判定输电线路防雷性能的全线路、多参数综合优化方法

1、一种判定输电线路防雷性能的全线路、多参数综合优化方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤： 1)选定需要判定的输电线路； 2)对该线路以杆塔为单位进行逐杆参数的选取，选取的参数包括可调参数和不可调参数； 3)按照所选取的参数，利用蒙特卡洛法，逐杆计算杆塔的雷击跳闸率； 4)以各杆塔雷击跳闸率为基础，以杆塔两侧水平档距之和的二分之一作为加权系数，计算线路的雷击跳闸率；

判定输电线路防雷性能的全线路、多参数综合优化方法\n技术领域\n本发明属于电力系统输电线路防雷技术领域，特别涉及一种用于判定输电线路防\n雷性能的方法，该方法能够对输电线路的防雷性能进行全线路仿真、多参数综合优化， 用以科学指导输电线路设计和运行阶段的防雷工作。\n背景技术\n据电力部门统计，雷击是输电线路的主要故障类型，其中因雷击跳闸占线路跳闸 比例可髙达609b。因此，无论对于线路设计部门还是运行部门，分析判定输电线路防 雷性能的好坏都是一项非常重要的工作，反映输电线路防雷性能的主要指标是线路的 雷击跳闸率。在实际防雷工程中， 一般是根据具体线路参数如杆塔型号，接地电阻， 绝缘配置等，选用合适的雷击跳闸率方法，计算出该条线路雷击跳闸率的理论值，如 果发现此值高于设定值，则需釆用相应的防雷措施，使得雷击跳闸率控制在可以接受 的范围内。\n目前，对输电线路进行雷击跳闸率计算在国际上通用的是IEEE1997年在《Guide for Improving the Lighting Performance of the Transmission Line》中介绍的 方法和CIGRE1991在《Guide to Procedures for Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines》中介绍的方法。\n利用上述两种方法判定输电线路防雷性能方法的基本思路是类似的，即以线路中\n典型杆塔的雷击跳闸率代表线路的防雷性能，具体流程如图1所示，各步骤介绍如下：\n1) 首先要选择具有代表性的典型杆塔（对于典型杆塔的衡量目前还没有一个科\n学和统一的指标体系，而更多要依靠现场经验）；\n2) 选取所需的杆塔参数（由电力部门提供)，参数主要包括杆塔主尺寸、接地电 阻、绝缘配置、所在位置的地形地貌等；\n3) 将参数代入前述IEEE或者CIGRE计算方法中的一系列解析表达式中，最终 计算结果是该杆塔的雷击跳阐率值；\n4) 将此雷击跳闸率值作为判定整条线路的防雷性能的优劣的依据；\n5) 如果该跳闸率值小于满足防雷性能要求的设定值，则该线路防雷性能合格， 则跳至步骤7),判定结束，否则进入下一步。\n7)判定结束。 ' 从上面的步骤可以看出，这种方法对线路防雷性能的分析基于单个杆塔，虽然方\n法简化，但在实际线路中，沿线各个杆塔的型号、所在的地形地貌等众多条件差别很 大，按这种简化方法分析全线路防雷性能，不仅计算精度无法得到保证，而且全线路 各段、各基杆塔的防雷性能无法详细掌握。\n同时在分析各种防雷措施效果时，目前这些方法只能单参数计算、比较和调整， 无法分析多参数综合变化后线路的防雷性能变化趋势，采取防雷措施时更是很难找到 最优点。最终导致输电线路在设计和运行阶段，防雷措施使用缺乏科学性和系统性。\n发明内容\n本发明的目的是为了克服现有的输电线路防雷判定方法无法进行全线路仿真、多 参数综合优化的不足,提出了一种输电线路雷击跳闸仿真的全线路、多参数综合优化 方法，该方法能够对输电线路的防雷性能进行全线路仿真、多参数综合优化，使输电 线路在设计和运行阶段，采取的防雷措施更具针对性、科学性和系统性。\n本发明提出的一种判定输电线路防雷性能的全线路、多参数综合优化方法，其特 征在于，该方法具体包括以下步骤：\n1) 选定霈要判定的输电线路（可以是整条线路也可以是比较关心的某段线路）；\n2) 对该线路以杆塔为单位进行逐杆参数的选取，选取的参数包括可调参数和不可 调参数（可调参数可包括:绝缘配置、接地电阻、防雷措施、避雷线保护角，不可调参 数可包括：雷电活动参数、杆塔参数、线路参数、海拔高度、地形地貌等）；\n3) 按照所选取的参数，利用蒙特卡洛法（处理随机问题的一种数学方法），逐杆 计算杆塔的雷击跳闸率；\n4) 以各杆塔雷击跳闸率为基础，以杆塔两侧水平档距之和的二分之一作为加权系\n数，计算线路的雷击跳闸率，计算公式如式（1)所示；\nformula see original document page 4\n式中/?