專利名稱：一種結合地形地貌測量高壓輸電線路雷電繞擊跳閘率的方法
技術領域：
本發明涉及一種結合地形地貌測量高壓輸電線路雷電繞擊跳閘率的方法，特別是 涉及一種基于電氣幾何模型，將地形數據與線路導線、地線特性相結合的高壓輸電線路雷 電繞擊跳閘率測量方法，適用于輸電線路防雷設計和防雷改造，屬于電力系統過電壓領域。
背景技術：
我國高壓輸電線路通常采用架設避雷線進行雷電防護，但仍有發生雷電繞擊導線 現象，如安徽500kV超高壓輸電線路雷擊跳閘占總跳閘的70%，貴州電網500kV雷擊跳閘 占總跳閘的71. 6% ；國家電網運行資料也表明雷擊是引起輸電線路非計劃停電的主要原因 之一。為此，有必要評估高壓輸電線的雷電繞擊性能，以完善高壓輸電線的防雷設施，降低 雷擊跳閘率。為了分析高壓輸電線中的避雷線保護效果，國外最先提出了基于擊距概念的 電氣幾何模型(EGM，即electricgeometry model)，該模型已經從簡單模型發展到考慮了地 面傾角、風速等各種因素影響的復雜模型，在輸電線路繞擊性能分析中得到了廣泛的應用。 根據電氣幾何模型的原理，地面傾角和輸電導線、避雷地線高度對輸電線路雷電繞擊跳閘 率的影響較大，然而由于輸電線路走廊地形復雜，走廊中地面傾角和輸電導線、避雷線對地 高度的獲取比較困難。目前在高壓輸電線路繞擊跳閘率的測算中，其輸電導線和避雷地線 (以下簡稱“導地線”)的高度均采用平均高度，地面傾角也只采用桿塔處的地面傾角，這樣 雖然使得電氣幾何模型計算方便，卻不能反映輸電線路走廊經過連續上坡、下坡、跨越溝壑 等復雜地形對輸電線路繞擊跳間率的影響，使得輸電線路運行中的雷擊跳間率比設計值偏 高，造成非計劃停電。
發明內容
本發明主要是為解決高壓輸電路線路走廊地形實際參數和任意點導地線高度獲 取困難的問題，提供一種結合地形地貌測量高壓輸電線路雷電繞擊跳間率的方法。其測量 出的繞擊跳閘率更接近應輸電線路的實際情況，可反映輸電線路兩側地形地貌不同對桿塔 繞擊跳閘率的影響。本發明實質是利用地理信息軟件獲取輸電線路地形參數，將輸電走廊海拔高度與 導地線特性相結合計算任意點的高度，進而精確測量高壓輸電線路雷電繞擊跳間率的方 法。該方法首先搜集繞擊跳閘率計算時需要的輸電線路參數，其次按桿塔將輸電線路分為 多個區間，對每個區間采用等分的辦法分成多個小段，通過桿塔經緯度坐標計算各段以及 垂直于各段的輔助點的經緯度坐標，進而采用采用地理信息系統軟件獲取各段及輔助點的 海拔高度，然后根據輔助點及到分段點的高度差與距離計算各段的地面傾角，同時將輸電 線路走廊各段的海拔高度與導地線特性相結合得到各分段導線與避雷線實際對地高度，最 后利用考慮地面傾角的電氣幾何模型計算各段的繞擊跳間率，對各段的繞擊跳間率進行求 和得到各個區間的繞擊跳閘率即各基桿塔的繞擊跳閘率。該方法可以方便地計算出輸電線路桿塔處的地面傾角，反映輸電線路走廊的實際地形地貌特點，為評價輸電線路避雷線的 防雷效果提供了可靠依據。本發明根據上述技術原理，其解決技術問題所采用的技術方案包括以下步驟第一步，獲取輸電線路參數，包括線路絕緣子閃絡電壓，桿塔基數，桿塔所在位置 經度、緯度，桿塔結構參數，導地線特性及氣象條件。其中，桿塔結構參數是指桿塔高度，避 雷線之間的距離，導線到桿塔中心的距離，導線懸掛點高度；導地線特性包括彈性伸長系 數、線膨脹系數、導線重量。