一种直流输电线路雷击过电压限制的方法、装置、媒体及系统

技术领域

本发明属于输电线路防雷技术领域，公开了一种直流输电线路雷击过电压限制的方法、装置、系统及存储有能执行该方法程序的记录媒体。

背景技术

近年来直流输电在我国得到快速发展。雷击一直是导致直流输电线路故障重启的首要原因，占比约50-60％，雷击重启率远超设计与运行要求。在此背景下，我国研制了±400kV-±1100kV直流线路避雷器来限制线路的雷击过电压，并实现了工程应用，线路雷击重启率得到了一定程度的改善。

直流输电线路里程长，沿线地形、地貌、气候等环境复杂，目前全线的防雷性能均按统一标准规程进行设计计算，没有考虑线路途经不同地区以及地区环境变化对防雷性能参数的影响。线路避雷器仅依据雷电参数进行选型设计，未考虑线路自身工作电压的影响，则会导致开发的避雷器频繁动作，降低使用寿命。同时直流线路避雷器均采用纯空气间隙结构，暴露在大气环境中，受海拔、气候因素影响较大，需要针对应用于不同环境的避雷器开展多次性能试验验证，在大风、暴雨等条件下线路遭受雷击时避雷器可能出现不动作或误动作的情况，同时也不具备监测自身状态的功能。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种直流输电线路雷击过电压限制的方法，具体方案包括如下步骤：

S1.通过监测仪表获取直流输电线路的静态运行数据和雷击线路的雷电流监测数据，所述静态运行数据包括线路未受雷击时的电压、电流；所述雷电流监测数据包括雷电流幅值、雷电流波形、雷击时间；采用电磁暂态仿真软件将雷电流监测数据对线路运行的影响叠加至所述静态运行数据上，形成包括电压、电流值的动态运行数据；再以时间为横轴，所述动态运行数据的电压为纵轴建立坐标系，绘制线路动态运行函数曲线；

S2.根据环境因子数据实时修正直流输电线路的防雷性能参数，所述防雷性能参数包括线路杆塔处塔头空气间隙和线路绝缘子的雷电冲击放电电压，所述环境因子数据包括线路所处环境中的地形、地貌、温度、湿度、污秽量、气压数值，以时间为横轴，所述雷电冲击放电电压为纵轴建立坐标系，绘制线路防雷性能函数曲线；

S3.在同一坐标系中任一时刻所述线路防雷性能函数曲线上的电压值减去线路动态运行函数曲线上的电压值获得压差，所述压差小于该时刻动态运行电压的15％-20％时，线路中布置的避雷器开启放电保护，记录避雷器的放电数据。

优选的，所述避雷器包括顺序连接的本体单元和间隙单元，所述本体单元中设置感知模块，所述间隙单元中位于间隙两端电极间的气体被绝缘材料密封。

优选的，根据距离雷击点不同位置的所述线路动态运行函数曲线和线路防雷性能函数曲线的间距大小，依次将受雷击影响的线路区段划分为安全区域、扰动区域和危险区域，在所述危险区域安装布置直流线路避雷器。

优选的，所述避雷器的间隙单元一端固定在线路上，本体单元一端固定在线路上方的塔架横担上或线路下方的塔架上。

为配合上述方法实施，基于同一发明思想，本申请还提供一种直流输电线路雷击过电压限制的装置，包括以下功能模块：

数据采集模块，用于获取直流输电线路的所述静态运行数据、雷电流监测数据；

环境监测模块，用于获取直流输电线路周边的环境因子数据；

数据处理模块，用于将数据采集模块和环境监测模块获得的数据拟合成所述线路动态运行函数曲线和线路防雷性能函数曲线，还具备根据当前时刻动态运行函数值预测下一时刻线路动态运行函数值的能力，并实时计算所述压差；

感知模块，用于根据所述压差确定避雷器放电功能的启闭状态，感知避雷器的状态与参数，记录避雷器的放电数据；

还包括与感知模块通信连接，固定于线路和塔架间的避雷器。

优选的，所述避雷器包括顺序连接的本体单元和间隙单元，所述本体单元中设置感知模块，所述间隙单元中位于间隙两端电极间的气体被绝缘材料密封。

优选的，根据距离雷击点不同位置的所述线路动态运行函数曲线和线路防雷性能函数曲线的间距大小，依次将受雷击影响的线路区段划分为安全区域、扰动区域和危险区域，所述避雷器仅布置在所述危险区域。