为线路的雷击跳闸率（l/100km.yr) W为线路杆塔数\n《为第i基杆塔的雷击跳闸率（1/lOOkm.yr) ^为第i基杆塔两側水平档距之和的一半 i为线路总长度（km);\n5) 根据步驟4)得到的线路雷击跳闸率，如果该跳闸率小于满足防雷性能要求的 设定值则防雷性能符合要求，跳转至步骤IO)判定结束，否则进入步骤6);\n6) 根据沿线各杆塔雷击跳闸率，找出跳闸率碌离的杆塔为防雷性能薄弱的杆塔；\n7) 根据现场情况对该薄弱杆塔选定可调参数的可调范围；\n8) 根据可调参数的可调范围或采用的防雷措施，在调节范围内对各参数分别选取\n数点，按照步骤4)的方法计算出选取点的雷击跳闸率，并将选取点的雷击跳闸率拟合 出多参数综合优化曲线；\n9) 根据多参数综合优化曲线（在现场操作的可行性和经济性前提下），选取合适\n的优化点，利用蒙特卡洛法重新计算该基杆塔改进后的雷击跳闸率，跳转至步骤4);;\n10) 判定结束。\n本发明解决其技术问题所采用的技术方案的特点是：逐杆精确建模不仅导致线路\n整体雷击跳闸率计算精度提高，而且还能帮助具体掌握沿线各个杆塔的防雷性能，使 下一步釆取防雷措施时更具针对性。在针对性地对薄弱杆塔采取防雷措施时，首先确 定实际运行中的可调整参数，然后计箅当各个可调参数在一定范围内变化时，杆塔防 雷性能变化的趋势曲线。这样就可以帮助用户根据实际情况，确定多参数综合调整时 的最优点。\n本发明的有益效果是，通过对输电线路防雷性能进行全线路、多参数综合优化， 科学指导电力部门的输电线路设计和运行，有效地提髙了输电线路的供电可靠性，产 生了明显的经济效益和社会效益。\n附图说明\n图1是现有输电线路防雷性能判定方法流程图。\n图2是本发明的判定输电线路防雷性能的全线路、多参数综合优化方法总体流程图。\n图3是本发明采用的蒙特卡洛法的实施例具体流程图。\n图4是本发明引入的电气几何模型原理图。\n图5是本发明引入的电气几何模型计算绕击率示意图。\n图6是伏秒特性相交法判断绝缘闪络示意图。\n图7是本发明方法计算的某条输电线路沿线杆塔的跳闸率曲线。\n图8是本发明方法计算的某基杆塔的防雷性能多参数优化曲线。\n具体实施方式\n下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。\n本发明提出的判定输电线路防雷性能的全线路、多参数综合优化方法,如图2所示, 具体包括以下步骤：\n1)选定需要判定的线路或者线路段（在这一步中可以输入关于此条线路的总体情 况。主要包括线路名称，线路长度，线路杆塔数等。线路名称可以用来作为计算后保 存相应线路参数和计算结果文件的文件名，线路长度和线路杆塔数是计算过程中的必 要参数）；\n2) 对线路进行逐杆参数的选取，具休参数包括：绝缘配置、接地电阻、防雷措施\n(加装一定高度的耦合地线；加装线路避雷器；加装负角保护针等)、避雷线保护角、 雷电活动参数、杆塔参数（杆塔型号；呼程高）、线路参数（电压等级：交流110kV、\n220kV、 500kV、 750kV、 1000kV,直流士500kV、 ±800kV;杆塔两侧水平档距；）、 海拔高度、地形地貌等。其中绝缘配置、接地电阻、防雷措施、避雷线保护角为可调\n参数，雷电活动参数、杆塔参数、线路参数、海拔高度、地形地貌为不可调参数；\n3) 按照所选取的参数，采用紫特卡洛法计算各基杆塔的雷击跳闸率；由于输电线 路雷击跳闸本身是具有较强的概率性质，用概率方法来处理它更能体现其本质特征。 蒙特卡罗方法作为一种经典的随机问题计算方法，它选定目标函数以后，可根据需要 调节和改变影响因素，利用数学的方法产生各种不同分布的随机变量抽样序列，并由 此给出模拟给定问题的概率统计模型，然后给出问题数值解的渐进统计估计值。蒙特 卡罗方法的突出特点是考虑因素全面，且控制因素取舍容易，计算模型简明。\n在本发明中，将输电线路雷击跳闸率W作为若干随机变量的函数。