雷击配网线路断线短接杆塔的跨步电压测评装置及方法与流程

本发明属于电力系统接地技术领域，特别是雷击配网线路断线短接杆塔的跨步电压测评装置及方法。

背景技术：

随着电网建设的飞速发展，线路杆塔在人员活动密集性地地带的数量增加，由于裸导线在运行过程中会发生腐蚀，在表面形成“斑点”，雷击闪络发生后，工频电弧移动受裸导线表面腐蚀物和裂纹阻碍，弧根不能自由移动，在裂纹处长时间灼烧导致导线断裂。当配电线路发生断线接地故障，或者短接至杆塔上，对附近居民、检修工作人员因而造成的触电伤害时常发生，如：海南电网9.17事故、云南电网7.30断线事故等。其中7.30涉电安全事故发生于临沧市永德县小勐统镇等，该镇某配电线路因220v相线断线落地而致使4名村民死亡。由此可见跨步电压会对人体造成较大的危害，轻则烧伤皮肤、器官等，留下伤痕，情况严重时过大的电流会造成生命危险。此外跨步电压与故障电流、土壤表层的电阻率、人体触电位置以及电流持续时间有密切关系，因此在考虑雷击下发生断线故障时，为确保检修工作人员的人生安全，开发一套雷击配网线路断线短接杆塔的跨步电压测评装置与方法显得尤为重要。

针对跨步电压而言，已有的研究基本注重于输电线路防雷以及变电站和输电杆塔过电压接地的仿真和计算等方面，而缺乏对配电网断线接地故障全面、系统的风险测试评估技术，更没有与之配套地的测评装置。因此，为确保居民及工作人员的人生安全，开发了一套雷击配网线路断线短接杆塔的跨步电压测评装置与方法，这将加强对不同电压等级配电网断线接地故障的安全测评，并且为制定相关安全警示和绝缘防护措施意见，提供坚实基础，更是为今后提高配电网线路的安全运行提供的重要保障。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种雷击配网线路断线短接杆塔的跨步电压测评装置及方法，对配电网发生雷击断线接杆塔故障时，进行安全测评，为制定相关安全警示和绝缘防护措施意见，提供坚实基础。

实现本发明目的的技术方案如下：

雷击配网线路断线短接杆塔的跨步电压测评装置，包括冲击电压源(2)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(19)和数据分析模块(20)；

所述实验箱(19)包括上端搭载的线路模块(32)和下端搭载的跨步电压测试模块(33)；

所述线路模块(32)包括a相线路(5)、b相线路(6)和c相线路(7)；三相负载(16)为rlc负载；冲击电压源(2)的输出端连接到a相线路(5)、b相线路(6)和c相线路(7)的输入端；a相线路(5)包括依次连接的线路电阻一(8)、线路电阻四(12)和负载变压器(15)的a相变压单元，a相变压单元输出端连接到三相负载(16)；b相线路(6)包括依次连接的线路电阻二(9)、线路电阻五(13)和负载变压器(15)的b相变压单元，b相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；c相线路(7)包括线路电阻三(10)、线路电阻六(14)和负载变压器(15)的c相变压单元，线路电阻三(10)的输入端为c相线路(7)的输入端，线路电阻三(10)的输出端连接到断线模拟器(11)的输入导线(101)，断线模拟器(11)的输出导线(102)连接到线路电阻六(14)的输入端，线路电阻六(14)的输出端连接到c相变压单元的输入端，c相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；

所述断线模拟器(11)包括电流传感器一(104)、电流传感器二(105)、电流传感器三(106)、高压开关一(107)、高压开关二(108)、高压开关三(109)、电流采集装置(113)、开关动作判断装置(114)、中央处理器(115)和无线收发装置(116)；断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接地导线(103)分别连接到高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输入端，高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输出端相互连接；电流传感器一(104)、电流传感器二(105)和电流传感器三(106)分别套装在断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接地导线(103)，其输出端均连接到电流采集装置(113)；高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)还分别装有控制其开关闭合或断开的继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)，继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)均连接到开关动作判断装置(114)；电流采集装置(113)和开关动作判断装置(114)连接到中央处理器(115)，中央处理器(115)通过无线收发装置(116)连接到数据分析模块(20)；

