[发明专利]一种高海拔山区风电场集电线路雷击跳闸率的估算方法

权利要求书

1.一种高海拔山区风电场集电线路雷击跳闸率的估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对风电场集电线路内的杆塔进行编号、进行基本参数的采集和雷电流幅值范围的设定；

设需要估算的任一个风电场集电线路所在的区域为U，在区域U内对杆塔进行编号，设区域U中的任一个杆塔为杆塔T_m，m为区域U内的杆塔按照排列进行编号的顺序号，m为正整数；

采集区域U内的风电场集电线路的基本参数，所述基本参数包括杆塔高度尺寸参数、导线参数、避雷线参数、雷电参数和绝缘子闪络电压参数；

根据已知的观测数据，首先将需要估计的雷电流幅值范围记为雷电流幅值范围A，A＝0～300kA；然后将雷电流幅值范围A等分为n个区间，令每个区间起始处的雷电流幅值作为该区间评估点的雷电流幅值，得到n个区间评估点的雷电流幅值，在n个区间中任取一个区间，并将该区间评估点的雷电流幅值记为雷电流幅值I_j，j＝1，2...n；最后将n个区间评估点的雷电流幅值组成一个雷电流幅值的集合，记为集合I，I＝{I₁，I₂.......I_j.......I_n}；

步骤2，进行二级区段的设定，并进行导线对地高度和避雷线对地高度的计算；

步骤2.1，进行二级区段的设定；

将杆塔T_m与杆塔T_m+1之间的区间定义为后一级区段，在后一级区段内，将杆塔T_m与杆塔T_m+1之间的水平距离按长度1米等分得到K₁个后二级区段，将该其中的任意一个记为后二级区段B_h，h＝1，2…..K₁；将K₁个后二级区段的集合记成集合B，集合令集合B内每一个后二级区段终点处的海拔高度为该后二级区段的海拔高度，对集合B内的每一个后二级区段的海拔高度进行测量，得到K₁个后二级区段海拔高度的集合H_B，其中，为后二级区段B_h的海拔高度；

将杆塔T_m与杆塔f_m-1之间的区间定义为前一级区段，在前级一区段内，将杆塔T_m与杆塔T_m-1杆塔之间的水平距离按长度1米等分得到K₂个前二级区段，并将其中的任意一个记为前二级区段C_γ，γ＝1，2…..K₂，且序号γ的增大方向为自杆塔T_m向杆塔T_m-1的方向；将K₂个前二级区段的集合记成集合C，集合K₂≠K₁；令集合C内每一个前二级区段终点处的海拔高度为该前二级区段的海拔高度，对集合C内的每一个前二级区段的海拔高度进行测量，得到前一级区段内K₂个前二级区段海拔高度的集合H_C，其中，为前二级区段C_γ的海拔高度；

步骤2.2，计算后导线对地高度L_Bh和前导线对地高度

令后二级区段B_h中的导线的中点为点0，点0处导线的对地垂直高度记为后导线对地高度L_Bh，后导线对地高度L_Bh的计算式如下：

式中，H_m为杆塔T_m的海拔高度，H_C为杆塔T_m上导线悬挂点的对地垂直距离，f₀为点0处的导线弧垂，D₁为点0到杆塔T_m的直线水平距离，α1为杆塔T_m和杆塔T_m+1之间的高差角，H₀为点0处对应的地面海拔高度；

