基于組合賦權法分析后續回擊對線路反擊跳閘影響研究

甘艷,柳雙,肖勁松,顧德文,汪旸,杜志葉

(1.國家電網公司華中分部,武漢 430077; 2.武漢大學 電氣與自動化學院,武漢 430072;3.武漢大學 后勤集團,武漢 430072)

0 引 言

國內外通過多種監測手段對雷電放電過程中首次回擊及后續回擊的規律進行了大量的研究,發現地閃放電過程中多次回擊比例較高[1-2],多次回擊中有相當多的后續回擊會與首次回擊擊中一個點[3-5],且存在后續回擊比首次回擊雷電流幅值高的情況[6-7],對感應過電壓以及反擊跳閘率的計算有較大的影響。

目前有部分關于后續回擊對反擊跳閘率的影響的相關研究,文獻[8]通過蒙特卡羅法、EGM及ATP-EMTP分析負極性后續回擊對10 kV配電線路雷擊跳閘率的影響,發現后續回擊的中值電流比首次回擊大時,后續回擊引起的反擊跳閘率比首次回擊大。文獻[9]采用ATP-EMTP及EGM研究了負極性首次回擊、創造新的通道的后續回擊及與首次回擊保持相同通道的后續回擊對110/220 kV雙回輸電線路的反擊閃絡率的影響,發現首次回擊及后續回擊的峰值電流分布對反擊跳閘率有很大的影響,且與首次回擊保持相同通道的后續回擊比首次回擊及創造新通道的后續回擊引起的反擊跳閘率要大。文獻[10]研究不同接地電阻條件下首次回擊與后續回擊對反擊跳閘率的影響,發現對69 kV線路而言,不管接地電阻如何分布,后續回擊對反擊跳閘率的相關貢獻比首次回擊更大。文獻[11]研究了后續回擊與138 kV輸電線路的雷電特性的相關性,發現后續回擊對高度超過30 m的桿塔的雷電特性影響很大。文獻[12]對意大利典型150 kV架空線路進行研究發現后續回擊造成的反擊跳閘率增加的影響不容忽略。

上述已有研究表明后續回擊對低壓配電線路以及高壓輸電線路有較大的影響,尚未發現后續回擊對超高壓輸電線路反擊跳閘率的相關研究。我國目前已經建成世界上電壓等級最高,網架結構最復雜的超高壓電網。超高壓線路已成為擔負區域間電能輸送的樞紐,因此,亟需分析后續回擊對輸電線路反擊跳閘的影響,為防雷分析、電網潮流控制及運維提供相應的理論指導。

文中分析了500 kV輸電線路走廊范圍內的后續回擊分布規律,通過數據分析方法與模型仿真方法相結合的方式驗證了后續回擊對500 kV超高壓輸電線路的反擊跳閘有較大的影響。

1 后續回擊分布規律

根據雷電放電過程,將雷電放電類型分為不含后續根據雷電放電過程,將雷電放電類型分為不含后續回擊的首次回擊、含后續回擊的首次回擊以及后續回擊三種類型。對于某500 kV線路2016年—2020年9月線路走廊10 km范圍內的負極性落雷進行分析,各年三種放電類型所占的比例如表1所示。

表1 2016年—2020年三種放電類型所占比例

由表1可以看出,在雷擊放電類型中,后續回擊所占的比例最大,約為不含后續回擊的首次回擊的3.9倍,約為含后續回擊的首次回擊的3.2倍。

我國各地區雷電流累積概率分布曲線擬合結果表明,各地區的雷電流概率分布曲線[13]不同,而且采用IEEE推薦雷電流累積概率分布曲線表達式比規程法擬合結果更加準確,IEEE推薦公式為:

P=1/[1+(I/a)b]

(1)