\nW = /(/，(/，S.") (2)\n其中雷电流幅值/,雷击瞬间导线工频电压值仏雷击线路时的部位J5等都是随 机变量，且具有不同的概率分布X/)、 AW和AB)。\n利用紫特卡洛法计算雷击跳闸率时，需要重复地模拟线路遭受雷击的情况，即采\n用随机抽样的方法从各个雷击跳闸影响因素^/)、,W和y(B)的随机变量的概率分布中 抽样，得到第A次雷击时相应的随机数A、"和&，然后利用相应的判据判断这些该 次雷击时引起绝缘闪络。\nformula see original document page 6(3) 若引起闪络，则"-l,否则y产O经过N次抽样，便可得到概率估计值：\nformula see original document page 6 (4)\n本发明采用的蒙特卡洛法的实施例流程如图3所示，具体包括以下步骤： 第1步：读入计算所霱参数，主要的参数包括：绝缘配置、接地电阻、防雷措施 (加装一定高度的耦合地线；加装线路避雷器；加装负角保护针等)、避雷线保护角、 雷电活动参数、杆塔参数（杆塔型号；呼程高）、线路参数（电压等级：交流110kV、 220kV、 500kV、 750kV、 1000kV,直流士500kV、 士800kV;杆塔两側水平档距；）、 海拔离度、地形地貌等.\n第2步：设置模拟雷击次数\n首先根据第一步输入的杆塔参数利用公式（5)计算该型号杆塔在指定的落雷密 度下，一年内在100公里线路上的雷击次数（由于雷击输电线路是个随机过程，因此\n必须计算足够雷击次数后才能使计算结果收敛从而满足精度要求。考虑到计算的速度 和工程计算的精度要求，每次仿真计算的雷击次数可相当于10000—30000年100公 里线路的遭受的雷击次数）。\nformula see original document page 7\n其中/i,为避雷线平均髙度（米)，6为两避雷线间距（米）。\nformula see original document page 7\n/»,是杆塔髙度，力是避雷线弧垂。 第3步随机抽样雷电流波形\n按照雷电流幅值概率分布公式（7),波头、波尾分别取值2.6/50戸。\nformula see original document page 7\n其中n为[O,l]均匀分布的随机数。 第4步随机抽样导线上的工频电压瞬时值\n一般认为大多数雷为负极性，则雷击瞬间叠加工频电压为较大正值时情况较严重。 计算产生一个[O,l]均匀分布的随机数r,,由于工频相角在[0,2;r]上是均匀分布的，由\n此可将产生的随机数变换为相角的随机数：\nformula see original document page 7\n得到伊值后，就可以计算出三相工频电压瞬时值：\nformula see original document page 7\n反击和绕击。对于反击又可以\n其中C/，为相电压峰值-, 第5步根据电气几何模型决定雷击部位\n在线路引雷宽度内，雷击线路部位主要分为二种-分为雷击杆塔，和雷击档距中间。对于雷击档距中央，一般认为不会导致绝缘子闪络。\n对于绕击、反击概率的计算，本发明引入了电气几何模型。.\n电气几何模型是指将雷电的放电特性和线路的结构尺寸联系起来而建立的一种\n几何计算模型。其基本原理建立在下列櫬念和假设基础上：\n(1) 雷电先导到达被击物体临界击距前是不确定的，到达哪一物体的击距内即 向其放电；\n(2) 击距是雷电流的函数，大小与雷电流幅值相关。根据理论研究和试验，击 距和雷电流幅值有以下关系-.\nn = *〃 （12) 式中r,表示击距（m), /表示雷电流幅值（kA)。 h p是两个常数。IEEE在1997年推荐的公式是：\nrc = 10/OM (13)\n[3.6+1.71n(43-Zi》]/065 & <40加\nrf —…" （14)\n其中^为导线平均对地高度。/V与〜分别为导线（包括避雷线）击距 和地面击距。\n(3) 不考虑雷击物体的形状效应和其它因素的影响。\n(4) 先导接近地面时入射角服从某种分布函数，从统计角度来讲，其垂直下落 的雷电分布密度最大，而水平来袭的雷电密度下降到零。在一般计算中，可以认为所 有雷均垂直地面下落。\n以地面倾角S, = 0为例。对于某一雷电流幅值根据式（13)可以算出相应击 距r"和〜,，如图4所示。