[發明專利]考慮風力發電機屏蔽作用的集電線路繞擊閃絡率計算方法

有效

• 申請號: 202110492603.8
• 申請日: 2021-05-06
• 公開（公告）號: CN113312682B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 屠勁林;李國慶;王森;張曉朝;劉宇;杜雨晨;向念文;蔣賁;張時;楊英;劉吉辰;高躍;張偉;陳文吉;陳志才;馮標;王超群;王壽福;李科杰;魏定生;張永純;楊翠玲;袁晨晨;聶家誼
• 申請（專利權）人: 華能新能源股份有限公司;華能大理風力發電有限公司洱源分公司;合肥工業大學;華能集團技術創新中心有限公司
• 主分類號: G06F30/10
• 分類號: G06F30/10;G06Q50/06;G06F111/08;G06F111/10;G06F113/06
• 代理公司: 合肥和瑞知識產權代理事務所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

1.一種考慮風力發電機屏蔽作用的集電線路繞擊閃絡率計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，對風電場集電線路內的桿塔進行編號、進行基本參數的采集和雷電流幅值范圍的設定；

設需要估算的任一個風電場集電線路所在的區域為U，在區域U內對桿塔進行編號，設區域U中的任一個桿塔為桿塔T_m，m為區域U內的桿塔按照排列進行編號的順序號，m為正整數；

采集區域U內的風電場集電線路的基本參數，所述基本參數包括桿塔高度尺寸參數、導線參數、避雷線參數、雷電參數和絕緣子閃絡電壓參數；

根據已知的觀測數據，首先將需要估計的雷電流幅值范圍記為雷電流幅值范圍A，A＝0～300kA；然后將雷電流幅值范圍A等分為n個區間，令每個區間起始處的雷電流幅值作為該區間評估點的雷電流幅值，得到n個區間評估點的雷電流幅值，在n個區間中任取一個區間，并將該區間評估點的雷電流幅值記為雷電流幅值I_j，j＝1，2...n；最后將n個區間評估點的雷電流幅值組成一個雷電流幅值的集合，記為集合I，I＝{I₁，I₂......I_j......I_n}；

步驟2，進行二級區段的設定，并進行導線對地高度和避雷線對地高度的計算；

步驟2.1，進行二級區段的設定；

將桿塔T_m與桿塔T_m+1之間的區間定義為后一級區段，在后一級區段內，將桿塔T_m與桿塔T_m+1之間的水平距離按長度1米等分得到K₁個后二級區段，將該其中的任意一個記為后二級區段B_h，h＝1，2……K₁，且序號h的增大方向為自桿塔T_m向桿塔T_m+1的方向；將K₁個后二級區段的集合記成集合B，集合令集合B內每一個后二級區段終點處的海拔高度為該后二級區段的海拔高度，對集合B內的每一個后二級區段的海拔高度進行測量，得到K₁個后二級區段海拔高度的集合H_B，其中，為后二級區段B_h的海拔高度；

將桿塔T_m與桿塔T_m-1之間的區間定義為前一級區段，在前級一區段內，將桿塔T_m與桿塔T_m-1桿塔之間的水平距離按長度1米等分得到K₂個前二級區段，并將其中的任意一個記為前二級區段C_γ，γ＝1，2……K₂，且序號γ的增大方向為自桿塔T_m向桿塔T_m-1的方向；將K₂個前二級區段的集合記成集合C，集合K₂≠K₁；令集合C內每一個前二級區段終點處的海拔高度為該前二級區段的海拔高度，對集合C內的每一個前二級區段的海拔高度進行測量，得到前一級區段內K₂個前二級區段海拔高度的集合H_C，其中，為前二級區段C_γ的海拔高度；

步驟2.2，計算后導線對地高度L_Bh和前導線對地高度

令后二級區段B_h中的導線的中點為點O，點O處導線的對地垂直高度記為后導線對地高度L_Bh，后導線對地高度L_Bh的計算式如下：

式中，H_m為桿塔T_m的海拔高度，H_C為桿塔T_m上導線懸掛點的對地垂直距離，f_O為點O處的導線弧垂，D₁為點O到桿塔T_m的直線水平距離，α1為桿塔T_m和桿塔T_m+1之間的高差角，H_o為點O處對應的地面海拔高度；

