雷击输电线路单相接地故障的风险评估实验平台及方法与流程

本发明属于电力系统接地领域，特别是雷击输电线路单相接地故障的风险评估实验平台及方法。

背景技术：

雷击输电线路故障是影响电力系统安全运行中主要的问题，雷击引起的输配电网跳闸事故频繁发生，通常雷电输电线路引起断线接地故障时，雷电流经断线流散至地面，这类高幅值与高频率的故障电流将对断线入地点周围生物安全造成极大的威胁，生物靠近电势区域时会在两脚之间产生电势差造成跨步电压触电事故。跨步电压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。由于配网线路长度的大幅增长，配网规模越来越大，穿越高密度人群的问题不可避免，雷击配网断线接地的隐患将越加突出。目前而言，解决配电网断线接地故障仍是一项世界级难题。

目前国内外针对跨步电压的相关研究，主要集中在发电厂、变电站接地网的跨步电压仿真与接地电阻测试以及配电网系统运行风险评估和网架结构风险评估等，而缺乏输电线路断线接地跨步电压测试和风险评估技术。而在输电线路遭受直接雷击时，跨步电压测评方法将变得更加复杂，为了准确的对雷击下跨步电压进行测评，迫切需要建立一种智能测评平台，能考虑雷击输电线路产生过电压经断线流散的影响，测评周围土壤区域的跨步电压风险，并进行安全评估。

技术实现要素：

本发明的目的是提供雷击输电线路单相接地故障的风险评估实验平台及方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

雷击输电线路单相接地故障的风险评估实验平台，包括电源模块(31)、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)；

所述电源模块(31)为冲击电压源(2)；

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)、c相线路(7)和三相负载(16)；三相负载(16)为rlc负载；冲击电压源(2)的出线连接到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)以及无线收发装置(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，与断线模拟器(11)的接地导线(103)紧密接触；电压测量机器人(18)位于模拟地面(17)上，并无线连接到数据分析模块(20)。

上述实验平台的实验方法，包括以下步骤：

第一步、设定故障电流持续时间，通过电流传感器三(106)采集断线入地电流，通过数据分析模块(20)控制电压测量机器人(18)测量不同点跨步电压，并记录每个电压测试点与电流注入点距离；

第二步、由下式计算每个测试点跨步电压理论值uti：

ωk＝2πkf,k＝0,1,2,3,...,271(1)

式(1)中，ωk表示第k个角频率，f为基波频率；式(2)中，φk为第k个相位，α为波前衰减系数，β为波尾衰减系数；式(3)中，uti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值，n为电压测试点总个数，b为波形矫正系数，i为实际所测得的入地雷电流幅值，rb为人体电阻，ρ为实验箱中土壤电阻率，ri为第i个电压测试点到电流注入点的距离，s为跨步距离，r0＝ρ/(4b)为接触电阻，b为等效接地半径，η为积分变量，g为计及接触电阻的高斯误差系数；

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)计算群体最优位置：

式中，ufi为第i个测试点的跨步电压实测值，f为均方根误差函数；

(3)更新每个粒子的速度和位置；

(4)计算每个粒子位置的误差函数值，同时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)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果；否则返回第(3)步；

(5)根据优化得出最优值g0代入公式(3)，优化后的理论公式为：

式(5)中，r为土壤区域任意位置到接地导线(103)入地点距离，ut为优化后土壤区域任意位置的跨步电压理论值；

第四步、计算人体承受的最大跨步电压限值，并划分危险区域：

式中，ts为故障电流持续时间，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，依据规则进行危险区域划分：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)能有效模拟雷击输电线路造成的过电压入侵工况；

2)能有效测量雷击输电线路单相接地流散至周围土壤的跨步电压，通过测量与理论相结合的方法，对周围危险区域进行了准确评价；

3)通过上位机完成主要的操作与控制，操作方便智能，安全可靠，对跨步电压的测试具有普适性。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的断线模拟器的结构示意图。

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。包括以下步骤：

第一步、搭建雷击输电线路单相接地故障的风险评估实验平台：

如图1所示，本发明实验平台主要由电源模块(31)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(19)、数据分析模块(20)组成；

电源模块(31)为冲击电压源(2)；冲击电压源(2)发出8/20μs的雷电流冲击波。

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，右侧开有门；

冲击电压源(2)通过单根导线与线路模块(32)连接，线路模块(32)由a相线路(5)、b相线路(6)和c相线路(7)组成；三相线路通过线路电阻一(8)、线路电阻二(9)、线路电阻三(10)、线路电阻四(12)、线路电阻五(13)、线路电阻六(14)，断线模拟器(11)，负载变压器(15)与三相负载(16)相连；线路电阻一(8)和线路电阻四(12)、线路电阻二(9)和线路电阻五(13)以及线路电阻三(10)和线路电阻六(14)为模拟断线点两侧导线等效电阻，三相导线经过负载变压器(15)降压后为三相负载(16)供电；所述三相负载(16)为rlc负载；

如图2所示，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)以及无线收发装置(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)；

如图1所示，跨步电压测试模块(33)通过接地导线(103)与断线模拟器(11)相连，并由模拟地面(17)和电压测量机器人(18)组成，接地导线(103)与模拟地面(17)紧密接触；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，内部设有等值电阻用于模拟人体电阻，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测试点与接地导线(103)的距离数据无线传输至数据分析模块(20)。

第二步、模拟雷击输电线路单相断线接地故障并进行电压测试：

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)，使用数据分析模块(20)发出电源侧断线接地信号，通过无线收发装置(116)将信号传输到中央处理器(115)，开关动作控制装置(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，并设定故障电流持续时间ts，单位为s；然后通过电流传感器三(106)采集断线入地电流i(t)，单位为a，通过数据分析模块(20)控制电压测量机器人(18)测量不同点跨步电压ufi，单位为v，并记录每个电压测试点与电流注入点距离ri，单位为m，将所有测试点跨步电压与距离数据无线传输至数据分析模块(20)；

第三步、由下述式子计算每个测试点跨步电压理论值uti：

ωk＝2πkf,k＝0,1,2,3,...,271(7)

式(7)中，ωk表示第k个角频率，f为基波频率，取值为3333hz；式(8)中，φk为第k个相位，α为波前衰减系数，β为波尾衰减系数；式(9)中，uti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值，单位为v，n为电压测试点总个数，b＝2.33为波形矫正系数，i为实际所测得的入地雷电流幅值，单位为a，rb＝1000(ω)为人体电阻，ρ为实验箱中土壤电阻率，单位为ω.m，s＝0.8(m)为跨步距离，r0＝ρ/(4b)为接触电阻，单位为ω，b＝0.08(m)为等效接地半径，η为积分变量，g为计及接触电阻的高斯误差系数。

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(10)计算群体最优位置：

式中，ufi为第i个测试点的跨步电压实测值，f为均方根误差函数；

(3)更新每个粒子的速度和位置；

(4)计算每个粒子位置的目标函数值，同时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；

(5)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果；否则返回第(3)步；

(6)根据优化得出最优值g0代入公式(9)，优化后的理论公式为：

式(11)中，r为土壤区域任意位置到接地导线(103)入地点距离，单位为m；ut为优化后土壤区域任意位置的跨步电压理论值，单位为v；

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，并划分危险区域：

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，依据规则进行危险区域划分：当ut<u时，为安全；当ut≥u时，为危险。