\n在图4中，以〜为半径，分别以避雷线s和导线c为圆心作圆弧fiiCj和C,D,,两 圆弧交于C,;在离地面〜处作一水平线Z)A,与圆弧交于A。由弧线&C,， C,A和直 线A&组成的的曲线沿线路方向移动，形成定位面。当雷电流幅值为/,的先导头部位 于定位面以上时，其放电发展不受线路影响。只有当先导头部到达定位曲面时，才受 影响向被击物发展。若先进入5,C,弧面，则避雷线被击，导线得到保护，所以fi,C, 为保护弧。如先进入C",弧面，则击中导线，即避雷线的屏蔽失效发生了绕击，C,A 为暴露弧。若先导头部进入A&平面，则击中大地，故A&为大地捕雷面。\n假设雷电先导均匀垂直地从髙空向地面发展。从图5可以看出，幅值为力击于保 护弧取C,和暴露弧CP,的概率，分别与该两弧再水平面的投影尸,G,和G,A成比例。 因此C^D,和KA之比就是雷电流/,的绕击率。由图可见，绕击率和雷电流幅值有关。 幅值低的雷电流具有较大的绕击率。理想条件下，当幅值达到最大绕击电流后，绕击 率为0。但在山区，气象不利条件下，不排除发生大电流绕击的可能性。\n以计算过程中的一次雷击为例。根据电气几何模型计算得到绕击率《，随后计算\n机产生一个[O, 1]均匀分布的随机数/"3,如果G〈A,则认为此次雷击为绕击；否则认 为为反击。再进一步，如果发生反击，则认为雷击杆塔（即击杆率》服从如表1所\n示的概率分布，再产生一个[0,1]均匀分布的随机数A,如果r4< g则认为发生雷击 杆塔，否则是雷击档距中央。当确定完此次雷击的雷击部位后，如是雷击档距中间， 就可认为不发生雷击闪络。\n表1各种地形条件下杆塔击杆率\n避雷线根数 1 2\n平原 1/4 1/6\n山区 1/3 1/4\n第6步计算雷击过电压\n这里的雷击过电压计算包括两种情况，即绕击过电压与反击过电压，具体为绕击\n还是反击是由第5步决定的。\n当发生绕击情况时，绝缘子两端承受的过电压计算如式（15)\nf7-^ (15) 2\n其中/为雷电流幅值，Zc为导线波阻抗，工程计算中通常取400Q。 当发生反击时，如果没有安装耦合地线时，绝缘子两端承受的过电压计算如（16)\n=(1—拳+ A-A:)单,+(1-yfco丄风+a (16) ' A, /ic\n(16)式中的参数含义如表2所示。\n表2 table see original document page 9\n\n如果防雷措施是安装了耦合地线，绝缘子两端承受的过电压幅值按照（17)式计\n算-\nformula see original document page 10 (17)\nz;,丄：为塔顶至耦合地线悬挂点段、耦合地线悬挂点至塔基段的杆塔等值电感 (HH),\nZ^，Z^为杆塔两側相邻档避雷线及耦合地线的电感并联值（pH)。 /^为杆塔冲击接地电阻（O)。 G,q为导线和地线、耦合地线间的耦合系数。 #为杆塔分流系数\ni/为工频电压瞬时值的随机抽样（kV)\nA为雷电流波头陡度OiS)\n第7步闪络判断\n对于反击闪络，可用式（18)近似计算伏秒特性曲线，然后利用伏秒特性相交法 (见图6)判断。\n^(/) = (400+，, （18)\n其中Kw?为闪络电压值（kV), /为闪络前时间（ns)， W为最短空气间隙或绝缘 子干弧距离（m)。\n图6中曲线1为按（18)计算的绝缘子闪络特性曲线，曲线2和曲线3分别为两\n条雷击过电压曲线。曲线2和曲线l在tl时刻相交，可以认为此时绝缘发生闪络。曲\n线3和曲线1不相交，绝缘不发生闪络。\n对于绕击闪络判断，如果（15)式计算的绕击过电压为（/\nformula see original document page 10 (19)\n其中/为绝缘子干弧距离或者最短空气间隙（m)\n如果C^(/cro,即绕击导致绝缘子闪络，否则绕击不导致绝缘子闪络。\n第8步循环计算\n第三步至第七步是一次雷击过程的仿真，对每基杆塔的雷击仿真应该根据第二步 计算的次数进行。因此需要对第三步和第七步不断重复计算，直到满足计算次数要求。 第9步计算跳闸比例\n根据前面统计的雷击闪络事故次数乘以式（20)的建弧率和总的雷击次数相比， 即可得到雷击跳闸事故占总雷击次数的比例。\nformula see original document page 10(20)\n式中五为绝缘子串的平均运行电压梯度（kV/m)。 