其中，點O處的導線弧垂f_O的計算公式如下：

式中：g₁為導線比載，σ₁為導線最大應力；

令前二級區段C_γ中的導線的中點為點Q，點Q處導線的對地垂直高度記為前導線對地高度前導線對地高度的計算式如下：

式中，f_Q為點Q處的導線弧垂，D₂為點Q到桿塔T_m的直線水平距離，α2為桿塔T_m和桿塔編號T_m-1之間的高差角，H_Q為點Q對應的地面海拔高度；

其中，點Q處的導線弧垂f_Q的計算公式如下：

步驟2.3，計算后避雷線對地高度和前避雷線對地高度

令后二級區段B_h中的避雷線的中點為點S，點S處避雷線的對地垂直高度記為后避雷線對地高度后避雷線對地高度的計算公式如下：

式中，H_G為桿塔T_m上避雷線懸掛點的對地垂直距離，f_S為在點S處的避雷線弧垂，E₁為點S到桿塔T_m的直線水平距離，H_S為點S處對應的地面海拔高度；

其中，點S處的避雷線弧垂f_S的計算公式如下：

式中：g₂為避雷線比載，σ₂為避雷線最大應力；

令前二級區段C_γ中的避雷線的中點為點X，點X處避雷線的對地垂直高度記為前避雷線對地高度前避雷線對地高度G_Cγ的計算式如下：

G_cγ＝H_m+H_G-f_X-E₂×tanα2-H_X

式中，f_X為點X處的避雷線弧垂，E₂為點X到桿塔T_m的直線水平距離，H_X為點X對應的地面海拔高度；

其中，點X處的避雷線弧垂f_X的計算公式如下：

步驟3，考慮海拔高度的影響，對桿塔T_m的絕緣子雷電沖擊50％放電電壓U_50％進行修正，得到修正過的絕緣子雷電沖擊50％放電電壓U1_50％，

式中，K_a為修正系數，q為海拔高度修正因子，取修正因子為1.0；

步驟4，計算后二級區段B_h的風電場集電線路最小繞擊耐雷水平和風電場集電線路最大繞擊耐雷水平計算前二級區段C_γ的風電場集電線路最小繞擊耐雷水平和風電場集電線路最大繞擊耐雷水平

步驟4.1，計算后二級區段B_h的風電場集電線路最小繞擊耐雷水平和風電場集電線路最大繞擊耐雷水平計算式如下：

其中，為前二級區段的風電場集電線路最大擊矩，計算式如下：

式中：

θ₀₁是后二級區段B_h的保護角，L₁為從桿塔T_m的導線到避雷線的水平橫擔距離；

F是第一中間變量，F＝k_h²-sin²(θ₀₁)，其中，k_h是在后二級區段B_h的擊距系數，計算式如下：

當

當k_h＝0.55；

G1是第二中間變量，

步驟4.2，計算前二級區段C_γ的風電場集電線路最小繞擊耐雷水平和風電場集電線路最大繞擊耐雷水平計算式如下：

其中，為前二級區段的風電場集電線路最大擊矩，計算式如下：

式中：

θ₀₂是在前二級區段C_γ的保護角，

F2是第三中間變量，F2＝k_γ²-sin²(θ₀₂)，k_γ是在前二級區段C_γ的擊距系數，計算式如下：

當

當k_γ＝0.55；

G2是第四中間變量，

步驟5，判斷在雷電流幅值為I_j時，風力發電機對集電線路的屏蔽范圍；

步驟5.1，選取距離桿塔T_m水平距離最近的風力發電機W，記為風力發電機W，收集風力發電機W的基本參數，包括風力發電機W的整機高度H_W、所處海拔高度高度H_A；

