多重雷下的断路器绝缘受损风险评估方法及其装置与流程

[0001]
本发明涉及电力系统变电设备防雷领域，尤其涉及多重雷下的断路器绝缘受损风险评估方法。


背景技术：

[0002]
近年来，南网五省雷电活动频繁，断路器等输变电设备因雷击造成的故障率占比较高，特别是雷电侵入波导致敞开式变电站内的断路器设备断口爆炸的事件常有发生，成为电力系统安全稳定性的一个重要威胁。因此，有必要针对多重雷下的断路器的雷电风险进行评估，为断路器的防护及安全运行提供技术支撑，保障断路器及变电站系统的安全运行。
[0003]
申请人发现，合理确定多重雷击下断路器的绝缘受损率，可准确反映多重雷下的断路器的雷电风险水平。然而，现有技术在计算断路器等设备的雷击受损率时，一般采取概率统计预测的方法，但该方法首先需收集大量的设备历史运行数据，然后结合计算机进行大量的模拟，计算较为复杂，且由于计算方法使用的假定是不严格的，导致简化计算结果与实际情况可能有较大的差异，计算结果不准确，较难直接运用于实际工程的计算中，从而无法准确评估多重雷下的断路器的雷电风险水平。


技术实现要素：

[0004]
本发明实施例的目的是提供一种多重雷下的断路器绝缘受损风险评估方法，能够准确计算断路器在多重雷击下的断路器绝缘受损率，从而更精准地评估多重雷下的断路器的雷电风险水平。
[0005]
为了实现本发明的目的，本发明提供一种多重雷下的断路器绝缘受损风险评估方法，包括以下步骤：
[0006]
采集站内设备数据；其中，所述站内设备数据包括线路、杆塔、绝缘子串、变电站内主设备电气平面图及设备的相关参数；
[0007]
根据所述站内设备数据在电磁暂态程序中建立线路-变电站雷电侵入波仿真模型；
[0008]
在所述仿真模型中采用多重雷对每一杆塔进行反击和绕击的模拟，分别获取每一杆塔的反击临界雷电流i
fn
和绕击临界雷电流i
rn
；
[0009]
计算每一所述杆塔的落雷次数n
n1
和每一绕击导线次数n
n2
；
[0010]
根据每一所述杆塔的反击临界雷电流i
fn
和每一所述落雷次数n
n1
，结合预先获得的雷电流幅值概率分布式，计算每一反击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
；
[0011]
根据每一所述杆塔的绕击临界雷电流i
rn
和每一所述绕击导线次数n
n2
，结合预先获得的雷电流幅值概率分布式，计算每一所述绕击侵入波下的断路器绝缘受损率η
rn
；
[0012]
根据每一所述反击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
和每一所述绕击侵入波下的断路器绝缘受损率η
rn
，得到多重雷击下的站内断路器绝缘受损率η
s
；
[0013]
根据所述断路器绝缘受损率η
s
，确定所述断路器在多重雷电侵入波下的雷电风险水平。
[0014]
优选地，所述根据站内设备数据在电磁暂态程序建立线路-变电站雷电侵入波仿真模型，具体包括：
[0015]
在电磁暂态程序中采用jmarti频率相关模型建立线路模型，采用多波阻抗模型建立杆塔模型，采用先导发展模型建立绝缘子串模型，采用非线性电阻模型建立杆塔接地电阻模型，采用波阻抗模型建立站内连接线，以及用电容等值模拟断路器、隔离开关、电流互感器等设备；
[0016]
结合上述模型和设备，建立线路-变电站雷电侵入波仿真模型。
[0017]
优选地，所述在所述仿真模型中采用多重雷对每一杆塔进行反击和绕击的模拟，分别获取每一杆塔的反击临界雷电流i
fn
和绕击临界雷电流i
rn
，具体包括：
[0018]
采用2次连续脉冲雷电流模拟多重雷；
[0019]
采用多重雷模拟每一杆塔的反击塔顶实验，实时计算断路器上的反击雷电过电压；
[0020]
当断路器上的反击雷电过电压达到其额定雷电冲击耐受水平u
l
时，获取每一所述杆塔的反击临界雷电流i
fn
；
[0021]
采用多重雷模拟每一杆塔的导线的绕击实验，获取每一所述绕击临界雷电流 i
rn
。
[0022]
优选地，所述根据所述站内设备数据在电磁暂态程序中建立线路-变电站雷电侵入波仿真模型，还具体包括：
[0023]
在建立所述仿真模型时，考虑工频电压和感应雷电压的影响，其中，所述感应雷电压通过以下公式计算：
[0024][0025]
其中，u为感应雷电压大小，i为雷电流，h
c
为导线平均高度，h
g
为地线平均高度，k为导地线耦合系数。
[0026]
优选地，所述预先获得的雷电流幅值概率分布式通过以下步骤获取：
