雷雨季节变电设备故障风险分析与防雷措施.

雷雨季节变电设备故障风险分析与防雷措施

Risk Analysis and Light ning Prevention M easures for Pow er Transmission and

Transf ormation Equipment in T hunderstorm Season

王春玲, 王 徭, 高金锴

112

(1. 长春供电公司, 长春 130021; 2. 大唐吉林发电有限公司, 长春 130021

摘 要:针对雷雨季节雷电闪击现象经常出现, 电力线路跳闸事故频繁发生, 对变电站和电气设备的安全稳定运行造成很大威胁的问题, 在分析雷电闪击对变电设备影响的基础上, 提出在雷电气候条件下变电设备风险评价指标, 利用累计Lo gistic 多元回归函数分析雷电气候因素与变电设备风险等级关系, 建立雷雨季节变电设备风险评价模型。同时, 针对不同风险等级提出变电站一次系统、二次系统防雷措施。关键词:雷雨季节; 变电设备; 风险; 累计L o gist ic 多元回归函数

Abstract :Lightning often appears in thunder stor m season and pow er line t rip o ut and lar g e a rea bla cko ut occur red frequent ly . T his is the issue fo r safet y and nor mal opera tio n for substation and elect ric equipment . Risk

analysis w eighing index es for substation and electric equipment under thunder st or m weat her ar e pr oposed . Risk ev aluation model for subst atio n equipment in thundersto rm seaso ns are built based on A ccumulated L og istic multiple reg r essio n functio n is applied t o analy sis t he r elat ionship betw een weat her factor and risk level of equipment in substation . A nd lightning pr otection mea sur es fo r substation pr imar y system and the substatio n secondary sy stem . ar e put fo rw ar d based o n the co rr espo nding risk levels .

Key words :thundersto rm seaso n; substation equipment; risk; Accumulated L og istic multiple reg ressio n functio n 中图分类号:T M 862 文献标志码:A 文章编号:1009-5306(2010 06-0012-03

我国气象条件复杂多变、自然灾害频繁, 尤其是雷雨季节, 由于雷击造成的线路跳闸事故频繁发生, 严重影响电力系统安全稳定运行。雷电闪击作为一种普遍存在的自然现象, 具有电压高、电流大、能量释放时间短等特点, 雷电引起的大气过电压不仅会威胁人们的生命安全, 也会对电气设备和变电站的建筑物等造成破坏, 给人们的生产、生活带来很多不便。对于处在雷电频发地区的变电设备来说, 准确分析变电设备在雷电气候条件下故障风险及按照不同风险等级采取有效的防雷措施是至关重要的[1]。作为雷雨季节影响变电设备安全稳定运行的主要因素, 雷电过电压分为直击雷过电压和感应雷过电压。雷击对变电站的一次和二次设备均会产生较大的影响。对一次侧主要影响表现在:引起线路过电压从而造成线路对地或相间闪络、损坏变压器及开关设备等。对二次侧主要影响表现为:二次设备对一次回路的高幅值、持续时间短的电磁干扰极为敏感, 在电位

收稿日期:2010-10-12

分布不均匀的地网附近产生较高的感应电势, 影响二次回路正常工作, 甚至会造成设备损坏和其他事故发生。

随着近代气候学有了突飞猛进的发展, 人们对雷电天气系统已经拥有了较客观的认识和了解, 对雷电闪击引起的变电设备故障也有了较为详实的记录, 并形成了雷电与变电设备故障间的信息关联。本文利用大量记录和观察到的雷电信息, 充分挖掘其中的变化规律, 建立雷雨季节变电设备风险评价模型, 有效地分析雷电闪击引起的变电设备故障风险。

1 雷雨季节变电设备故障风险分析

1. 1 风险评价指标选择

建立完善的风险评价指标是分析雷雨季节变电设备风险的前提, 本文引入5个风险评价指标[2]:指定区域的雷电日、雷电小时; 指定区域的落雷密度;

作者简介:王春玲(1966- , 女, 高级工程师, 从事变电运行管理工作。

指定区域的雷电流幅值概率分布曲线、频度棒形图; 指定区域的雷电数和回击数; 指定变电站或输电线路的雷电日、雷电小时、落雷密度、雷电数、回击数以及雷电幅值概率分布曲线。1. 2 风险评价等级制定

根据雷电闪击可能对变电设备造成不同等级的危害, 建立变电设备故障风险等级, 如表

1所示。

表1 变电设备风险等级及应对原则

风险等级

含 义

严重威胁变电设备安全稳

高危级

定运行, 如不处理将造成重大经济损失

变电设备存在较大的安全

中危级

隐患, 如不处理将造成较大经济损失

对变电设备安全威胁较小, 经济损失在可接受范围内

应对原则

=ex p( +∑x j j (2 1-P j =1

在式(2 中, 按照Lo gistic 回归模型的定义, 事件发生(即研究对象的反映结果为1时 的概率为P 事件不发生的概率(1-P , P /(1-P 通常叫做胜算比(odds r atio , 它具有很好的物理解释意义, 表示事件发生的概率相对于不发生的概率的强度。对式(2 两边取对数可得:

ln = +1-P

m

m

∑x

j

j =1

j

(3

重点盘查, 提前部署防护措施

式(3 通常被称为观测值的Log stic 形式。与线性回归函数不同, 由于Logistic 回归是一类非线性函数, 估计参数 、 j 需要用已知多组观测样本(即每组自变量x i 1, x i 2, …, x im 和对应事件发生的观测值y i (y i =0或1 , 采用最大似然估计法来求解。