对有效接地系统：\nformula see original document page 11(21) 哉\n对中性点绝缘，消弧线困接地系统：\nformula see original document page 11 (22) 以上两式中仏为系统额定电压（kV); /!为绝缘子长度（m); /2为木横担线路的\n线间距离（m),对铁横担和钢筋混凝土横担线路，/2=0。 若£S6kV/m,建弧率很小，可近似认为/7-0。 第IO步雷击跳闸率\n目前，工程计算中对于雷击跳闸率单位一般采用1/100 km.yr。因此需要将第九步 的计算结果进行单位换算。假设第9步得到的雷击跳闸事故占总雷击次数比例为尸， 而计算线路每100公里一年遭受的雷击次数按式(4)计算所得为/^,则该条线路的雷 击跳闸率为A^尸/100 km.yr。\n4)加权综合计算线路雷击跳闸率。这一步完全以上一步杆塔雷击跳闸率计算为基 础。可以对杆塔的雷击跳闸率进行棑序，跳闸率较高即防雷性能薄弱的某些杆塔。线 路的雷击跳闸率按式（23〉进行计算\nformula see original document page 11， （23)\n式中及为线路的雷击跳闸率（l/100km.yr) JV为线路杆塔数\n《为第i基杆塔的雷击跳闸率（1/lOOkm.yr) A为第i基杆塔两側水平档距之和的一半 i为线路总长度（km)\n5) 判断线路防雷性能是否霈要进行改进。如果式（23)计箅的跳闸率值小于满足\n防雷性能要求的设定值（此设定值一般设为电网主管部门对该线路雷击跳闸率考核 值），则该线路防雷性能合格，则跳至步骤10),判定结束，否则霈要改进线路防雷性 能，转入歩骤6);\n6) 选定线路中防雷比较薄弱的杆塔.薄弱杆塔一般选取步骤4)中排序得到的跳 闸率较商的杆塔（考虑到雷电活动的随机性， 一般不推荐按照实际运行中雷击事故情 况选择薄弱杆塔）；\n7) 选定杆塔中可调参数的可调范围，主要的可调参数包括接地电阻、绝缘配置、 防雷措施(包括加装一定离度的辆合地线、加装线路避雷器、加装负角保护针等)，在 设计阶段避哲线保护角也是可调參数。这些参数是否可调应该根据线路实际情况判\n断；\n8) 计算多参数综合优化曲线。当可调参数确定以后，在常规的可调范围，对各参\n数分别选取数点，按照步骤4)的方法计算出选取点的雷击跳闸率，然后将这些选取点\n的雷击跳间率拟合出多参数综合优化曲线（为了同时保证计算精度和计算速度， 一般 每条曲线的选取5个左右点用于计箅）。\n9) 根据8)计算结果的多参数优化曲线，在现场操作的可行性和经济性前提下， 选取合适的优化点，对该基杆塔用优化点的参数代替原有参数，利用蒙特卡洛法重新\n计算该基杆塔改进后的雷击跳闸率，并跳转至步骤3);\n10) 判定结束。\n采用本发明方法的应用实例的效果如下： 图7是对某条输电线路采用本发明方法得到的沿线杆塔雷击跳闸率分布示意图。 同时计算根据（20)式计算得到该条线路雷击跳闸率计算值为1.41/100 km.yr,统计 值为1. 37/100km. yr,计算值和实际值的误差为6%。从图中可以看出，这条输电线路 共有307基杆塔。其中用红色标注的101#, 102#， 105#, 106#， 114#雷击跳闸 率较高，属于霈要重点加强防雷性能的杆塔。\n图8是该条线路跳闸率最高114#杆塔多参数综合优化曲线图。从图中可以看出， 减小保护角是改善该基杆塔防雷性能最有效的措施，在此基杆塔位置应该选用小保护 角的杆塔，同时适当加强绝缘。具体的最优点应该以此曲线为基础，电力设计和运行 人员从现场操作的可行性和改造的经济性出发适当选取。

序号	公开(公告)号	公开(公告)日	申请日	专利名称	申请人
1	CN2336493Y	暂无	1998-02-10	输电线路的防雷保护装置失效专利	江西省电力通信公司

序号	公开(公告)号	公开(公告)日	申请日	专利名称	申请人
1	WO2012145876A1	2011-08-29	2011-08-29	一种输电线路的导线及架空地线空间位置的确定方法公开	山西省电力公司;山西省电力公司电力科学研究院;唐震;王康宁;贾玉君;续建国;齐月文;万学治;郭红龙;尉世凯;常美生;赵兴勇;连建华;弭勇;米康民;冯爱香;杨华;王浩;王红卫;王天正