式中a為中值電流,a值越大表明該地區雷電流普遍偏大;b反映了曲線變化程度,b值越大表示幅值概率曲線下降程度越快,電流幅值集中性越強。

對所選500 kV線路2016年—2020年9月走廊10 km范圍內的不同放電類型的負極性落雷的雷電流幅值進行擬合,得到相應的雷電流幅值概率分布曲線圖(見圖1),得到雷電流概率分布表達式的參數如表2所示。

圖1 不同放電類型的雷電流幅值概率分布曲線圖

表2 不同放電類型雷電流概率分布表達式的參數

由圖1和表2可知,含后續回擊的首次回擊中值電流最大,表明該線路走廊范圍內含后續回擊的首次回擊雷電流普遍偏大?？偦負舻睦纂娏鞣蹈怕史植记€在后續回擊和首次回擊的擬合曲線之間,表明考慮后續回擊后,線路走廊范圍內的雷電流會減小。

2 基于組合賦權法的反擊跳閘情況分析

后續回擊在總回擊數里所占比例最大,考慮后續回擊后線路走廊范圍內的雷電流會減小,線路的反擊跳閘率與回擊次數以及雷電流幅值有關,為了研究后續回擊對反擊跳閘情況的影響,文中選取層次分析法[14]和熵權法[15-16]相結合的組合賦權法分析后續回擊次數與雷電流幅值在反擊跳閘影響因素里所占的比重。

層次分析法是將問題分解為不同的指標,根據指標之間的關系以及人為經驗構建層次結構模型來判斷不同指標的權重。熵權法是利用信息熵來表征系統的不確定程度,通過樣本的客觀數據包含的信息量計算出各指標是熵值和權重。主觀經驗與客觀數據相結合,既能考慮不同指標的重要性,又能對已有數據進行定量分析,形成組合賦權法,使結論更有說服力。

2.1 層次分析法

層次分析法的相關步驟如下:

1)構建層次結構模型及判斷矩陣。

對負極性落雷,分別令不含后續回擊的首次回擊次數及雷電流幅值、含后續回擊的首次回擊次數及雷電流幅值、后續回擊的次數及雷電流幅值為r1～r6,根據已有的經驗及統計規律構建判斷矩陣R。

選取某區域不同通道具有代表性的500 kV線路,分別統計r1～r6的值如表3所示。

表3 某區域不同線路2016年—2020年負極性落雷參數

則判斷矩陣為:

(2)

2)賦權。

經過一致性檢驗發現矩陣R的一致性比小于0.1,表明判斷矩陣設置合理。根據矩陣R的最大特征值對應的特征向量對r1～r6六個指標進行賦權。

2.2 熵權法

熵權法的相關步驟如下:

1)對各指標標準化處理,構建原始判斷矩陣。

對第i個樣本而言,令標準化之后的第j個指標為yij,則:

(3)

2)求相關的熵值Sj。

(4)

式中Nij表示對第j個指標而言第i個樣本的指標值所占的比例,Nij越大表示第i個樣本的指標值在第j個指標中占比越大。

Pij=-lnNij(Nij≠0)

(5)

式中Pij表示第i個樣本的第j個指標出現的概率。

則相關的熵值Sj為:

(6)

3)求第j個指標的權重Wsj:

(7)

2.3 組合賦權法

將層次分析法與熵權法結合之后,第j個指標權重Wj為:

(8)

層次分析法、熵權法以及組合賦權法的權重如表4所示。

表4 所選六個反擊跳閘影響因素的權重

由表4可知,r5即后續回擊次數對反擊跳閘的影響權重最大,說明后續回擊對500 kV輸電線路反擊跳閘率的影響程度較大,需要引起重視。

3 ATP-EMTP模型建立

為進一步研究并驗證后續回擊對反擊跳閘的影響,文中通過ATP-EMTP模型仿真的方式分析考慮后續回擊后線路反擊耐雷水平的變化。

1)輸電線路模型。

輸電線路模型采用與頻率相關的Jmarti模型,考慮集膚效應,500 kV線路采用的導線型號一般為4×LGJ-400/35,地線型號一般為GJ-70,根據桿塔幾何尺寸和材料參數建立輸電線路LCC模型。