当实际观测因变量有k 种类别时, 相应取值为Y =1, Y =2, …, Y =k , 且各取值之间的关系为(Y =1 <(Y =2 <…<(Y =k 。与二分类因变量Log istic 回归类似, 累积Logistic 回归可以定义为:

11m m ln 〕=

1-P (Y ≤k X 1=x 1, …, X m =x m

采取相应防患措施

微弱级

按生产维修计划进行运行管理

这样, 通过评价对应变电设备的风险等级, 提前做好防雷防汛准备, 减少雷电闪击可能对变电设备造成的危害, 将安全隐患消除于萌芽, 节约电网运行经济成本。

1. 3 风险模型建立及应用

本文选用Lo gistic 回归函数作为雷雨季节变电设备风险评价模型。Logistic 回归分

析方法是一种在看上去不确定的现象中利用海量信息资源寻找隐藏活动规律的数据挖掘方法, 也是用来分析系统输入变量(自变量 和输出变量(因变量 之间关系的最佳手段[3]。由于雷电因素下变电设备风险等级呈现多分类和渐进性, 本文将普通Log istic 回归函数拓展为累计Logistic 回归函数, 以适应于多分类的风险等级因变量要求。1. 3. 1 Lo gistic 回归理论[4]

二分类因变量Logistic 回归函数是累积Logistic 回归函数的基础, 其表达式通常表示为:

m

m

k -( +

∑x

j

j

j =1

(4

式中:Y 表示因变量; X 表示自变量, 其中x i 表示观测值; k 表示第k 个因变量; k 表示分开相邻因变量的分界点, 共有(k -1 个值, 且有 1<

k -1。 2<…<

类似式(1 , 累积概率通过下式计算:

P (Y ≤k X 1=x 1, …, X m =

m

x m =

ex p 〔 k -( +

∑ x 〕

j

j

j =1

(5

1+ex p 〔 k -( +

∑ x 〕

j

j

j =1

一旦计算出累积概率, 属于某一因变量的概率如P (Y =1 , P (Y =2 , …, P (Y =k 便可以通过下式计算出来:

P (Y =1 =P (Y ≤1 , P (Y =2 =P (Y ≤2 -P (Y ≤1

…

P (Y =k =1-P 〔Y ≤(k -1 〕

(6

其中P (Y =1 +P (Y =2 +…+P (Y =k =11. 3. 2 变电设备风险评价模型

以雷电气候条件下变电设备风险等级为因变量, 初步选定指定区域的雷电小时数、落

雷密度、落雷数、最大雷电流幅值概率值、雷电回击数作为自变

P =exp 〔-( +

∑x j j 〕

j =1

(1

式中:P 为事件发生的概率, 作为因变量, 取值限制在[0, 1]间; , j 为回归系数; x j 表示自变量; m 表示自变量个数。

对式(1 进行线性变换可得:

量, 建立基于累计Lo gistic 多元回归函数的变电设备风险评价模型如下:

1

ln( = 01-P 2+P 3ln(

P 1+P 2

= 02-P 3

5

在大型变电站, 也可以通过雷电定位系统确定变电设备故障的性质、类型和地理位置, 与变电站综合自动化装置、微机保护相结合, 构成新的微机保护

方案和故障判据。这样, 既可以减少开关跳闸次数, 延长变电站重要设备的使用寿命, 缩短停电范围, 提高供电的可靠性和经济效益。2. 3 合理选择接地方式

目前, 合理有效的接地措施是防止变电站二次设备发生雷击事故的主要手段之一。变电站的二次电缆数目众多并且敷设得错综复杂, 导致电力系统一旦发生故障, 其暂态过程和故障电气量的数值陡增, 伴随着复杂的电磁振荡过程, 微机系统由于自身工作电压低, 在此环境中极易受到干扰。可靠正确的接地能够有效地降低来自一次设备高压电磁场的干扰水平, 保证综合自动化设备和继电保护装置的正常运行和信息畅通。