第二步，對輸電線路進行分段，確定輸電走廊各分段點經緯度坐標與該點對應的 導地線弧垂以及垂直于輸電走廊的輔助點的經緯度坐標。本發明中假設線路桿塔在輸電線路走廊方向遭受雷擊的范圍為桿塔與相鄰桿塔 檔據的二分之一，對這一范圍的輸電線路走廊進行分段，采用近似等分的分段示意圖如附 圖ι所示，即將Tk基桿塔與TkfTktl基桿塔之間的檔距的二分之一分別等分為M、N段，每段 的長度為ALm、ALn。由于各檔據值不同，ALm、Δ Ln值有一定的差別。N與對應的Δ Ln的 計算方法為根據計算的要求，先假設每一小段的初始值為AL，則分段數N為
桿塔與Tk+1之間的檔據，計算得到N后則與之對應的每一小段的值為同理可以求的M和對應的每一小段值ALm。值得一提的是，兩基桿塔的距離除采用上述等分的方法進行分段之外，還可以在 上述分段的基礎上再根據高差進行進一步的分段，甚至還可采用不等分的方法分段。如附圖2所示，定義桿塔編號增大方向為大號方向，反之為小號方向，即對Tk塔而 言，與Tk+1連線方向為大號方向，與Tlri塔連線方向為小號方向。根據兩點確定一條線段，線 段上一點到一端的距離一定的原理，從而可以得到大號方向各分段點的經緯度算式為 其中
⑶式中，i = 0，1...N，N為大號方向分段數，k表示第k基桿塔，k = 1，....t-1。 Np(i)為第i段的緯度，Ep (i)為第i段的經度，N(k)表示第k基桿塔緯度坐標，E(k)表示 第k基桿塔經度坐標；同理小號方向各點的經緯度表達式為
其中 式中，i = M，... -1，0，M為小號方向分段數，k表示第k基桿塔，k = 2，. . . t，其他
參數意義同上。忽略地球坐標系投影變換的影響，垂直于輸電走廊方向各分段的輔助點經緯度坐 標公式如(5)式所示
(5)
N(k)>N(k+l) 其中
(kn
<P =
(N(k + 1)-N(k)) /(E(k +1) - E{k)) f arctan(kp) kp > 0
I + arc tan(kp) kp<0 式中，k = 1. . . t，Edm，Nors分別表示輔助點的經度與緯度坐標，該輔助點位于P點
右側，且到P點的距離為g，Eplg，Nplg分別輔助點的經度與緯度坐標，該輔助點位于P點左側， 且到P點的距離為g。Ep(i)、Np(i)為式(3)、(4)中的各分段點的經緯度坐標。根據懸鏈線方程，結合導地線特性，檔據中間任意點的弧垂表達式為
Zp =
g
2σ0 cos φ
Χ -Κ)
(6)
σ3-Ea2-A^O其中一
'S；
24々，
Ε = σ
^T-^^-iJ σ為線膨脹系數，1為相鄰桿塔之間的擋
距，Ip為ρ點到桿塔的距離，g為自重比載，β為彈性伸長系數，t為溫度，m表示已知氣象 條件，η表示待求氣象條件。第三步，利用能夠處理空間信息的地理信息軟件，獲取各點的海拔高度，進而確定 各分段的地面傾角及導地線對地高度；各點的地面傾角示意圖如附圖3所示，附圖3中，L表示過P點，垂直于第k基和 第k+1基桿塔間輸電走廊斷面，且到P點距離為g的一點，該點用于輔助計算地面傾角，Ph為點P和^g之間的高差，地面傾角計算公式為θ = arctan (Ph/Pd) (7)任意兩點之間的距離為Dab = RO (8)其中R是地球平均半徑，其值為6. 