所述跨步电压测试模块(33)包括杆塔(150)、实验地网(151)、模拟地面(17)和电压测量机器人(18)；模拟地面(17)由均匀布置的土壤填充；断线模拟器(11)的接地导线(103)连接到杆塔(150)，杆塔(150)下方连接实验地网(151)；实验地网(151)为正方形，水平埋在模拟地面(17)下方，并连接到杆塔(150)的塔脚；从实验地网(151)的任一端部开始，每隔一个距离套装一个电流传感器四(152)，并将套装电流传感器四(152)的位置作为电流测试点；电压测量机器人(18)位于在模拟地面(17)上，并无线连接到数据分析模块(20)。

上述测评装置的测评方法包括以下步骤：

第一步、模拟雷击配网线路断线短接杆塔故障，并设定故障电流持续时间ts；通过电流传感器四(152)采集实验地网(151)电流测试点的电流；通过数据分析模块(20)控制电压测量机器人(18)测量不同电压测试点的跨步电压与每个电压测试点到实验地网(151)中任意两个相邻电流测试点的中点的距离rik，当k取1，2，3，n-1时，rik表示第i个电压测试点到实验地网(151)中第k个电流测试点与相邻的第k+1个测试点的中点的距离，当k取n时，rik表示第i个电压测试点到实验地网(151)中第n个电流测试点与相邻的第1个测试点的中点的距离，将所有电压测试点跨步电压与rik无线传输至数据分析模块(20)；记录实验地网(151)中，所有电流测试点的电流波形；

第二步、由下式联立计算每个测试点跨步电压理论值：

ωl＝2πlf,l＝0,1,2,3,...,271(1)

式(1)中，ωl表示第l个角频率，f为基波频率；式(2)中，φl为第l个相位，α为波前衰减系数，β为波尾衰减系数；式(3)中，b为波形矫正系数，uti(g)表示第i个电压测试点的跨步电压理论计算值；ik为第k个电流测试点与相邻的第k+1个测试点测得的电流幅值差的绝对值，k＝1,2,3，…，n-1；in为第n个电流测试点与第1个测试点测得的电流幅值差的绝对值；n为电流测试点个数，m为电压测试点个数，rb为人体电阻，ρ为实验箱中土壤电阻率，s为跨步距离，r0＝ρ/(4b)为接触电阻，b为等效接地半径，g为计及接触电阻的高斯误差系数，η为积分变量；

第三步、采用粒子群优化算法对跨步电压公式进行建模，计算出使跨步电压实测值与理论值误差最小的g值，步骤如下：

1)生成具有均匀分布的粒子和速度的初始总体，设置停止条件；

2)按照式(4)计算每个粒子位置的目标函数值：

式中，f(g)表示目标函数，ufi表示第i个电压测试点的跨步电压测量值；

3)更新每个粒子的个体历史最优位置与整个群体的最优位置；

4)更新每个粒子的速度和位置；

5)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果；否则返回第2)步；

6)根据优化得出最优值g0代入以下式(5)，为优化后的理论公式：

式(5)中，ut表示优化后跨步电压的理论计算值；当k取1，2，3，n-1时，rk表示模拟地面(17)的任意位置到实验地网(151)中第k个电流测试点与相邻的第k+1个电流测试点的中点的距离，当k取n时，rk表示模拟地面(17)的任意位置到实验地网(151)中第n个电流测试点与相邻的第1个测试点的中点的距离；g0为最优值；