其中，点0处的导线弧垂f₀的计算公式如下：

式中：g₁为比载，σ₁为导线最大应力；

令前二级区段C_γ中的导线的中点为点Q，点Q处导线的对地垂直高度记为前导线对地高度前导线对地高度的计算式如下：

式中，f_Q为点Q处的导线弧垂，D₂为点Q到杆塔T_m的直线水平距离，α2为杆塔T_m和杆塔编号T_m-1之间的高差角，H_Q为点Q对应的地面海拔高度；

其中，点Q处的导线弧垂f_Q的计算公式如下：

步骤2.3，计算后避雷线对地高度和前避雷线对地高度

令后二级区段B_h中的避雷线的中点为点S，点S处避雷线的对地垂直高度记为后避雷线对地高度后避雷线对地高度的计算公式如下：

式中，H_G为杆塔T_m上避雷线悬挂点的对地垂直距离，f_S为在点S处的避雷线弧垂，E₁为点S到杆塔T_m的直线水平距离，H_S为点S处对应的地面海拔高度；

其中，点S处的避雷线弧垂f_S的计算公式如下：

式中：g₂为比载，σ₂为避雷线最大应力；

令前二级区段C_γ中的避雷线的中点为点X，点X处避雷线的对地垂直高度记为前避雷线对地高度前避雷线对地高度的计算式如下：

式中，f_X为点X处的避雷线弧垂，E₂为点X到杆塔T_m的直线水平距离，H_X为点X对应的地面海拔高度；

其中，点X处的避雷线弧垂f_X的计算公式如下：

步骤3，考虑海拔高度的影响，对杆塔T_m的绝缘子雷电冲击50％放电电压U_50％进行修正，得到修正过的绝缘子雷电冲击50％放电电压U1_50％，

式中，K_a为修正系数，q为海拔高度修正因子，本发明中，取修正因子为1.0；

步骤4，计算后二级区段B_h的风电场集电线路最小反击耐雷水平和风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平计算前二级区段C_γ的风电场集电线路最小反击耐雷水平和风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平

步骤4.1，计算后二级区段B_h的风电场集电线路最小反击耐雷水平和前二级区段C_γ中的风电场集电线路最小反击耐雷水平计算式分别如下：

式中，k_m为考虑冲击电晕影响的耦合系数，β_m为杆塔T_m的杆塔分流系数；R_m为杆塔T_m的冲击接地电阻；为杆塔T_m横担高度；V_m为杆塔总电感；为导线、地线间的几何耦合系数；

步骤4.2，计算后二级区段B_h的风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平计算式如下：

其中，为后二级区段的风电场集电线路最大击矩，计算式如下：

式中：

θ₀₁是后二级区段B_h的保护角，L₁为从杆塔T_m的导线到避雷线的水平横担距离；

F是第一中间变量，F＝k_h²-sin²(θ₀₁)，其中，k_h是在后二级区段B_h的击距系数，计算式如下：

当

当

G1是第二中间变量，

步骤4.3，计算前二级区段C_γ的风电场集电线路最小绕击耐雷水平和风电场集电线路最大绕击耐雷水平计算式如下：

其中，为前二级区段的风电场集电线路最大击矩，计算式如下：

式中：

θ₀₂是在前二级区段C_γ的保护角，

F2是第三中间变量，F2＝k_γ²-sin²(θ₀₂)，k_γ是在前二级区段C_γ的击距系数，，计算式如下：

当

当k_γ＝0.55；

G2是第四中间变量，

步骤5，计算风电场集电线路直击雷反击闪络率S_BFOR；

步骤5.1，计算与后二级区段B_h、雷电流幅值范围A3对应的风电场集电线路发生雷电反击闪络次数BFOR_BhA3；

从雷电流幅值范围A中分解出雷电流幅值为的雷电流幅值范围A3，设雷电流幅值范围A3内共包含n3个区间，n3≤n；对雷电流幅值范围A3，逐个区间计算与后二级区段B_h对应的集电线路发生雷电反击闪络次数ΔBFOR_Bh，得到n3个与后二级区段B_h对应的集电线路发生雷电反击闪络次数ΔBFOR_Bh，对n3个与后二级区段B_h对应的集电线路发生雷电反击闪络次数ΔBFOR_Bh进行累加得到与后二级区段B_h、雷电流幅值范围A3对应的风电场集电线路发生雷电反击闪络次数BFOR_BhA3，计算式分别如下：

ΔBFOR_Bh＝ηgN_g[P(I_j)-P(I_j+1)]