371*106m，識是任意兩點a、b之間的角度差，由 下式計算cosO = sinNasinNb+cosNacosNbcos Δ E式中，Na、Nb是a、b兩點的緯度，Δ E是兩點之間的經度差，單位均為度。由于輸電 線路走廊地形起伏不定，該專利中采用多個g值計算地面傾角的平均值的辦法來表征各段 的地面傾角。各點導線、地線對地高度計算示意圖如附圖4所示，相鄰桿塔之間的導線上任意 一點P對地距離Hp。為 式中HTk為Tk塔海拔高度；H。為Tk塔導線懸掛點對地距離；fp。為P點弧垂，Ip為 P點距Tk塔的水平距離，Hp,為P點在地面投影的海拔高度，Ψ為Tlri與Tk塔掛線點之間的 高差角，相鄰桿塔海拔高度比Tk塔低，角度為正，否則為負。同理可得避雷線上任意點P距地面的高度表達式為 式中，下標s表示避雷線，其余符號意義與式(9)相同。第四步，采用考慮地面傾角的電氣幾何模型計算各分段的繞擊跳間率及各基桿塔 的繞擊跳閘率。考慮擊距系數和地面傾角電氣幾何模型計算示意圖如附圖5所示，圖5中Hs為避 雷線高度，H。為導線高度，α為保護角，以反時針方向通過導線為正，反之為負；θ為地面 傾角，以桿塔處向下傾斜的為負，反之為正。不同的雷電流對應不同的擊距，當先導進入暴 露弧BC弧面時，將擊中導線，隨著雷電流的增大，暴露弧逐漸減小，當Q1 = θ2時，暴露弧 為0，不在發生繞擊，此時對應的雷電流為最大繞擊雷電流，對應的擊距為最大擊距，最大擊 距Rsm通用表達式為 其中雷電對大地和導線的擊距不同，兩者的比值定義為擊距系數，目前對擊距系數的 取值還沒有定論，不同的國家取值不同，如IEEE推薦公式為rc = ΙΟΙ0'65 (12) 在計算繞擊跳間率時有暴露弧長法、暴露距離法、暴露寬度法等計算方法，如采用暴露距離法計算公式為 上式中，Ng為該地區的年落雷次數，P’ (I)為雷電流的幅值概率分布，可以采用 行業標準推薦公司計算或者根據雷電定位系統統計數據，本實施例中采用行業標準推薦公 司，D為距離，Dc為暴露寬度，Ic為發生閃絡的最小雷電流，Ifflax為最大繞擊雷電流。該發明認為中相導線沒有發生繞擊閃絡的可能性，則第k基桿塔繞擊跳閘率由兩 部分構成Sf (k) = Sf (Ii1) +Sf (kr) (14)其中 上式中，1表示左側，r表示右側，左右方向以桿塔編號增加方向為基準進行判斷， Sfl⑴表示第i段左側繞擊跳閘率，Sft⑴表示第i段右側繞擊跳閘率。計算時式(13)中 i為0時D取值為AL/2，其余D取值為AL。與現有輸電線路繞擊跳閘率計算方法相比，本發明具有如下積極的技術效果將 輸電線路分段，充分反映了輸電線路沿線的地形地貌和導地線高度對雷擊跳閘率的影響， 所以計算出的繞擊跳閘率更接近應輸電線路的實際情況，能反映輸電線路兩側地形地貌不 同對桿塔繞擊跳閘率的影響。
下面結合附圖和實施例說進一步本發明。圖1為本發明采用近似等分分段方法時的工作流程2為輸電走廊分區間分段示意3為任意點P地面傾角求解示意4為導/地線任意點高度計算示意5為考慮地面傾角和擊距系數后的電氣幾何模型圖6為輸電走廊海拔高度及導地線對地高度計算結果圖7為輸電走廊兩側每段地面傾角計算結果