[0027]
结合雷电定位系统统计变电站区域预设时间的实际地闪情况，并拟合得到雷电流幅值概率分布如下式所示：
[0028][0029]
其中，i为线路耐雷水平，a
0
和b
0
为拟合参数。
[0030]
优选地，所述分别计算每一所述杆塔的落雷次数n
n1
和每一绕击导线次数 n
n2
,具体包括：
[0031]
通过以下公式计算每一所述杆塔的落雷次数：
[0032]
n
n1
＝0.001n
g
(28h
tn0.6
+b)g
n
l
n
,1≤n≤n；
[0033]
则，所述每一绕击导线次数n
n2
通过以下公式计算：
[0034]
n
n2
＝0.1n
g
(28h
t0.6
+b)-n
n1
，1≤n≤n，
[0035]
其中，n
g
为地闪密度，h
tn
为杆塔高度，b为两地线之间的距离，g
n
为杆塔的击杆率，l
n
为杆塔距变电站的距离，n为杆塔的基数。
[0036]
优选地，所述根据每一所述杆塔的反击临界雷电流i
fn
和每一所述落雷次数 n
n1
，结合预先获得的雷电流幅值概率分布式，计算每一反击侵入波下的断路器绝缘受损率η
rn
，具体包括：
[0037]
基于每一所述杆塔的反击临界雷电流i
fn
，通过所述雷电流幅值概率分布式计算每一反击雷电流大于反击临界雷电流概率p
fn
，具体为：
[0038][0039]
根据每一所述反击雷电流大于反击临界雷电流概率p
fn
和每一所述落雷次数 n
n1
，得到每一反击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
，具体为：
[0040]
η
fn
＝n
n1
·
p
fn
(i≥i
fn
)，(1≤n≤n)，
[0041]
其中，i
fn
为杆塔的反击临界雷电流，n为杆塔的基数。
[0042]
优选地，所述根据每一所述杆塔的绕击临界雷电流i
rn
和每一所述绕击导线次数n
n2
，结合预先获得的雷电流幅值概率分布式，计算每一绕击侵入波下的断路器绝缘受损率η
rn
，具体包括：
[0043]
基于每一所述绕击临界雷电流i
rn
，通过所述雷电流幅值概率分布式计算每一绕击雷电流大于绕击临界雷电流概率p
rn
，具体为：
[0044][0045]
根据每一所述绕击雷电流大于绕击临界雷电流概率p
rn
和每一所述绕击导线次数n
n2
，得到每一绕击侵入波下的断路器绝缘受损率η
rn
，具体为：
[0046][0047]
其中，i
rn
为杆塔的绕击临界雷电流，i
max
为最大绕击雷电流。
[0048]
优选地，所述根据每一所述反击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
和每一所述绕击侵入波下的断路器绝缘受损率η
rn
，得到多重雷击下的站内断路器绝缘受损率η
s
，具体通过以下公式计算：
[0049][0050]
其中，m为与断路器相连的出线回数。
[0051]
本发明另一方面提供了一种多重雷下的断路器绝缘受损风险评估装置，包括：
[0052]
设备数据获取单元，用于采集站内设备数据；其中，所述站内设备数据包括线路、杆塔、绝缘子串、变电站内主设备电气平面图及设备的相关参数；
[0053]
仿真模型构建单元，用于根据所述站内设备数据在电磁暂态程序中建立线路-变电站雷电侵入波仿真模型；
[0054]
雷电流获取单元，用于在所述仿真模型中采用多重雷对每一杆塔进行反击和绕击
的模拟，分别获取每一杆塔的反击临界雷电流i
fn
和绕击临界雷电流i
rn
；
[0055]
次数获取单元，用于计算每一所述杆塔的落雷次数n
n1
和每一绕击导线次数 n
n2
；
[0056]
反击断路器受损率获取单元，用于根据每一所述杆塔的反击临界雷电流i
fn
和每一所述落雷次数n
n1
，结合预先获得的雷电流幅值概率分布式，计算每一反击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
；
[0057]
绕击断路器受损率获取单元，根据每一所述绕击临界雷电流i
rn
和每一所述绕击导线次数n
n2
，结合预先获得的雷电流幅值概率分布式，计算每一绕击侵入波下的断路器绝缘受损率η
rn
；
[0058]
断路器受损率获取单元，用于根据每一所述反击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
和每一所述绕击侵入波下的断路器绝缘受损率η
rn