优选的，所述避雷器的间隙单元一端固定在线路上，本体单元一端固定在线路上方的塔架横担上或线路下方的塔架上。

本发明的另一方案在于提供一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，当执行指令时，将致使处理电路执行上述的直流输电线路雷击过电压限制的方法。

本发明还提供一种直流输电线路雷击过电压限制的系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，其特征在于，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行上述的直流输电线路雷击过电压限制的方法。

本发明的有益效果:

1、提高避雷器的运行与动作可靠性。充分考虑了直流输电线路遭受雷击时静态运行数据对动态运行数据的影响，拟合线路动态运行函数曲线，优化了避雷器雷电冲击放电电压的设计原则，提高了避雷器的运行与动作可靠性，也掌握了雷击后线路过电压的分布规律，为受雷击影响的线路区段划分与避雷器安装选点提供依据。

2、掌握不同环境下线路实时防雷参数。根据线路所处环境中的地形、地貌、温度、湿度、污秽量、气压数据实时修正直流输电线路的防雷性能参数，拟合线路防雷性能函数曲线，结合线路动态运行函数曲线，实时计算压差，评估避雷器动作状态。

3、降低避雷器试验工作量与设计难度。避雷器间隙结构封闭在一个密闭空间内，不受海拔、气候因素影响，可以方便地在低海拔环境下开展试验，通过后直接应用于各种不同海拔地区，降低了避雷器的设计与制造难度，提高避雷器的普适性，也避免了避雷器在大风、暴雨等恶劣天气下遭受雷击时未起到保护作用或误动作的发生。

4、实现避雷器状态可视化。记录避雷器雷击动作前后各种状态参量变化，感知避雷器实时运行状态，评估避雷器的动作特性，为避雷器的寿命预测与智能运维提供支撑。

附图说明

图1为一种直流输电线路雷击过电压限制的方法流程图；

图2为本发明实施例中不考虑线路静态运行函数曲线，线路遭受30kA负极性雷电绕击时线路电压变化曲线；

图3为本发明实施例中考虑线路静态运行函数曲线，线路遭受30kA负极性雷电绕击时线路动态运行函数曲线；

图4为本发明实施例中不考虑线路静态运行函数曲线，线路遭受50kA负极性雷电绕击时线路电压变化曲线；

图5为本发明实施例中考虑线路静态运行函数曲线，线路遭受50kA负极性雷电绕击时线路动态运行函数曲线；

图6为本发明实施例中考虑线路静态运行函数曲线，线路危险区域加装避雷器，线路遭受20kA负极性雷电绕击时线路动态运行函数曲线；

图7为本发明实施例中考虑线路静态运行函数曲线，线路危险区域加装避雷器，线路遭受30kA负极性雷电绕击时线路动态运行函数曲线；

图8为本发明实施例中考虑线路静态运行函数曲线，线路危险区域加装避雷器，线路遭受30kA负极性雷电绕击时避雷器的通流曲线；

图9为本发明实施例中考虑线路静态运行函数曲线，线路危险区域加装避雷器，线路遭受50kA负极性雷电绕击时线路动态运行函数曲线；

图10为本发明实施例中考虑线路静态运行函数曲线，线路危险区域加装避雷器，线路遭受50kA负极性雷电绕击时避雷器的通流曲线；

图11为本发明实施例中经环境因子修正后的线路防雷性能函数曲线；

图12为反映本发明实施例中考虑线路静态运行函数曲线，线路遭受30kA负极性雷电绕击时线路动态运行函数曲线与防雷性能参数函数曲线的压差的变化；

图13为本发明实施例中直流线路避雷器结构图；

图14为本发明实施例中避雷器的本体单元内部结构图；

图15为本发明实施例中避雷器的间隙单元内部结构图；

图16为本发明实施例中避雷器的一种安装方式；

图17为本发明实施例中避雷器的另一种安装方式；

图中，1.本体单元；2.间隙单元；3.塔架；4.横担；5.直流输电线路；6.输电线路绝缘子；1-1.数据采集模块；1-2.环境监测模块；1-3.数据处理模块；1-4.感知模块；2-1.上电极；2-2.绝缘支撑；2-3.绝缘密封套；2-4.下电极。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创新劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种直流输电线路雷击过电压限制的装置的实施例，包括以下功能模块：