接地方式一般采取等电位铜排连接和“一点接地”原则。在实际中, 变电站二次系统中的各控制屏柜和自动化设备在不同位置, 若分别将它们在就近的接地铜排上接地, 当雷电冲击电流经避雷设施泄放导至地网时, 这股强大的接地电流就很有可能在一二次设备的2个接地点之间产生较大电位差, 将干扰系统正常工作, 甚至会损坏控制电路或元件[9]。因此, 为防止不同信号回路接地线上的电位差引起交叉干扰, 二次系统中信号分系统要将控制柜和保护柜的内部地线接通, 然后各自用规定面积的导线统一引到某一点, 再由该点接到接地铜排上, 利用一点接地保证其在同一个接地等电位面, 以保证自动控制系统的安全可靠运行。2. 4 采用地下电缆屏蔽

埋地电缆是变电站二次系统干扰的主要来源, 它既是干扰的主要发生器, 也是干扰的主要接收器。电缆作为发生器, 它向空间辐射电磁噪声; 作为吸收器, 它能敏感地接收来自邻近干扰源所发射的电磁噪声。

现阶段, 电力系统及测控领域所用的控制电缆和信号电缆均采用屏蔽电缆, 屏蔽的作用是将电场干扰源到器件或设备间的传输路径切断, 从而消除或减弱干扰源对其他器件和设备的不良影响。因此, 屏蔽电缆是抑制地电位干扰的主要措施。实际工程中, 根据屏蔽电缆的使用环境、条件及信号的不同, 屏蔽层接地方式分为单端接地和双端接地

[10]

∑ x

j

j =15

j

(7

j

∑ x

j

j =1

式中:P 1, P 2, P 3分别表示变电设备风险等级高危

级、中危级、微弱级发生的概率, 且有P 1+P 2+P 3=1; j 中j =1, 2, 3, 4, 5; 01, 02分别是因变量中各类截距 和分界点的综合, 且是SAS 统计软件中实际运行所做的。

式(7 分别为:高危级风险对中危级别、微弱级别的对数优势比; 中危级别或高危级别对较低的对数优势比。

在SAS 程序中用逐步自回归法选择自变量, 使最终选择的自变量为与评价结果最相关变量, 避免了人工选择自变量的不足。通过累积Log istic 回归分析, 评价雷电气候条件下变电设备不同风险等级, 以便采取有效的变电站防雷措施。

[5]

2 变电站一次系统、二次系统防雷措施

2. 1 应用避雷装置

为了避免雷电的危害, 避雷针、避雷线和避雷器等防雷设备被广泛应用到变电站一次系统中, 并通过接地装置将雷电流导入大地, 从而保护一次设备免受过电压冲击。对于变压

器可采用氧化锌避雷器或网型避雷器进行保护, 使避雷器的残压小于变压器的雷电冲击耐压值, 对变压器起到保护作用。

同时, 为防止雷电冲击电压通过低压线路侵入用户, 造成家用电器损坏, 在配变低压侧应装设电抗器、低压避雷器或500V 的通讯用放电间隙保护器, 将避雷器、变压器外壳和中性点可靠接地。2. 2 雷电定位系统

雷电定位系统, 是利用3S(GPS 全球定位系统、GIS 地理信息系统、RS 遥测遥控系统 高新技术, 应用微机在线系统对区域雷电活动进行实时监测。它主要由方向时差探测器(DFT 、中央处理机(NPA 和雷电信息分析显示终端(LIADS 3部分组成, 能大面积实时探测并显示每次云对地雷击的位置、时间及雷电流幅值、极性、回击次数等多项雷电参数, 标定区域雷电活动的动态轨迹图, 再根据跳闸线路所处GPS 坐标方向与显示落雷位置的分析比较, 快速找出输电线路的雷击故障点[7-8]。[6]

。

(下转第18页

表2 不同出力下并网点电压U

风机出力/%

1009080706050403020100

算例1240. 56240. 55240. 5240. 41240. 29240. 14239. 95239. 73239. 48239. 19238. 86

算例2239. 91240. 01240. 07240. 09240. 05239. 97239. 85239. 67239. 45239. 18238. 87

kV

文提出的方法的有效性和正确性, 而由表1、表2数据对比可以看出, 当风电场容量较大时, 风电场集电线路对风电场节点的有功和无功功率以及电压的影

响也较大, 如果忽略不计, 会带来较大的误差。由此可以证明本文提出的方法的正确性。

参考文献:

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5 结论

大容量风电场接入电力系统给电网运行带来重大影响, 因此包含风电场的潮流计算成为对电力系统进行优化的重要环节。本文主要目的在于验证本(上接第14页

段分层控制策略的研究[J]. 电网技术, 2005, 29(9 :15-21.

(编辑 李健平

3 结论

雷雨季节, 雷电对变电站和电气设备的安全稳定运行产生严重威胁。因此, 建立合理有效的变电设备风险评价体系是减少雷电危害的重要手段之一。本文利用累积Logistic 多元回归函数分析雷电气候因素与变电设备风险等级之间关系, 建立雷雨季节变电设备风险评价的初步模型, 为如何防雷提出了可行性建议。实际应用中, 还应建立雷电信息、变电设备故障记录等详细的数据库, 需进一步采取优化算法对不同故障风险定量分析, 才能得到更准确的风险评价结果。

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(编辑 李健平