，得到多重雷击下的站内断路器绝缘受损率η
s
；
[0059]
雷电风险确定单元，用于根据所述断路器绝缘受损率η
s
，确定所述断路器在多重雷电侵入波下的雷电风险水平。
[0060]
与现有技术相比，本发明实施例公开的多重雷下的断路器绝缘受损风险评估方法及装置通过在电磁暂态程序中建立多重雷电冲击下的线路-变电站雷电侵入波仿真模型，基于模型仿真得到每一杆塔的反击临界雷电流和绕击雷电流，并结合相关理论公式综合计算多重雷击下的断路器绝缘受损率，并根据所述断路器绝缘受损率，评估断路器在多重雷电侵入波下的雷电风险水平；本发明的断路器绝缘受损率计算结果精准，能够准确评估断路器在多重雷电侵入波下的雷电风险水平，为断路器的防护及安全运行提供技术支撑。
附图说明
[0061]
图1是本发明实施例提供的一种多重雷下的断路器绝缘受损风险评估方法的流程图；
[0062]
图2是本发明实施例提供的雷电流反击塔顶和绕击导线的模型示意图；
[0063]
图3是本发明实施例的多重雷下的断路器绝缘受损风险评估方法的步骤s3 的详细流程图；
[0064]
图4是本发明实施例提供的多重雷下的断路器绝缘受损风险评估装置的结构图。
具体实施方式
[0065]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0066]
参见图1，是本发明实施例1提供的多重雷下的断路器绝缘受损风险评估方法的流程图，包括步骤s1-s8：
[0067]
s1、采集站内设备数据；其中，所述站内设备数据包括线路、杆塔、绝缘子串、变电站内主设备电气平面图及设备的相关参数。
[0068]
s2、根据所述站内设备数据在电磁暂态程序中建立线路-变电站雷电侵入波仿真模型。
[0069]
作为本发明实施例的一种具体实施方式，所述步骤s1具体包括：
[0070]
在电磁暂态程序中采用jmarti频率相关模型建立线路模型，采用多波阻抗模型建立杆塔模型，采用先导发展模型建立绝缘子串模型，采用非线性电阻模型建立杆塔接地电阻模型，采用波阻抗模型建立站内连接线，以及用电容等值模拟断路器、隔离开关、电流互感器等设备；
[0071]
结合上述模型和设备，建立线路-变电站雷电侵入波仿真模型。
[0072]
s3、在所述仿真模型中采用多重雷对每一杆塔进行反击和绕击的模拟，分别获取每一杆塔的反击临界雷电流i
fn
和绕击临界雷电流i
rn
。
[0073]
具体地，所述步骤s3包括步骤s31-s34：
[0074]
s31、采用2次连续脉冲雷电流模拟多重雷；
[0075]
在具体实施时，在电磁暂态程序中采用2次连续脉冲的形式仿真多重雷，脉冲的幅值设置为一恒定值i
0
，第二次脉冲与第一次脉冲的时间间隔为t，站内断路器在电磁暂态程序中用时控开关进行控制，第一次脉冲下，断路器处于闭合状态，经过时间t后，第二次脉冲来临时，断路器处于断开状态。
[0076]
s32、采用多重雷模拟每一杆塔的反击塔顶实验，实时计算断路器上的反击雷电过电压；
[0077]
s33、当断路器上的反击雷电过电压达到其额定雷电冲击耐受水平u
l
时，获取每一所述杆塔的反击临界雷电流i
fn
；
[0078]
s34、采用多重雷模拟每一所述杆塔的导线的绕击实验，获取每一绕击临界雷电流i
rn
。
[0079]
参见图2，图2是本发明实施例提供的雷电流反击塔顶和绕击导线的示意图，其中站内设备等值模型由于各变电站接线形式有差异，因此未在图中画出，图中 cvt1、cvt2和moa1、moa2分别为变电站入口处的电压互感器和避雷器。本实施例在具体实施时，在变电站进线段2km范围内设置共5基杆塔，分别设为 t1，t2，t3，t4，t5，然后分别在t1，t2，t3，t4，t5上用多重雷模拟雷电流反击塔顶和绕击导线的情形。
[0080]
优选地，所述根据所述站内设备数据在电磁暂态程序中建立线路-变电站雷电侵入波仿真模型，还具体包括：
[0081]
在建立所述仿真模型时，考虑工频电压和感应雷电压的影响，其中，所述感应雷电压通过以下公式计算：
[0082][0083]
式中，u为感应雷电压大小，i为雷电流，h
c
为导线平均高度，h
g
为地线平均高度，k为导地线耦合系数。
[0084]
具体实施时，选择电磁暂态程序仿真，采用models和tacs模块，首先利用杆塔结构参数计算出地线与三相导线的耦合系数k，然后根据上式在 models模块中计算出断路器随雷电流实时变化的感应电压，并利用tacs模块将感应电压u、雷击时线路运行电压u
0