如图13-图17所示，数据采集模块1-1，用于获取直流输电线路的所述静态运行数据、雷电流监测数据；

环境监测模块1-2，用于获取直流输电线路周边的环境因子数据；

数据处理模块1-3，用于将数据采集模块和环境监测模块获得的数据拟合成所述线路动态运行函数曲线和线路防雷性能函数曲线，还具备根据当前时刻动态运行函数值预测下一时刻线路动态运行函数值的能力，并实时计算所述压差；

感知模块1-4，用于根据所述压差确定避雷器放电功能的启闭状态，感知避雷器的状态与参数，记录避雷器的放电数据；

还包括与感知模块1-4通信连接，固定于直流输电线路5和塔架3间的避雷器，该避雷器包括顺序连接的本体单元1和间隙单元2，所述感知模块1-4位于本体单元1中，所述间隙单元2中位于间隙两端电极间的气体被绝缘密封套2-3密封，绝缘密封套内部设置有上电极2-1、绝缘支撑2-2、下电极2-4，上电极2-1和下电极2-4均固定安装在绝缘支撑2-2上，可以根据不同电压等级避雷器对雷电冲击放电电压和直流耐受电压的要求进行确定上电极2-1和下电极2-4之间的间隙距离，也可以通过内部填充具有不同导电特性的气体来实现。根据距离雷击点不同位置的所述线路动态运行函数曲线和线路防雷性能函数曲线的间距大小，依次将受雷击影响的线路区段划分为安全区域、扰动区域和危险区域，所述避雷器仅布置在所述危险区域。避雷器的间隙单元2一端固定在线路上，避雷器本体单元1和间隙单元2之间采用刚性连接的方式，本体单元1一端固定在线路上方的塔架横担4上，实现避雷器整体替换原右侧线路绝缘子的作用；避雷器本体单元1和间隙单元2之间也可以采用柔性连接的方式，形成类似于交流线路绝缘子支撑间隙避雷器，本体单元1一端固定在线路下方的塔架上，这就实现了该种安装方式首次在直流输电线路的应用。

模块中具体的函数计算方式以及本实施例装置投入使用后的具体操作方法详见下面的一种直流输电线路雷击过电压限制的方法的实施例：

本实施例选择的特高压直流输电线路避雷器主要技术参数如下表：

如图1所示，先通过监测仪表获取直流输电线路的静态运行数据和雷击线路的雷电流监测数据，所述静态运行数据包括线路未受雷击时的电压、电流；所述雷电流监测数据包括雷电流幅值、雷电流波形、雷击时间；采用电磁暂态仿真软件将雷电流监测数据对线路运行的影响叠加至所述静态运行数据上，形成包括电压、电流值的动态运行数据；再以时间为横轴，所述动态运行数据的电压为纵轴建立坐标系，绘制线路动态运行函数曲线；