具體實施例方式下面通過實施例，結合附圖1，對本發明的技術方案其進行進一步說明；第一步，獲取輸電線路參數。桿塔基數為3基，導線型號為4XLGJ-400/35，線膨 脹系數為20. 5 X IO-6I/自重比載為31. llX10_3N/mm2，彈性伸長系數65000N/mm2，計 算溫度為40度，控制條件為溫度，控制條件下的比載為31. 11 X 10_3N/mm2，控制條件下的 溫度為20度。地線型號為LBGJ-120-40AC，線膨脹系數為15. 5X 10-61/°C，自重比載為 46. 141 X 10_3N/mm2，彈性伸長系數98100N/mm2，計算溫度為40度，控制條件有兩個，低溫控 制檔據為100米到206米，該控制條件下的比載為46. 141X 10-3N/mm2，控制條件下的溫度 為0度；大風控制檔據為206米到880米，控制條件下的比載為74. 147 X 10_3N/mm2，控制條件下的溫度為20度。線路電壓等級500kV，此實施例中桿塔總數為3基，其型號分別為 500ZVB3-42,500ZVB4-65和500ZVB3-33，ZVB3系列桿塔兩避雷線間距為22. 2m,導線水平 排列，邊相導線到桿塔中心的距離為12. 65m，邊相導線到桿塔頂部高度為4m，桿塔頂部到 呼稱的距離為20. 5m,該實施例中兩基桿塔弧垂高度分別為42m和33m。ZVB4系列桿塔塔 頭參數和ZVB3系列桿塔一樣，該實施例中弧垂高度為65m。該實例中三基桿塔經度分別 為 114. 27463531494,114. 26878356934,114. 26325225830，緯度分別為 23. 26146666209， 23.25870000521,23. 25515000025。第二步，對輸電線路進行分段，確定輸電走廊各分段點經緯度坐標與該點對應的 導地線弧垂以及垂直于輸電走廊的輔助點的經緯度坐標。當采用近似等分辦法時，取Δ L初始值為0. 05經緯度，按照前述公式(2)計算出 大號方向和小號方向的分段數，進而根據大號方向和小號方向各經緯度公式(3)和(4)就 可以計算出各分段點的經緯度坐標，根據垂直與輸電走廊方向各分段的輔助點經緯度坐標 的前述公式(5)就可以計算出輔助點經緯度坐標，為合理的表征地面傾角，每段分別做5個 輔助點，距分段點的經緯度距離分別為0.05，0. 10,0. 15,0. 20,0. 25.根據任意點的弧垂 的前述表達式(6)以及距離計算的前述公式(8)就可以計算出各分段點對應的弧垂。第三步，利用能夠處理空間信息的地理信息軟件，獲取各點的海拔高度，進而確 定各分段的地面傾角及導地線對地高度；該實施例中地理信息軟件選擇Google Earth 5. 1. 3535. 3218版本，利用其接口函數，根據第二步計算出的經緯度編程就可以獲得各點海 拔高度。得到海拔高度數據以后，如果采用近似等分的辦法，通過前述公式(7)和(8)就可 以計算出各分段在不同輔助點下的地面傾角，對所有的傾角進行算術平均，就得到了地面 傾角。根據前述公式(9)和(10)，帶入計算得到的弧垂以及第一步獲取的桿塔參數，就可以 計算出各分段點對應的導地線對地高度。該實例中采用虛擬地球軟件(Google Earth)獲取塔T1-T2, T2-T3之間的海拔高度， 導線地線對地距離圖6所示。圖6中，T1和T2總的地形趨勢是處于下坡，中間跨越了一個 小的山峰，T2和T3之間先下坡，跨越一個溝壑之后在上坡，根據圖中的導地線和地面的相對 位置，可見導地線對地高度變化很大，特別是在跨越溝壑時導地線對地高度增加了較多，可 見用平均高度來表示整個輸電走廊導地線高度，計算出的結果會有較大的誤差。