(11\right)$

其中落雷密度为γ=0.023Td^0.3，建弧率为η。式中积分的起始点S_min和S_max分别代表引起配电线路感应雷跳闸的雷击点的最短距离的最远距离。

雷击输电线路或附近地面产生的感应雷过电压对周围配电架空线路的影响 受到其感应过电压覆盖范围的约束，所以输电线路走廊与架空配电线路走廊的 方向会影响架空配电线路的感应雷过电压引起的跳闸的次数。

当架空配电线路走廊处于输电线路走廊正下方并平行架设时，即θ=0°时， 如图2中的配电线路A。配电架空线路全部受到影响，其由于过电压引起的每 100km年跳闸率适用于(11)式。

当架空配电线路走廊处于输电线路走廊正下方并成一定角度架设时，即0< θ<90°，如图2中的配电线路B。配电架空线路只在输电线路为中心的的两侧 的d+2S_max范围内受影响，d表示输电线路双回避雷线之间的距离，如果输电线 路只有一根避雷线，则d值为0，则配线电路在限定范围内由于过电压引起的跳 闸率为：

$n=2\times 0.1\times {\int }_{S_{\min }}^{S_{\max }}{10}^{-\frac{I_0\left(S\right)}{88}}\gamma T_d\mathrm{\eta dS}\times \frac{d+2S_{\max }}{100\sin \theta }---\left(12\right)$

基于上述理论，本发明输电线路周边配电线路感应雷跳闸风险评估方 法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤S1、采集输电线路周边配电线路的相关数据：落雷密度γ、雷暴日T_d、 建弧率η、线路平均高度h、绝缘子放电电压U_50％、历史最大雷电流幅值I_m，输 电线路到配电线路的距离S_min、输电线路双回避雷线之间的距离d，对于单回避 雷线的输电线路，所述距离d为0；

步骤S2、分两种情况计算输电线路周边配电线路感应雷跳闸率n：

当配电线路走廊位于输电线路走廊正下方并平行架设时，按照式(11)计算；

当配电线路走廊处于输电线路走廊正下方并成一定角度架设时，按照式(12) 计算。

本评估方法的最佳适用对象为为10kV配电线路。所述落雷密度与雷暴日之 间的关系，优选地为：γ=0.023Td^0.3。

本发明输电线路周边配电线路感应雷跳闸风险评估装置是与上述评估方法 对应的装置，如图4所示，包括：

数据采集模块，用于采集输电线路周边配电线路的相关数据：落雷密度γ、 雷暴日T_d、建弧率η、线路平均高度h、绝缘子放电电压U_50％、历史最大雷电流 幅值I_m，输电线路到配电线路的距离S_min、输电线路双回避雷线之间的距离d， 对于单回避雷线的输电线路，所述距离d为0；

跳闸率确定模块，用于分两种情况计算输电线路周边配电线路感应雷跳闸 率n：

当配电线路走廊位于输电线路走廊正下方并平行架设时，按照式(11)计算；

当配电线路走廊处于输电线路走廊正下方并成一定角度架设时，按照式(12) 计算。

本评估装置的其他技术特征与上述评估方法相同，在此不予赘述。

将本发明的评估方法与评估装置结合使用，即可实现感应雷跳闸风险评估 的目的。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。