2)桿塔模型。

桿塔模型采用Hara無損線路多波阻抗模型[17],該模型考慮了波過程及桿塔自身結構的不同,對桿塔的主體、支架及橫擔采用不同的波阻抗進行模擬,計算結果與實際情況更加吻合。主體、支架及橫擔的波阻抗分別用ZT、ZL、ZA表示。

(9)

ri=21/8(rTi1/3rB2/3)1/4(RTi1/3RB2/3)3/4

(10)

式中hi為桿塔主體分界點離地的高度;ri為桿塔主體的等效半徑;rTi為桿塔主體段較細部分的半徑;rB為塔腳處主體段較粗部分的半徑,對酒杯塔而言;RTi為桿塔主體分界點處的寬度;RB為塔腳之間的寬度。

ZLi=9ZTi

(11)

ZAi=60ln(2hai/rai)

(12)

式中hai為橫擔離地的高度;rai為橫擔的等效半徑。

500 kV輸電線路常用酒杯塔的桿塔結構圖以及相應的多波阻抗模型圖如圖2及圖3所示。

圖2 酒杯塔桿塔結構圖

圖3 酒杯塔桿塔多波阻抗模型圖

3)絕緣子串閃絡判據模型。

瓷絕緣子和復合絕緣子串的閃絡路徑大多數為沿空氣閃絡[18],因此文中采用與絕緣子串同樣長度的棒-棒長空氣間隙放電來模擬絕緣子串閃絡,即采用先導法作為絕緣子串的閃絡判據。

長空氣間隙放電包括電暈起始放電、流注放電、先導放電以及主放電四個過程,間隙擊穿時間可近似為流注放電時間t1及先導發展時間t2[19],t1>0表明會發生流注放電過程,若先導發展時間t2內,v2>0表明先導完全發展導致長空氣間隙擊穿,則絕緣子串的閃絡判據為t1>0及v2>0[20]。

4)考慮后續回擊的反擊耐雷水平仿真模型。

根據輸電線路模型、桿塔模型以及絕緣子串閃絡判據模型建立考慮后續回擊的反擊耐雷水平仿真模型圖(見圖4)。

圖4 500 kV交流輸電線路反擊耐雷水平仿真模型

4 考慮后續回擊對反擊耐雷水平的影響

線路未遭受雷擊時絕緣子串兩端的電壓差為正弦波形,雷擊后若絕緣子串未閃絡,則由雷擊引起的暫態過程會在短時間內消失,絕緣子串兩端的電壓差波動之后會重新恢復成正弦波形。

線路絕緣子串承擔的合成電壓幅值為Uli:

Uli=Ua-U1-Ui(c)-U2

(13)

式中Ua為絕緣子串的橫擔電壓;U1為導線上的耦合電壓;Ui(c)為導線上的感應過電壓;U2為導線上的工頻電壓。

負極性雷擊中桿塔塔頂時,塔頂為負電位,導線上的耦合電壓為負值,導線上的感應過電壓為正值。

4.1 仿真分析

調整交流電源的相位使t=0時刻B相的工頻電壓值為0。500 kV導線上的工作電壓的頻率為50 Hz,則周期為0.02 s。t=0 s時,U為500 kV,此時發生首次回擊,不考慮后續回擊時線路的反擊耐雷水平為191.434 kA,B相絕緣子串兩端的過電壓為3.85 MV。

文中僅考慮首次回擊未跳閘的情況,取I1為191.434 kA,即首次回擊不會跳閘,首次回擊后絕緣子串兩端的電壓平穩時間較短,設仿真時間為0.2 s,對于B相絕緣子串兩端電壓的一個周期(0.1 s≤t≤0.12 s)進行分析。