第四步、根据故障电流持续时间ts计算人体能承受的最大跨步电压限值u，并划分危险等级：

数据分析模块(20)依据(6)式计算人体能承受的最大跨步电压限值u，依据规则进行危险等级划分：当ut<u时，为安全；当ut≥u时，为危险。

本发明的有益效果在于：

1)针对雷击下配网线路断线接杆塔的故障情况下，对故障点周围区域的跨步电压进行测评，保障人身安全；

2)该跨步电压测评装置能够模拟配网线路断线接杆塔的故障情况，进而对故障情况进行反演；

3)该跨步电压测评方法考虑了人体的过渡电阻，包括接触电阻与人体电阻，更接近于真实情况。

附图说明

图1(a)、图1(b)是本发明中的跨步电压测评装置的结构示意图；

图2是本发明中实验地网的电流传感器布点示意图；

图3是本发明中跨步电压测评的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。雷击配网线路断线短接杆塔的跨步电压测评装置与方法，具体实施方式包括以下步骤：

第一步、构建雷击下配网线路断线短接杆塔的跨步电压测评装置，主要由冲击电压源(2)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(19)和数据分析模块(20)；组成；

所述冲击电压源(2)为间隙、电压等级可调的冲击电压发生源，可产生满足实验系统所需的8/20μs冲击电压波形；

所述实验箱(19)上端搭载了线路模块(32)，下端搭载了跨步电压测试模块(33)，实验箱(19)下端面开口，其余面由透明亚克力绝缘板搭建；

所述线路模块(32)包括a相线路(5)、b相线路(6)和c相线路(7)；三相负载(16)为rlc负载；冲击电压源(2)的输出端连接到a相线路(5)、b相线路(6)和c相线路(7)的输入端；a相线路(5)包括依次连接的线路电阻一(8)、线路电阻四(12)和负载变压器(15)的a相变压单元，a相变压单元输出端连接到三相负载(16)；b相线路(6)包括依次连接的线路电阻二(9)、线路电阻五(13)和负载变压器(15)的b相变压单元，b相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；c相线路(7)包括线路电阻三(10)、线路电阻六(14)和负载变压器(15)的c相变压单元，线路电阻三(10)的输入端为c相线路(7)的输入端，线路电阻三(10)的输出端连接到断线模拟器(11)的输入导线(101)，断线模拟器(11)的输出导线(102)连接到线路电阻六(14)的输入端，线路电阻六(14)的输出端连接到c相变压单元的输入端，c相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；

所述断线模拟器(11)包括电流传感器一(104)、电流传感器二(105)、电流传感器三(106)、高压开关一(107)、高压开关二(108)、高压开关三(109)、电流采集装置(113)、开关动作判断装置(114)、中央处理器(115)和无线收发装置(116)；断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接地导线(103)分别连接到高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输入端；电流传感器一(104)、电流传感器二(105)和电流传感器三(106)分别套装在断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接地导线(103)，其输出端均连接到电流采集装置(113)；高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输出端分别装有继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)，继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)均连接到开关动作判断装置(114)；电流采集装置(113)和开关动作判断装置(114)连接到中央处理器(115)，中央处理器(115)通过无线收发装置(116)连接到数据分析模块(20)；

所述跨步电压测试模块(33)中，断线模拟器(11)通过接地导线(103)与杆塔(150)相连，杆塔(150)下方连接实验地网(151)，实验地网(151)水平埋在模拟地面(17)表面下方0.8m处平面上，实验地网(151)与杆塔(150)塔脚相连，从任一端部开始每隔1m布置一个电流传感器，并依次对电流测试点编号，编号为k＝1，2，3，……，n，n为电流测试点总数，记录ik，当k取1，2，3，n-1时，ik表示第k个电流测试点与相邻的第k+1个电流测试点测得的电流幅值之差的绝对值，单位为a；当k取n时，ik表示第n个电流测试点与相邻的第1个电流测试点测得的电流幅值之差的绝对值，单位为a；并由模拟地面(17)和电压测量机器人(18)组成；模拟地面(17)由均匀布置的土壤填充，电压测量机器人(18)为远程操控可移动的真实人体比例模型，脚底穿有模拟鞋袜，内部设有等值电阻用于模拟人体电阻，并分别与两脚的鞋袜相连，同时还具备距离传感器，因相关机器人技术已很成熟，更为具体的内部结构不再赘述；电压测量机器人(18)在模拟地面(17)范围内移动，并将测量到的跨步电压和该电压测试点与实验地网(151)中任意两个相邻的电流测试点的中点的距离数据无线传输至数据分析模块(20)；