使用滾球法計算風力發電機W在雷電流幅值為I_j時對于集電線路的雷擊保護半徑

步驟5.2，判斷在雷電流幅值為I_j時，風力發電機W是否對后二級區段B_h有屏蔽作用并計算屏蔽范圍大小，具體的，記后二級區段B_h與風力發電機W的水平距離為

若則后二級區段B_h被風力發電機W屏蔽，不會遭受雷擊；

若則后二級區段B_h未被風力發電機W屏蔽；

步驟5.3，判斷在雷電流幅值為I_j時，風力發電機W是否對前二級區段C_γ有屏蔽作用并計算屏蔽范圍大小，具體的，記前二級區段C_γ與風力發電機W的水平距離為

若則前二級區段C_γ被風力發電機W屏蔽，不會遭受雷擊；

若則前二級區段C_γ未被風力發電機W屏蔽；

步驟6，在雷電流幅值為I_j、且考慮風力發電機W屏蔽作用的前提下，計算集電線路在后二級區段B_h發生的雷電繞擊閃絡次數集電線路在前二級區段C_γ發生的雷電繞擊閃絡率

步驟6.1，雷電繞擊閃絡次數的計算如下：

若后二級區段B_h被風力發電機W屏蔽，

若后二級區段B_h未被風力發電機W屏蔽，

式中：

l_G1為后二級區段B_h的集電線路導線的暴露弧在大地上的水平投影；

N_g為地面落雷密度，T_d為年雷暴日數；

P()為雷電流幅值分布概率函數，即雷電流幅值超過I_j的雷電流出現的概率，P(I_j+1)為雷電流幅值超過(I_j+1)的雷電流出現的概率；

步驟6.2，雷電繞擊閃絡次數的計算如下：

若前二級區段C_γ被風力發電機W屏蔽，

若前二級區段C_γ未被風力發電機W屏蔽，

式中：

l_G2為前二級區段C_γ的集電線路導線的暴露弧在大地上的水平投影；

步驟7，計算雷電流幅值為I_j時，考慮風力發電機W屏蔽作用的集電線路在集合B’部分的繞擊閃絡率和集合C’部分的繞擊閃絡率

步驟7.1，在后一級區段的集合中截取包括的前半部分組成一個新的集合B’，

對集合B’中的每一個后二級區段，按照步驟6.1的方法進行計算，得到個與雷電流幅值為I_j對應的繞擊閃絡率然后通過該個與雷電流幅值為I_j對應的繞擊閃絡率計算得到雷電流幅值為I_j時，集電線路在集合B’部分的繞擊閃絡率，并記為集合B’部分的繞擊閃絡率計算式如下：

步驟7.2，在前一級區段的集合中截取包括的前半部分組成一個新的集合C’，

對集合C’中的每一個前二級區段，按照步驟6.2的方法進行計算，得到個與雷電流幅值為I_j對應的繞擊閃絡率然后通過該個與雷電流幅值為I_j對應的繞擊閃絡率計算得到雷電流幅值為I_j時，集電線路在集合C’部分的繞擊閃絡率，并記為集合C’部分的繞擊閃絡率計算式如下：

步驟8，計算考慮風力發電機屏蔽作用的集電線路繞擊閃絡率S；

步驟8.1，從雷電流幅值范圍A中分解出雷電流幅值為的雷電流幅值范圍A1，設雷電流幅值范圍A1內共包含n1個區間，n1≤n；對雷電流幅值范圍A1中的每一個區間，逐個區間計算集合B’部分的繞擊閃絡率得到n1個集合B’部分的繞擊閃絡率然后進行積分得到雷電流幅值范圍A1對應的集電線路B’部分的繞擊閃絡次數S_B，計算式如下：

步驟8.2，從雷電流幅值范圍A中分解出雷電流幅值為的雷電流幅值范圍A2，設雷電流幅值范圍A2內共包含n2個區間，n2≤n；對雷電流幅值范圍A2中的每一個區間，逐個區間計算集合C’部分的繞擊閃絡率得到n1個集合集合C’部分的繞擊閃絡率然后進行積分得到雷電流幅值范圍A2對應的集電線路C’部分的繞擊閃絡次數S_C；計算方式如下：

步驟8.3，計算考慮風力發電機屏蔽作用下的集電線路繞擊閃絡率S，計算式如下：

S＝S_B+S_C。