各分段點 的地面傾角如圖7所示。圖7中，沿輸電走廊方向地面傾角變化很大，桿塔處的地面傾角不 足以代表整個輸電走廊的地面傾角。第四步，采用考慮地面傾角的電氣幾何模型計算各分段的繞擊跳間率及各基桿塔 的繞擊跳閘率。根據第三步計算出的地面傾角和導地線對地高度，以及第一步獲取的參數，帶 入前述式11中可以計算出每段一側的最大擊距，結合前述式12可以計算出最大繞擊 雷電流，再根據前述式13就可以計算出一段一側的繞擊跳間率，然后根據前述式14，計 算出每段兩側的繞擊跳間率之后對其求和就可以得到一基桿塔的繞擊跳間率。T1塔左 側跳閘率為0. 0071044，右側跳閘率為0. 0137066，總跳閘率為0. 020811，T2塔左側跳閘 率為0.0131729，右側跳閘率為0. 0972907，總跳閘率為0. 1103636，T3塔左側跳閘率為 0. 0000533，右側跳閘率為0. 1392489，總跳閘率為0. 1393022。可見兩側跳閘率不同，其主 要原因是兩側地面傾角不同引起。
由于具體線路桿塔數較大，實施例中只以3基桿塔，兩個檔據為例，對本發明作舉 例說明，在具體的線路中，所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做相應的 修改，除第一基和最后一基桿塔外，其余桿塔可采用上述實施例中第二基桿塔類似的分段 方法進行推斷，就可以實現整條輸電線路的繞擊跳閘率計算，但并不會偏離本發明的精神 或者超越所附權利要求書所定義的范圍。再有，本實施例在第二步中只采用了近似等分的 方法對輸電線路進行分段；除此方法之外，還可以采用另一方法，即在近似等分的基礎上再 根據兩段之間的高差進行進一步的分段，直到任意兩端之間的高差滿足要求為止。這種方 法的具體做法是在第三步獲取到海拔高度的基礎上，對兩段之間的海拔高度差與初始的 高差值進行比較，如果大于初始高差值，則對這小段進行進一步的等分，再獲取海拔高度并 與初始值進行比較，直到不在大于高差初始值為止。然后根據增加的點的經緯度，根據式 (5)計算各輔助點的經緯度坐標，根據任意點的弧垂的前述表達式(6)以及距離計算的前 述公式(8)就可以計算出各分段點對應的弧垂，再獲取輔助點的海拔高度。得到所有點海 拔高度數據以后通過前述公式(7)和(8)就可以計算出各分段在不同輔助點下的地面傾 角，對所有的傾角進行算術平均，就得到了地面傾角。根據前述公式(9)和(10)，帶入計算 得到的弧垂以及第一步獲取的桿塔參數，就可以計算出各分段點對應的導地線對地高度。
權利要求
一種結合地形地貌測量高壓輸電線路雷電繞擊跳閘率的方法，其特征在于所述計算方法包括如下步驟第一步，獲取輸電線路參數，包括線路絕緣子閃絡電壓，桿塔基數，桿塔所在位置經度、緯度，桿塔結構參數，導地線特性及氣象條件；第二步，對輸電線路進行分段，確定輸電走廊各分段點經緯度坐標與該點對應的導地線弧垂以及垂直于輸電走廊的輔助點的經緯度坐標；第三步，利用地理信息軟件，獲取各點的海拔高度，進而確定各分段的地面傾角及導地線對地高度；第四步，采用考慮地面傾角的電氣幾何模型計算各分段的繞擊跳閘率及各基桿塔的繞擊跳閘率。
2.根據權利要求1所述的測量高壓輸電線路雷電繞擊跳閘率的方法，其特征在于上述 第二步中對輸電線路采用近似等分的辦法進行分段。
