分层土壤下雷击线路两相接地跨步电压测评系统及方法与流程

本发明属于电力系统接地分析领域，特别是一种分层土壤下雷击线路两相接地跨步电压测评系统及方法。

背景技术：

雷击输电线路是造成电力系统故障的主要原因，两相断线接地故障是电力系统故障中常见的故障类型，发生概率较高，危害较严重。当雷电流经断线输电线流入大地时，会在断线入地点附近产生电位升。此时，当人站在附近就会产生跨步电压，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，配网断线等极端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，而缺乏配电网极端接地跨步电压测试和分布评估技术。当输电线路遭受直接雷击的时候，跨步电压测评方法将变得更加复杂，为了准确的对跨步电压进行测评，迫切需要建立一种智能测评系统，能考虑土壤水平分层和雷击输电线路产生过电压并造成线路两相断线直接接地的影响，测评周围土壤区域的跨步电压分布。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种分层土壤下雷击线路两相接地跨步电压测评系统及方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

分层土壤下雷击线路两相接地跨步电压测评系统，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(17)和数据分析模块(23)；

所述实验箱(17)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，线路电阻二(9)的输入端为b相线路(6)的输入端，线路电阻二(9)的输出端连接到断线模拟器b(21)的输入导线b(201)，断线模拟器b(21)的输出导线b(202)连接到线路电阻五(13)的输入端，线路电阻五(13)的输出端连接到b相变压单元的输入端，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c(11)的输入导线c(101)，断线模拟器c(11)的输出导线c(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b(21)包括电流传感器四(204)、电流传感器五(205)、电流传感器六(206)、高压开关四(207)、高压开关五(208)、高压开关六(209)、电流采集装置b(213)、开关动作判断装置b(214)、中央处理器b(215)和无线收发装置b(216)；断线模拟器b(21)的输入导线b(201)、输出导线b(202)和接地导线b(203)分别连接到高压开关四(207)、高压开关五(208)和高压开关六(209)的输入端，高压开关四(207)、高压开关五(208)和高压开关六(209)的输出端相互连接；电流传感器四(204)、电流传感器五(205)和电流传感器六(206)分别套装在断线模拟器b(21)的输入导线b(201)、输出导线b(202)和接地导线b(203)，其输出端均连接到电流采集装置b(213)；高压开关四(207)、高压开关五(208)和高压开关六(209)还分别装有控制其开关闭合或断开的继电器四(210)、继电器五(211)和继电器六(212)，继电器四(210)、继电器五(211)和继电器六(212)均连接到开关动作判断装置b(214)；电流采集装置b(213)和开关动作判断装置b(214)连接到中央处理器b(215)，中央处理器b(215)通过无线收发装置b(216)连接到数据分析模块(23)；

所述断线模拟器c(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c(113)、开关动作判断装置c(114)、中央处理器c(115)和无线收发装置c(116)；断线模拟器c(11)的输入导线c(101)、输出导线c(102)和接地导线c(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c(11)的输入导线c(101)、输出导线c(102)和接地导线c(103)，其输出端均连接到电流采集装置c(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c(114)；电流采集装置c(113)和开关动作判断装置c(114)连接到中央处理器c(115)，中央处理器c(115)通过无线收发装置c(116)连接到数据分析模块(23)；

所述跨步电压测试模块(33)包括第一层土壤(19)、第二层土壤(20)、第三层土壤(21)、第四层土壤(22)和电压测量机器人(18)；第一层土壤(19)、第二层土壤(20)、第三层土壤(21)第四层土壤(22)分别由不同电阻率的土壤均匀填充，第四层土壤(22)为试验场地所在大地；第一层土壤(19)同时与断线模拟器c(11)的接地导线c(103)、断线模拟器b(21)的接地导线b(203)紧密接触；电压测量机器人(18)位于第一次土壤(19)的面上，并无线连接到数据分析模块(23)。

上述分层土壤下雷击线路两相接地跨步电压测评系统的测评方法，包括以下步骤：

第一步：模拟雷击输电线路两相断线接地故障并进行电压测试，设定故障电流持续时间ts，通过电流传感器三(106)和电流传感器六(206)采集断线入地电流，并分别通过无线收发装置c(116)、无线收发装置b(216)无线传输到数据分析模块(23)；通过数据分析模块(23)控制电压测量机器人(18)测量不同跨步电压测试点的跨步电压以及跨步电压测试点分别到接地导线c(203)、接地导线b(103)的距离，并无线传输至数据分析模块(23)；