第二步、模拟雷击配网线路断线短接杆塔故障：

使用数据分析模块(20)控制高压开关一(107)和高压开关二(108)导通、高压开关三(109)断开，然后打开冲击电压源(2)，同时使用数据分析模块(20)发出冲击电压源(2)侧断线接地信号，通过无线收发装置(116)将信号传输到中央处理器(115)，开关动作判断装置(114)控制继电器二(111)动作使得高压开关二(108)断开，并控制继电器三(112)使得高压开关三(109)导通，设定故障电流持续时间ts，单位为s；通过数据分析模块(20)控制电压测量机器人(18)测量电压测试点的跨步电压与每个电压测试点到实验地网(151)中任意两个相邻电流测试点的中点的距离rik，单位为米，当k取1，2，3，n-1时，rik表示第i个电压测试点到实验地网(151)中第k个电流测试点与相邻的第k+1个测试点的中点的距离，当k取n时，rik表示第i个电压测试点到实验地网(151)中第n个电流测试点与相邻的第1个测试点的中点的距离；测量得到跨步电压后，关闭冲击电压源(2)，所有开关都恢复至原始状态，间隔10分钟，控制电压测量机器人(18)在模拟地面(17)范围内任意移动，选择新的电压测试点，打开冲击电压源(2)，再次按照前述方法设置高压开关并测量跨步电压与电压测试点到实验地网(151)中任意两个相邻电流测试点的中点的距离rik；将所有电压测试点跨步电压与rik无线传输至数据分析模块(20)；记录实验地网(151)中，所有电流测试点的电流波形；

第三步、由下式联立计算每个测试点跨步电压理论值：

ωl＝2πlf,l＝0,1,2,3,...,271(7)

式(7)中，ωl表示第l个角频率，f为基波频率，取值为3333hz；式(8)中，φl为第l个相位，α为波前衰减系数，β为波尾衰减系数；式(9)中，uti(g)表示第i个电压测试点的跨步电压理论计算值，单位为v，b为波形矫正系数，取值为2.33，n为电流测试点个数，m为电压测试点个数，rb＝1000(ω)为人体电阻，ρ为实验箱中土壤电阻率，s＝0.8(m)为跨步距离，r0＝ρ/(4b)为接触电阻，b＝0.08(m)为等效接地半径，g为计及接触电阻的高斯误差系数，η为积分变量；

第四步、采用粒子群优化算法对跨步电压公式进行建模，计算出使跨步电压实测值与理论值误差最小的g值，步骤如下：

1)生成具有均匀分布的粒子和速度的初始总体，设置停止条件；

2)按照式(4)计算每个粒子位置的目标函数值：

式中，f(g)表示目标函数，ufi表示第i个电压测试点的跨步电压测量值；

3)更新每个粒子的个体历史最优位置与整个群体的最优位置；

4)更新每个粒子的速度和位置；

5)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果；否则返回第2)步；

6)根据优化得出最优值g0代入以下式(5)，为优化后的理论公式：

式(11)中，ut表示优化后跨步电压的理论计算值；当k取1，2，3，n-1时，rk表示模拟地面(17)的任意位置到实验地网(151)中第k个电流测试点与相邻的第k+1个电流测试点的中点的距离，当k取n时，rk表示模拟地面(17)的任意位置到实验地网(151)中第n个电流测试点与相邻的第1个测试点的中点的距离，单位为m；g0为最优值；

第五步、根据故障电流持续时间ts计算人体能承受的最大跨步电压限值u，并划分危险等级：

数据分析模块(20)依据(12)式计算人体能承受的最大跨步电压限值u，依据规则进行危险等级划分：当ut<u时，为安全；当ut≥u时，为危险。