雷電先導(dǎo)分形模型及其線路耐雷性能評(píng)估方法的研究.pdf

1、近年來，隨著我國(guó)交直流特高壓線路相繼投入運(yùn)行，“西電東送，南北互供，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”這一電力發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施得到不斷深化，使得我國(guó)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求日益提高。而輸電線路的雷擊跳閘故障是影響電網(wǎng)安全供電的一個(gè)難題，如何提高電網(wǎng)的耐雷性能，減少輸電線路的雷擊跳閘次數(shù)，已成為保障我國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行的重要措施。面對(duì)當(dāng)今電網(wǎng)快速的發(fā)展，輸電線路雷害事故又顯現(xiàn)出新的特點(diǎn)。一方面，與傳統(tǒng)輸電線路相比，超特高壓輸電線路具有高運(yùn)行電壓、大桿塔結(jié)構(gòu)尺寸和長(zhǎng)距

2、離大跨越輸電的特點(diǎn)，使得輸電線路的雷擊風(fēng)險(xiǎn)急劇提高。另一方面，由于各區(qū)域線路走廊地形地貌、雷電活動(dòng)參數(shù)、電壓運(yùn)行等級(jí)以及各線路段結(jié)構(gòu)參數(shù)有所不同，使得我國(guó)線路防雷問題及雷電防護(hù)需求呈現(xiàn)出明顯的差異性。而國(guó)內(nèi)外超特高壓輸電線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，由于線路的絕緣水平較高，繞擊是造成線路雷擊跳閘事故的主要原因。因此，開展輸電線路雷電屏蔽模型及其耐雷性能評(píng)估方法的研究，綜合考慮線路運(yùn)行電壓、雷電活動(dòng)水平、地形地貌、桿塔結(jié)構(gòu)等因素準(zhǔn)確分析高壓輸電線路的

3、繞擊耐雷特性，對(duì)輸電線路的防雷設(shè)計(jì)及雷擊跳閘事故研究起至關(guān)重要的作用。目前雖然已有多種輸電線路屏蔽模型及耐雷性能評(píng)估方法，但是如何有效描述雷擊線路發(fā)展過程的概率統(tǒng)計(jì)特性及非標(biāo)準(zhǔn)雷電波下絕緣子串閃絡(luò)特性等問題依然是線路繞擊閃絡(luò)率評(píng)估方法有待解決的研究難點(diǎn)。因此，本文從上述兩個(gè)問題著手，以期找到一種更符合雷電繞擊線路閃絡(luò)過程的線路耐雷性能評(píng)估方法，為實(shí)施線路的繞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及繞擊事故分析提供理論工具。
　　 基于對(duì)雷云放電過程的觀測(cè)可

4、知，雷電放電通道具有顯著的分形特性。為此，本文從分形幾何學(xué)出發(fā)，深入開展了自然雷云放電路徑的分形特性以及雷電先導(dǎo)分形發(fā)展模擬方法的研究。為使模型所仿真的雷電先導(dǎo)路徑與自然雷電先導(dǎo)傳播特性相接近，本文利用盒維數(shù)法對(duì)不同分形參數(shù)η值下雷電模擬路徑的分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并依據(jù)自然雷電發(fā)展路徑分形維數(shù)的變化范圍對(duì)該參數(shù)進(jìn)行了校正。同時(shí)采用模擬電荷法建立了雷擊線路過程的動(dòng)態(tài)電場(chǎng)計(jì)算模型，模型考慮了雷電先導(dǎo)分支、線路運(yùn)行電壓以及起始后的上行先導(dǎo)對(duì)雷電

5、發(fā)展空間以及輸電線路表面電場(chǎng)的影響。在此基礎(chǔ)上，將雷電先導(dǎo)分形發(fā)展模擬方法應(yīng)用到傳統(tǒng)雷電先導(dǎo)發(fā)展模型中，建立了雷電先導(dǎo)分形模型。
　　 輸電線路絕緣子串的雷擊閃絡(luò)特性對(duì)線路繞擊耐雷性能評(píng)估起著至關(guān)重要的作用。而自然云地閃電的波形參數(shù)波動(dòng)范圍極大，使得雷電波波形參數(shù)對(duì)線路絕緣子雷電沖擊閃絡(luò)特性的影響不可忽視。為此，本文利用電壓積分法(The disruptiveeffect method，簡(jiǎn)稱為DE法)對(duì)線路絕緣子串在不同雷電波下

6、的伏秒特性變化規(guī)律及其在線路繞擊耐雷性能分析中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。本文分析了傳統(tǒng)DE法不同模型參數(shù)組合對(duì)絕緣子串伏秒特性重構(gòu)曲線的影響，并提出了一種新的DE參數(shù)選取方法使重構(gòu)曲線更能反應(yīng)實(shí)際絕緣子的伏秒特性分布規(guī)律。并通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)的方式，對(duì)該方法在不同雷電波下伏秒特性重構(gòu)曲線的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 本文利用提出的雷電先導(dǎo)分形模型開展了輸電線路的雷電屏蔽性能研究。研究結(jié)果表明，輸電線路的側(cè)面屏蔽失效區(qū)域呈現(xiàn)出概率分布的

7、特性，其繞擊概率與雷電流幅值以及側(cè)面落雷距離相關(guān)。此外，首次提出了采用輸電線路空間繞擊概率曲線對(duì)輸電線路的雷電屏蔽性能進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：這種分析方法可以有效地反映出空間分布對(duì)輸電線路雷擊的影響，能夠更準(zhǔn)確地、全面地對(duì)雷擊導(dǎo)線事故進(jìn)行分析。與此同時(shí)，輸電線路繞擊閃絡(luò)率的計(jì)算不僅與線路的雷電屏蔽性能相關(guān)，還與絕緣子串的閃絡(luò)特性相關(guān)。因此，本文將雷電先導(dǎo)分形模型與改進(jìn)DE法相結(jié)合，提出一種同時(shí)考慮雷電繞擊概率統(tǒng)計(jì)特性及雷電波參數(shù)波動(dòng)性的

8、輸電線路繞擊閃絡(luò)率評(píng)估方法。并通過雷擊線路模擬試驗(yàn)研究以及現(xiàn)有的超特高壓線路雷害運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)本文模型及其評(píng)估方法進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，本文還對(duì)多條目前運(yùn)行的輸電線路其繞擊耐雷性能進(jìn)行了評(píng)估，計(jì)算結(jié)果表明，我國(guó)的典型特高壓輸電線路其繞擊率在0.14次/100 km·a以內(nèi)，基本可滿足線路運(yùn)行的要求；而對(duì)于日本特高壓同塔雙回線路，由于其桿塔設(shè)計(jì)高度較高，且采用雙回線路輸電方式，繞擊率達(dá)到了1.2635次/100 km·a。因此，還需采用其它防雷改