具体如图2-图9所示，分别针对考虑与不考虑线路静态运行函数曲线，线路遭受30kA和50kA负极性雷电绕击时线路电压变化曲线，以及在考虑线路静态运行函数曲线，线路危险区域加装避雷器后遭受20kA、30kA和50kA负极性雷电绕击时线路动态运行函数曲线及避雷器的通流曲线的绘制。由图2可知，在不考虑线路静态运行函数曲线，也就是线路工作电压为0时，线路在40μs时刻遭受30kA负极性雷电绕击，在43.6μs时刻雷击过电压达到峰值4295kV，随后缓慢下降，整个过程中电压曲线并未突然降至0，表明此时线路并未因30kA负极性雷电绕击而发生闪络现象。由图3可知，在考虑线路静态运行函数曲线，也就是线路在32μs时刻带上1100kV的工作电压时，线路在40μs时刻遭受30kA负极性雷电绕击，在43.6μs时刻雷击过电压达到峰值3349kV，相较不考虑线路静态运行函数曲线时降低了946kV，随后雷击过电压曲线缓慢下降，整个过程中电压曲线并未突然降至0，表明此时线路并未因30kA负极性雷电绕击而发生闪络现象。由图4可知，在不考虑线路静态运行函数曲线，也就是线路工作电压为0时，线路在40μs时刻遭受50kA负极性雷电绕击，在43.6μs时刻雷击过电压达到峰值7012kV，随后在46.1μs时刻电压陡降(用时2.5μs)，曲线出现转折，表明此时线路因50kA负极性雷电绕击而发生闪络现象。由图5可知，在考虑线路静态运行函数曲线，也就是线路在32μs时刻带上1100kV的工作电压时，线路在40μs时刻遭受50kA负极性雷电绕击，在43.6μs时刻雷击过电压达到峰值6066kV，相较不考虑线路静态运行函数曲线时降低了946kV，随后在49.3μs时刻电压陡降(用时5.7μs，相较不考虑线路静态运行函数曲线延时3.2μs)，曲线出现转折，表明此时线路因50kA负极性雷电绕击而发生闪络现象。由图6可知，在考虑线路静态运行函数曲线，也就是线路在32μs时刻带上1100kV的工作电压时，线路在40μs时刻遭受20kA负极性雷电绕击，在43.6μs时刻雷击过电压达到峰值1979kV，随后雷击过电压曲线缓慢下降，整个过程中电压曲线并未突然陡降与出现转折，表示此时线路并未因20kA负极性雷电绕击而发生闪络现象，以及加装的避雷器并未动作对线路雷击过电压进行限制。由图7可知，在考虑线路静态运行函数曲线，也就是线路在32μs时刻带上1100kV的工作电压时，线路在40μs时刻遭受30kA负极性雷电绕击，在43.6μs时刻雷击过电压达到峰值3349kV，随后雷击过电压曲线出现转折，数值突然陡降至2454kV，随后曲线缓慢下降，整个过程中电压曲线并未突然降至0，表明此时线路并未因30kA负极性雷电绕击而发生闪络现象。由图8可知，在考虑线路静态运行函数曲线，也就是线路在32μs时刻带上1100kV的工作电压时，线路在40μs时刻遭受30kA负极性雷电绕击，在43.6μs时刻避雷器内部通过了一幅值为6kA的雷击过电流，该时刻与图7中雷击过电压曲线出现转折且数值突然陡降至2454kV的时刻一致，表示此时加装的避雷器已经动作，并对线路雷击过电压进行限制。由图9可知，在考虑线路静态运行函数曲线，也就是线路在32μs时刻带上1100kV的工作电压时，线路在40μs时刻遭受50kA负极性雷电绕击，在42.3μs时刻雷击过电压达到峰值4844kV，随后雷击过电压曲线出现转折，数值突然陡降至2650kV，随后曲线缓慢下降，整个过程中电压曲线并未突然降至0，表明此时线路并未因50kA负极性雷电绕击而发生闪络现象。

根据环境因子数据实时修正直流输电线路的防雷性能参数，所述防雷性能参数包括线路杆塔处塔头空气间隙和线路绝缘子的雷电冲击放电电压，所述环境因子数据包括线路所处环境中的地形、地貌、温度、湿度、污秽量、气压数值，以时间为横轴，所述雷电冲击放电电压为纵轴建立坐标系，绘制线路防雷性能函数曲线(参见图11)；

将线路动态运行函数曲线和线路防雷性能函数曲线整合到同一坐标系中，用线路防雷性能函数曲线上的电压值减去线路动态运行函数曲线上的电压值获得压差，所述压差小于该时刻动态运行电压的15％-20％时，参见图12，线路中布置的避雷器开启放电保护，并记录避雷器的放电数据，包括：泄漏电流、持续电流、雷击过电流、波形、残压、吸收能量、内部温升，避雷器的通流曲线，参见图10。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机、可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

将上述方法步骤汇编成程序再存储于硬盘或其他非暂态存储介质就构成了本发明的“一种非暂态可读记录媒体”的实施例；而将该存储介质与计算机处理器电连接，通过数据处理能完成对线路遭雷击后的过电压限制，则构成本发明的“一种直流输电线路雷击过电压限制的系统”的实施例。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。