3.根據權利要求1所述的測量高壓輸電線路雷電繞擊跳閘率的方法，其特征在于上述 第二步中對輸電線路采用近似等分的辦法進行分段，在此基礎上根據兩段之間的高差進行 進一步的分段，直到任意兩段之間的高差滿足要求為止。
4.根據權利要求1、2或3所述的測量高壓輸電線路雷電繞擊跳閘率的方法，其特征在 于上述第二步中將桿塔編號增加的方向定義為大號方向，反之為小號方向，其大號方向各 分段點經緯度坐標的算式為式中， 力為大號方向分段數沽表示第1^基桿塔沽 表 示第k基桿塔緯度坐標，E (k)表示第k基桿塔經度坐標； 小號方向各分段點經緯度坐標的算式為式中，i=-M，"--LC^M為小號方向分段數，k表示第k基桿塔， )表示第 k基桿塔緯度坐標，E (k)表示第k基桿塔經度坐標；將垂直于輸電走廊方向的點定義為輔助點，輔助點經緯度坐標的算式為 式中，仁1··· ，Ε胃，rvg分別表示輔助點的經度與緯度坐標，該輔助點位于P點右側，且 到P點的距離為g，Eplg，Nplg分別輔助點的經度與緯度坐標，該輔助點位于P點左側，且到P 點的距離為g。
5.根據權利要求1、2或3所述的測量高壓輸電線路繞擊跳間率的方法，其特征在第三 步中確定導地線各點對地高度所采用的算式為 任意點導線高度為 式中，口為線膨脹系數，1為相鄰桿塔之間的擋距，g為比載，β為彈性伸長系數，t 為溫度，m表示己知氣象條件，η表示待求氣象條件，Hlk為Tk塔海拔高度；H。為Tk塔導線懸 掛點對地距離；fp。為P點弧垂，Ip為P點距Tk塔的水平距離，HP,，為ρ點在地面投影的海 拔高度，Ψ為！；—與Tk塔掛線點之間的高差角，相鄰桿塔海拔高度比Tk塔低，角度為正，否 則為負；任意點地線高度為Hps=HTk+Hs-fps-lpxt^-Hp,上式中，下標s表示避雷線，其余符號意義與導線表達式相同。
6.根據權利要求1、2或3所述的高壓輸電線雷電路繞擊跳閘率的計算方法，其特征在 于在第四步中利用電氣幾何模型計算各分段繞擊跳閘率所采用的算式為 式中，Lmax為最大繞擊雷電流，Ic為引起閃絡的雷電流，Ng為落雷密度，D為每段的長計算各基桿塔繞擊跳間率所采用的算式為 Sf (k) = Sf (Ii1)+SF(kr)其中 式中，1表示左側，r表示右側，左右方向以桿塔編號增加方向為基準進行判斷，Sfl(i) 表示第i段左側繞擊跳間率，Sfr(i)表示第i段右側繞擊跳閘率。
全文摘要
本發明公開了一種結合地形地貌測量高壓輸電線路雷電繞擊跳閘率的方法，該方法首先獲取的輸電線路相關參數，然后按桿塔將輸電線路分為多個區間，對每個區間采用等分的辦法分成多個小段，通過桿塔經緯度坐標計算各段以及垂直于各段的輔助點的經緯度坐標，進而采用采用地理信息系統軟件獲取各段及輔助點的海拔高度，最后根據輔助點及到分段點的高度差與距離計算各段的地面傾角，再利用考慮擊距系數與地面傾角的電氣幾何模型計算各段的繞擊跳閘率。該方法可方便地計算出輸電線路桿塔處的地面傾角，反映輸電線路走廊的實際地形地貌特點，為評價輸電線路避雷線的防雷效果提供了可靠依據。
文檔編號G01R31/08GK101900779SQ20101023880
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月28日 優先權日2010年7月28日
發明者劉君, 吳廣寧, 周利軍, 曹曉斌, 朱軍, 李瑞芳, 馬御棠, 高國強, 高波 申請人:西南交通大學