和地线耦合到导线上的电压u
1
施加到雷击杆塔所在的导线上，以此来模拟感应电压的实际影响，确保仿真结果的准确有效性。
[0085]
s4、计算每一所述杆塔的落雷次数n
n1
和每一所述绕击导线次数n
n2
。
[0086]
具体地，所述步骤s4包括：
[0087]
通过以下公式计算每一所述杆塔的落雷次数，
[0088]
n
n1
＝0.001n
g
(28h
tn0.6
+b)g
n
l
n
,1≤n≤n；
[0089]
则，所述每一绕击导线次数n
n2
通过以下公式计算：
[0090]
n
n2
＝0.1n
g
(28h
t0.6
+b)-n
n1
，1≤n≤n，
[0091]
其中，n
n1
为杆塔的落雷次数，n
g
为地闪密度，h
tn
为杆塔高度，b为两地线之间的距离，g
n
为杆塔的击杆率，l
n
为杆塔距变电站的距离。
[0092]
s5、根据每一所述杆塔的反击临界雷电流i
fn
和每一所述落雷次数n
n1
，结合预先获得的雷电流幅值概率分布式，计算每一反击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
。
[0093]
具体地，步骤s5中的所述预先获得的雷电流幅值概率分布式通过以下步骤获取：
[0094]
结合雷电定位系统统计变电站区域预设时间的实际地闪情况，并拟合得到雷电流幅值概率分布如下式所示：
[0095][0096]
其中，i为线路耐雷水平，a
0
和b
0
为拟合参数。
[0097]
进一步，所述步骤s5具体包括：
[0098]
基于每一所述杆塔的反击临界雷电流i
fn
，通过所述雷电流幅值概率分布式计算每一反击雷电流大于反击临界雷电流概率p
fn
，具体包括：
[0099][0100]
在具体实施时，将每一所述杆塔获取得到的反击临界雷电流i
fn
代入所述雷电流幅值概率分布式中，得到反击雷电流大于反击临界雷电流的概率p
fn
。
[0101]
根据每一所述反击雷电流大于反击临界雷电流的概率p
fn
和每一所述落雷次数 n
n1
，得到每一反击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
，具体为：
[0102]
η
fn
＝n
n1
·
p
fn
(i≥i
fn
)，(1≤n≤n)。
[0103]
s6、根据每一所述杆塔的绕击临界雷电流i
rn
和每一所述绕击导线次数n
n2
，结合预先获得的雷电流幅值概率分布式，计算每一绕击侵入波下的断路器绝缘受损率η
rn
。
[0104]
具体地，所述步骤s6具体包括：
[0105]
基于每一所述杆塔的绕击临界雷电流i
rn
，通过所述雷电流幅值概率分布式计算每一绕击雷电流大于绕击临界雷电流的概率p
rn
，具体为：
[0106][0107]
根据每一所述绕击雷电流大于绕击临界雷电流的概率p
rn
和每一所述绕击次数 n
n2
，得到每一绕击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
，具体为：
[0108][0109]
其中，i
rn
为绕击临界雷电流，i
max
为最大绕击雷电流，具体可在仿真计算得到。
[0110]
s7、根据每一所述反击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
和每一所述绕击侵入波下的断路器绝缘受损率η
rn
，得到多重雷击下的站内断路器绝缘受损率η
s
。
[0111]
在具体实施中，所述断路器绝缘受损率η
s
通过以下公式计算：
[0112][0113]
其中，m为与断路器相连的出线回数，n为杆塔的基数。
[0114]
s8、根据所述断路器绝缘受损率η
s
，确定所述断路器在多重雷电侵入波下的雷电风险水平。
[0115]
与现有技术相比，本发明实施例公开的多重雷下的断路器绝缘受损风险评估方法通过在电磁暂态程序中建立多重雷电冲击下的线路-变电站雷电侵入波仿真模型，基于模型仿真得到每一杆塔的反击临界雷电流和绕击雷电流，并结合相关理论公式综合计算多重雷击下的断路器绝缘受损率，并根据所述断路器绝缘受损率，确定多重雷下的断路器的雷电风险水平；本发明获取到的断路器绝缘受损率的计算结果精准，能够对多重雷下的断路器风险水平进行准确地评估。根据此评估结果，可合理确定站内避雷器的配置策略，确保断路器设备在有效防护范围内，从根本上提升系统的安全稳定性。
[0116]