式中：

g为击杆率，N_g为地面落雷密度，T_d为年雷暴日数，η为建弧率；

P()为雷电流幅值分布概率函数，即雷电流幅值超过I_j的雷电流出现的概率，P(I_j+1)为雷电流幅值超过(I_j+1)的雷电流出现的概率；

步骤5.2，计算与前二级区段C_γ、雷电流幅值范围A4对应的风电场集电系统发生雷电反击闪络次数

从雷电流幅值范围A中分解出雷电流幅值为的雷电流幅值范围A4，设雷电流幅值范围A4内共包含n4个区间，n4≤n；对雷电流幅值范围A4，逐个区间计算与前二级区段C_γ对应的集电线路发生雷电反击闪络次数得到n4个与前二级区段C_γ对应的集电线路发生雷电反击闪络次数对n4个与前二级区段C_γ对应的集电线路发生雷电反击闪络次数进行累加得到与前二级区段C_γ、雷电流幅值范围A4对应的风电场集电线路发生雷电反击闪络次数计算式分别如下：

步骤5.3，计算风电场集电线路直击雷反击闪络率S_BFOR；

在后一级区段的集合中截取包括的前半部分组成一个新的集合B’，对集合B’中的每一个后二级区段，按照步骤5.1的方法进行计算，得到个风电场集电线路发生雷电反击闪络次数BFOR_BhA3；

在前一级区段的集合中截取包括的前半部分组成一个新的集合C’，对C’中的每一个前二级区段，按照步骤5.2的方法进行计算，得到个风电场集电线路发生雷电反击闪络次数

风电场集电线路直击雷的反击闪络率S_BFOR的计算式如下：

步骤6，计算风电场集电线路直击雷绕击闪络率S_SFFOR；

步骤6.1，计算与后二级区段B_h、雷电流幅值范围A1对应的风电场集电线路发生雷电绕击闪络次数SFFOR_BhA1；

从雷电流幅值范围A中分解出雷电流幅值为的雷电流幅值范围A1，设雷电流幅值范围A1内共包含n1个区间，n1≤n；对雷电流幅值范围A1，逐个区间计算与后二级区段B_h对应的集电线路发生雷电绕击闪络次数ΔSFFOR_Bh，得到n1个与后二级区段B_h对应的集电线路发生雷电绕击闪络次数ΔSFFOR_Bh，对n1个与后二级区段B_h对应的集电线路发生雷电绕击闪络次数ΔSFFOR_Bh进行累加得到与后二级区段B_h、雷电流幅值范围A1对应的风电场集电系统发生雷电绕击闪络次数SFFOR_BhA1，计算式分别如下：

ΔSFFOR_Bh＝0.1N_gl_G1[P(I_j)-P(I_j+1)]

式中：

l_G1为后二级区段B_h的集电线路导线的暴露弧在大地上的水平投影；

步骤6.2，计算与前二级区段C_γ、雷电流幅值范围A2对应的风电场集电线路发生雷电绕击闪络次数SFFOR_CγA2；

从雷电流幅值范围A中分解出的雷电流幅值范围A2，设雷电流幅值范围A2内共包含n2个区间，n2≤n；对雷电流幅值范围A2，逐个区间计算与前二级区段C_γ对应的集电线路发生雷电绕击闪络次数得到n2个与前二级区段C_γ对应的集电线路发生雷电绕击闪络次数对n2个与前二级区段C_γ对应的集电线路发生雷电绕击闪络次数进行累加得到与前二级区段C_γ、雷电流幅值范围A2对应的风电场集电线路发生雷电绕击闪络次数

式中：

l_G2为前二级区段C_γ的集电线路导线的暴露弧在大地上的水平投影；

步骤6.3，计算风电场集电线路直击雷的绕击闪络率S_SFFOR；

对步骤5.3中定义的集合B’中的每一个后二级区段，按照步骤6.1的方法进行计算，得到个风电场集电线路发生雷电绕击闪络次数SFFOR_BhA1；

对步骤5.3中定义的集合C’中的每一个前二级区段，按照步骤6.2的方法进行计算，得到个风电场集电线路发生雷电绕击闪络次数

风电场集电线路直击雷的绕击闪络率S_SFFOR的计算式如下：

步骤7，记考虑地形因素影响下的风电场集电线路雷击跳闸率为S，计算式如下；

S＝S_SFFOR+S_BFOR。