电力系统接地-雷击输电线路单相接地故障的风险评估

［全］电力系统接地■雷击输电线路单相接地故障的风险评估

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，为了准确地对雷击下跨步电压

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。

问题拆分

电源模块、线路模块、跨步电压测试模块、实验箱和数据模块。

电源模块为电压冲击源；实验箱包括上端引入的线路模块和下端

搭载的跨步电压测试模块;冲击电压源通过单根导线与线路模块

连接，线路模块由A相线路、B相线路和C相线路组成；跨步

电压测试模块通过接地导线与断线连接连接，并由模拟跳线和电

压机器人组成接地线与模拟连接。步电压进行危险等级的相关,

为制定相关安全警报和防护措施意见，提供现场基础。

问题解决

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);上述电源模块(31)为冲击电压源(2)

所述线路模块(32)包括A相线路(5)、B相线路(6)、C相线路⑺

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⑸包括包括连接的线路探源一(8)、线路结果四Q2)和

负载变压器Q5个的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⑹包括具体连接的线路路径二(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Q6);C相线路(7)包括路线结果三

(10)、线路回路六(14)和负载变压器Q5)的C相变压单元，线路

回路三(10)的输入端为C相线路(7)的输入端,线路回路三(10)

的输出端连接到断线连接Q1)的输入导线Q01),断线(11)的输出

导线Q02)到线路探路六(14)的输入端线路探路六Q4)的输出端

连接到C相变压单元的输入端工相变压单元的输出端也连接到

三相负载(16);

上述断线三开关(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)、开关动作判断处理器

(115)以及无线接收装置(16);断线中央1(11)的输入导线Q01)、

输出导线(102)和分别连接导线开关(103)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)和高压三(109)的输出端彼此连接；

电流传感器一(104)、传感器电流传感器三(105)和电流传感器三

(106)分别套装在断线二(11)的输入导线Q01)、输出导线(102))

和接地开关导线(103),其输出端均连接到电流采集装置Q13);

高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压三(109)还分别控制

其开关输入或断开的继电器一(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(114)；电流采集装置(113)和开关动作判断装置Q14)

连接到中央处理器Q15),中央处理器(115)通过无线收发装置

Q16)连接到数据分析模块(20);

所述跨步电压测试模块(33)包括模拟爬行Q7厢电压测量机器人

(18);模拟试验(17)由偶然的土壤填充,与断线连接Q1)的接地

导线(103)连续接触；电压测量机器人(18)位于模拟线上(17)上，

并无线连接到数据分析模块(20)。

实验平台的实验方法，包括以下步骤：

一点点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腔制电压测量机器人(18)

测量点跨步电压，并记录每个电压测试点与电流注入点距离；

第二步、由下公式计算测试点跨步电压理论值Uti:

3k=2TTkfzk=0/lz2/3,.../271(1)

式⑴中，3k表示第k个角频率，f为基波频率；式⑵中，(pk

为第k个相位，a为波前衰减系数，p为波尾衰减系数；式(3)

中，UTI表示第一个跨步电压测试点的理论计算值，正为电压测

试点总个数，B为波形矫正系数，我为实际所测得的入地雷电流

幅值，Rb为人体搜索，「为实验箱中土壤勘探率ji第i个电

压测试点到电流注入点的距离,S为跨步，距离R0=p/(4b)为

接触物，b为综合原因，n为积分原因，为计及接触的高斯影响

系数；

第三步、采用粒子群优化对算法跨步电压公式进行建模，步骤计

算出使跨步电压实测值与理论步值最小的g值，步骤：

(1)生成具有均匀分布的粒子和速度的初始状态，设置整体停止

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为均方根性能；

(3)更新每个粒子的速度和位置；

(4)计算每个粒子位置的实际功能值，同时更新粒子的个体历史

最佳位置与整个群体的最佳位置；

(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)根据优化结果最优值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，U吨为优化后土壤区域任意位置的跨步电压理论值；

第四步、计算人体计的最大跨步电压，并划分危险区域:

式中，ts为故障电流持续时间，分析模块（20）论（6）式计算

人体能储存的最大跨步电压火花U,规则进行危险区域划分：当

Ut<U时，为安全；当Ut2U时