参见图4，是本发明实施例提供的一种多重雷下的断路器绝缘受损风险的评估装置的结构图。该装置包括：设备数据获取单元1、仿真模型构建单元2、雷电流获取单元3、次数获取单元4、反击断路器受损率获取单元5、绕击断路器受损率获取单元6、断路器受损率获取单元7、雷电风险确定单元8，其中，
[0117]
设备数据获取单元1，用于采集站内设备数据；其中，所述站内设备数据包括线路、杆塔、绝缘子串、变电站内主设备电气平面图及设备的相关参数；
[0118]
仿真模型构建单元2，用于根据所述站内设备数据在电磁暂态程序中建立线路-变电站雷电侵入波仿真模型；
[0119]
雷电流获取单元3，用于在所述仿真模型中采用多重雷对每一杆塔进行反击和绕击的模拟，分别获取每一杆塔的反击临界雷电流i
fn
和绕击临界雷电流i
rn
；
[0120]
次数获取单元4，用于计算每一所述杆塔的落雷次数n
n1
和每一绕击导线次数n
n2
；
[0121]
反击断路器受损率获取单元5，用于根据每一所述杆塔的反击临界雷电流i
fn
和每一所述落雷次数n
n1
，结合预先获得的雷电流幅值概率分布式，计算每一反击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
；
[0122]
绕击断路器受损率获取单元6，根据每一所述绕击临界雷电流i
rn
和每一所述绕击导线次数n
n2
，结合预先获得的雷电流幅值概率分布式，计算每一绕击侵入波下的断路器绝缘受损率η
rn
；
[0123]
断路器受损率获取单元7，用于根据每一所述反击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
和每一所述绕击侵入波下的断路器绝缘受损率η
rn
，得到多重雷击下的站内断路器绝缘受损率η
s
；
[0124]
雷电风险确定单元8，用于根据所述断路器绝缘受损率η
s
，确定所述断路器在多重雷电侵入波下的雷电风险水平。
[0125]
具体地，所述次数获取单元4进一步包括：落雷次数获取子单元及绕击导线次数获取子单元，其中，
[0126]
所述落雷次数获取子单元，用于计算每一所述杆塔的落雷次数，具体通过以下公式计算：
[0127]
n
n1
＝0.001n
g
(28h
tn0.6
+b)g
n
l
n
,1≤n≤n，
[0128]
其中，n
g
为地闪密度，h
tn
为杆塔高度，b为两地线之间的距离，g
n
为杆塔的击杆率，l
n
为所述杆塔距变电站的距离,n为杆塔的基数；
[0129]
所述绕击导线次数获取子单元，用于通过以下公式计算绕击每一绕击导线次数：
[0130]
n
n2
＝0.1n
g
(28h
t0.6
+b)-n
n1
，1≤n≤n。
[0131]
具体地，所述反击断路器受损率获取单元5进一步包括：反击概率获取子单元和反击受损率获取子单元，其中，
[0132]
所述反击概率获取子单元，用于基于每一所述杆塔的反击临界雷电流i
fn
，通过所述雷电流幅值概率分布式计算每一反击雷电流大于反击临界雷电流的概率 p
fn
，具体包括：
[0133][0134]
所述反击受损率获取子单元，用于根据每一反击雷电流大于反击临界雷电流的概率p
fn
和落雷次数n
n1
，通过以下公式计算得到每一反击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
:
[0135]
η
fn
＝n
n1
·
p
fn
(i≥i
fn
)，(1≤n≤n)。
[0136]
具体地，所述绕击断路器受损率获取单元6包括：绕击概率获取子单元和绕击受损率获取子单元，其中，
[0137]
所述绕击概率获取子单元，用于基于每一所述杆塔的绕击临界雷电流i
rn
，通过所述雷电流幅值概率分布式计算每一绕击雷电流大于绕击临界雷电流的概率 p
rn
，具体包括：
[0138][0139]
所述绕击受损率获取子单元，用于根据每一所述绕击雷电流大于绕击临界雷电流的概率p
rn
和每一所述绕击导线次数n
n2
，通过以下公式计算得到每一绕击侵入波下的断路器绝缘受损率η
fn
:
[0140][0141]
其中，i
rn
为绕击临界雷电流，i
max
为最大绕击雷电流，n为杆塔的基数。
[0142]
进一步，所述断路器受损率获取单元6，具体用于：通过以下公式计算断路器绝缘受损率η
s
：
[0143]
[0144]
其中，m为与断路器相连的出线回数，n为杆塔的基数。
[0145]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。