1)t=0.1 s時考慮后續回擊。

取I2為191.434 kA時,B相絕緣子串閃絡,說明線路的反擊耐雷水平減小。根據ATP模型計算出此時考慮后續回擊后線路的反擊耐雷水平為126.759 kA,減小了33.8%。t=0.1 s時考慮后續回擊跳閘時絕緣子串兩端的電壓變化如圖5(a)所示。

圖5 不同時刻考慮后續回擊絕緣子串兩端電壓變化圖

(2)t=0.105 s時考慮后續回擊。

考慮后續回擊后線路的反擊耐雷水平為113.706 kA,減小了40.6%。t=0.105 s時考慮后續回擊跳閘時絕緣子串兩端的電壓變化如圖5(b)所示。

(3)t=0.11 s時考慮后續回擊。

考慮后續回擊后線路的反擊耐雷水平為126.450 kA,減小了34.0%。t=0.11 s時考慮后續回擊跳閘時絕緣子串兩端的電壓變化如圖5(c)所示。

(4)t=0.115 s時考慮后續回擊。

考慮后續回擊后線路的反擊耐雷水平為120 kA,減小了37.3%。t=0.11 s時考慮后續回擊跳閘時絕緣子串兩端的電壓變化如圖5(d)所示。

(5)t=0.12 s時考慮后續回擊。

與t=0.1 s時考慮后續回擊情況相同。

對于B相絕緣子串兩端電壓的一個周期分析發現,考慮后續回擊后線路的反擊耐雷水平會降低,降低程度與周期有關,平均降低原反擊耐雷水平的36.4%。

4.2 原因分析

由圖5可以看出,考慮首次回擊未跳閘,穩定之后絕緣子串兩端的電壓為線路的工頻電壓,考慮后續回擊跳閘后,跳閘相絕緣子串兩端的電壓變為0,非跳閘相絕緣子串兩端的電壓穩定后為正弦波形,幅值大于線路的工頻電壓。

由圖5(a)和圖5(c)可以看出,t=0.1 s、t=0.11 s及t=0.12 s時考慮后續回擊,當后續回擊雷電流與首次回擊雷電流相同時,B相絕緣子串兩端的過電壓幅值小于3.85 MV,因為這三個時刻為B相的工頻電壓過零點。

由圖5(b)可以看出,t=0.105 s時考慮后續回擊,當后續回擊雷電流與首次回擊雷電流相同時,B相絕緣子串兩端的過電壓幅值大于3.85 MV,因為該時刻為B相的正半周工頻電壓峰值點。若B相導線上的工頻電壓為正值,穩定波動時線路絕緣子串承擔的合成電壓處在負半周,遭遇雷擊時絕緣子串承擔的過電壓會大于3.85 MV。

由圖5(d)可以看出,t=0.115 s時考慮后續回擊,當后續回擊雷電流與首次回擊雷電流相同時,B相絕緣子串兩端的過電壓幅值小于3.85 MV,因為該時刻為B相的負半周工頻電壓峰值點。若B相導線上的工頻電壓為負值,穩定波動時線路絕緣子串承擔的合成電壓處在正半周,遭遇雷擊時絕緣子串承擔的過電壓會小于3.85 MV。

因此,后續回擊雷電流為原反擊耐雷水平時,絕緣子串承擔的過電壓與3.85 MV之間的大小關系,與導線工頻電壓周期及電壓值有關。

5 結束語

1)三種回擊放電類型中后續回擊次數所占的比例最大;通過層次分析法與熵權法結合的組合賦權法分析發現后續回擊次數對反擊跳閘的影響權重最大,說明后續回擊對500 kV輸電線路反擊跳閘率的影響程度較大。

2)后續回擊雷電流為原反擊耐雷水平時,絕緣子串兩端的過電壓與首次回擊時對應的過電壓之間的大小關系,與導線工頻電壓周期及電壓值有關。

3)首次回擊未跳閘時,考慮后續回擊后線路的反擊耐雷水平會降低,降低程度與導線工頻電壓周期有關,平均降低原反擊耐雷水平的36.4%。