第二步：由下述公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)

其中：

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，ri1为第i个跨步电压测试点与接地导线c(103)的距离，ri2为第i个跨步电压测试点与接地导线b(203)的距离，n为跨步电压测试点个数，hk、m和l为系数，j0为第一类零阶贝塞尔函数；iq为所测量得到的接地导线入地电流幅值，当q＝1时，i1为所测量得到的接地导线c(103)入地电流幅值，当q＝2时，i2为所测量得到的接地导线b(203)入地电流幅值；rb为人体电阻，ρ1为实验箱(17)中第一层土壤电阻率，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、λ为积分变量；式(4)中a为波形矫正系数；式(5)、(6)中，μ1，μ2，μ3为系数，h1，h2，h3分别为第一层，第二层和第三层土壤深度；式(7)中ρl为第l层土壤的电阻率；

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(8)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代入以下公式(9)，为优化后的理论公式：

式(9)中，ut为优化后的跨步电压测试点的理论计算值，r1、r2分别为与土壤区域任意一点与接地导线c(103)、接地导线b(203)入地点的距离；

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(23)依据式(10)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)考虑雷击输电线路造成的过电压入侵工况；

2)能有效模拟输电线路两相断线接地点周围土壤水平分层工况；

3)能模拟输电线路两相断线接地故障，并有效测量雷击下水平分层土壤的跨步电压，改善理论计算方法，并对跨步电压分布进行评价；

4)通过上位机完成主要的操作与控制，操作方便，安全可靠，对水平多层土壤的测试具有普适性。

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c的结构示意图。

图3是本发明的断线模拟器b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行进一步说明。包括以下步骤：

第一步：搭建一种分层土壤下雷击输电线路两相接地跨步电压测评系统

如图1所示，本发明的测试系统包括冲击电压源(2)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(17)和数据分析模块(23)；

冲击电压源(2)可以通过调节来模拟雷击输电线路造成的过电压；

实验箱(17)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(17)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)、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，线路电阻二(9)的输入端为b相线路(6)的输入端，线路电阻二(9)的输出端连接到断线模拟器b(21)的输入导线b(201)，断线模拟器b(21)的输出导线b(202)连接到线路电阻五(13)的输入端，线路电阻五(13)的输出端连接到b相变压单元的输入端，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c(11)的输入导线c(101)，断线模拟器c(11)的输出导线c(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b(21)包括电流传感器四(204)、电流传感器五(205)、电流传感器六(206)、高压开关四(207)、高压开关五(208)、高压开关六(209)、电流采集装置b(213)、开关动作判断装置b(214)、中央处理器b(215)和无线收发装置b(216)；断线模拟器b(21)的输入导线b(201)、输出导线b(202)和接地导线b(203)分别连接到高压开关四(207)、高压开关五(208)和高压开关六(209)的输入端；电流传感器四(204)、电流传感器五(205)和电流传感器六(206)分别套装在断线模拟器b(21)的输入导线b(201)、输出导线b(202)和接地导线b(203)上，其输出端均连接到电流采集装置b(213)；高压开关四(207)、高压开关五(208)和高压开关六(209)的输出端分别装有继电器四(210)、继电器五(211)和继电器六(212)，继电器四(210)、继电器五(211)和继电器六(212)均连接到开关动作判断装置b(214)；电流采集装置b(213)和开关动作判断装置b(214)连接到中央处理器b(215)，中央处理器b(215)通过无线收发装置b(216)连接到数据分析模块(23)；

所述断线模拟器c(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c(113)、开关动作判断装置c(114)、中央处理器c(115)和无线收发装置c(116)；断线模拟器c(11)的输入导线c(101)、输出导线c(102)和接地导线c(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c(11)的输入导线c(101)、输出导线c(102)和接地导线c(103)上，其输出端均连接到电流采集装置c(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c(114)；电流采集装置c(113)和开关动作判断装置c(114)连接到中央处理器c(115)，中央处理器c(115)通过无线收发装置c(116)连接到数据分析模块(23)；

所述跨步电压测试模块(33)包括第一层土壤(19)、第二层土壤(20)、第三层土壤(21)、第四层土壤(22)和电压测量机器人(18)；第一层土壤(19)、第二层土壤(20)、第三层土壤(21)和第四层土壤(22)分别由不同电阻率的土壤均匀填充，第四层土壤(22)为试验场地所在大地，进而模拟土壤水平分层情况；第一层土壤(19)同时与断线模拟器c(11)的接地导线c(103)、断线模拟器b(21)的接地导线b(203)紧密接触；电压测量机器人(18)位于第一层土壤(19)的面上，且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和接触电阻，并分别与两脚相连，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)将在第一层土壤(19)范围内移动，并将测量到的跨步电压和测试点分别与接地导线c(103)和接地导线b(203)的距离数据无线传输至数据分析模块(23)，并无线连接到数据分析模块(23)。

第二步：模拟输电线路两相断线接地故障并进行电压测试：使用数据分析模块(23)控制模拟断路器c(11)的高压开关一(107)和高压开关二(108)导通、高压开关三(109)断开，并控制模拟断路器b(21)的高压开关四(207)和高压开关五(208)导通、高压开关六(209)断开，然后打开冲击电压源(2)，同时使用数据分析模块(23)发出冲击电压源(2)侧断线接地信号，通过无线收发装置c(116)、无线收发装置b(216)将信号分别传输到中央处理器c(115)、中央处理器b(215)，随后开关动作控制装置c(114)、开关动作控制装置b(214)分别控制继电器二(111)、继电器五(211)动作使得高压开关二(108)、高压开关五(208)断开，并控制继电器三(112)、继电器六(212)分别使得高压开关三(109)、高压开关六(209)导通，设定故障电流持续时间ts，单位为秒；利用电流传感器三(106)、电流传感器六(206)分别采集接地导线c(103)、接地导线b(203)的入地电流，并分别通过无线收发装置c(116)、无线收发装置b(216)无线传输到数据分析模块(23)；通过数据分析模块(23)控制电压测量机器人(18)测量跨步电压测试点的跨步电压以及跨步电压测试点分别到接地导线c(103)、接地导线b(203)的距离；关闭冲击电压源(2)，并将所有开关还原，间隔10分钟，通过数据分析模块(23)控制电压测量机器人(18)在第一层土壤(19)面上任意移动，选择新的跨步电压测试点之后打开冲击电压源(2)，再次按照前述方法设置高压开关并测量跨步电压以及跨步电压测试点分别到接地导线c(103)、接地导线b(203)的距离，最后无线传输至数据分析模块(23)；

第三步：由下述公式计算每个测试点跨步电压理论值：

ωk＝2πkf,k＝0,1,2,3,…271(11)

其中：

式(11)中，ωk表示第k个角频率，f为基波频率，取值为3333hz；式(12)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(13)中，uti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值，单位为v，riq为第i个电压测试点到接地导线的距离，当q＝1时，ri1为第i个跨步电压测试点与接地导线c(103)的距离，当q＝2时，ri2为第i个跨步电压测试点与接地导线b(203)的距离，单位为m，n为跨步电压测试点个数，hk、m和l为系数，j0为第一类零阶贝塞尔函数，iq为所测量得到的接地导线入地电流幅值，当q＝1时，i1为所测量得到的接地导线c(103)入地电流幅值，当q＝2时，i2为所测量得到的接地导线b(203)入地电流幅值，单位为a，rb＝1000(ω)为人体电阻，ρ1为实验箱中第一层土壤电阻率，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、λ为积分变量；式(14)中a为波形矫正系数,取值为2.33；式(15)、(16)中，μ1，μ2，μ3为系数，h1，h2，h3分别为第一层，第二层和第三层土壤深度；式(17)中ρl为第l层土壤的电阻率；

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(18)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，单位为v；

(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代入以下公式(9)，为优化后的理论公式：

式(19)中，ut为优化后的跨步电压测试点的理论计算值，r1、r2分别为与第一层土壤(19)面上任一点至接地导线c(103)、接地导线b(203)入地点的距离；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(23)依据式(20)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。