輸電線路桿塔接地狀態(tài)評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)研究

邱 烜，彭紅剛，王牧浪，徐 研

(廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引 言

輸電線路桿塔接地性能的評(píng)估與校核，是架空輸電線路在設(shè)計(jì)階段就必須重點(diǎn)考慮的問題。在線路出現(xiàn)故障時(shí)，良好的桿塔接地性能，能快速地將故障電流通過桿塔接地裝置泄放到大地，有效降低輸電線路的故障跳閘(閃絡(luò))率，并提高線路的反擊耐雷水平。輸電線路桿塔的接地電阻是表征其接地系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)[1-2]。因此，在輸電線路的運(yùn)維工作中，測(cè)量并確保桿塔的接地電阻在合理的區(qū)間內(nèi)十分重要。然而，在常規(guī)的輸電線路防雷改造中，一般只能根據(jù)往年的雷擊跳閘數(shù)據(jù)確定桿塔的接地改造方案；但根據(jù)雷擊數(shù)據(jù)做出的接地運(yùn)維策略，其措施針對(duì)性不強(qiáng)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性不高，無法明確投入與預(yù)期效果的定量關(guān)系。另外，考慮到技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，在輸電線路桿塔接地運(yùn)維工作中，也不可能一次性對(duì)所有阻值超標(biāo)(大于設(shè)計(jì)值)的接地裝置施行改造[3]。下面結(jié)合桿塔接地參數(shù)“大數(shù)據(jù)云平臺(tái)”收集到的接地參數(shù)，提出了一種桿塔接地裝置的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警的方法和系統(tǒng)。旨在通過數(shù)據(jù)分析得到桿塔接地的差異化運(yùn)檢方案，更科學(xué)地支撐運(yùn)維管理決策。

所提出的輸電線路桿塔接地裝置的狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，選取某一特定線路的所有桿塔作為研究對(duì)象，基于統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)全線的接地電阻分布情況、測(cè)量值與設(shè)計(jì)值的偏差、同一桿塔接地參數(shù)的變化等特征量進(jìn)行綜合計(jì)算，進(jìn)而得到全線逐基桿塔的接地裝置狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)情況。同時(shí)，基于最大期望算法計(jì)算得到桿塔接地電阻隨時(shí)間分布的預(yù)測(cè)情況，并通過預(yù)測(cè)參數(shù)修正桿塔接地裝置的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)。所提方法能更具針對(duì)性地提出線路桿塔接地運(yùn)維改造策略，為實(shí)現(xiàn)更高效、更專業(yè)的桿塔接地運(yùn)維提供了理論支撐。

1 狀態(tài)特征量及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類

1.1 桿塔接地狀態(tài)參數(shù)

輸電線路桿塔接地狀態(tài)參數(shù)主要包括：接地電阻設(shè)計(jì)值R設(shè)計(jì)、歷次運(yùn)行測(cè)量值R測(cè)量(文中用于分析的接地電阻測(cè)量值均為考慮季節(jié)系數(shù)的相對(duì)值)和桿塔附近的土壤電阻率等。依據(jù)GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，架空輸電線路桿塔接地電阻需滿足表1[5-6]的要求。

表1 不同土壤電阻率條件下的桿塔接地電阻要求值

1.2 統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)

桿塔接地電阻的測(cè)量/設(shè)計(jì)偏差率σ反映了運(yùn)行中接地裝置與設(shè)計(jì)狀態(tài)的偏差情況，可通過式(1)計(jì)算。

σ=(R測(cè)量-R設(shè)計(jì))/R設(shè)計(jì)

(1)

式中：R測(cè)量為最近一次的測(cè)量數(shù)據(jù)；R設(shè)計(jì)為線路桿塔設(shè)計(jì)的要求限制值。一般來說，線路設(shè)計(jì)中，桿塔的接地電阻設(shè)計(jì)值即是按表1中的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)范。如果運(yùn)行管理中難以獲得線路桿塔的接地電阻設(shè)計(jì)值，可按照表1中的對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)要求值進(jìn)行偏差率計(jì)算。

另外，為了保證桿塔接地工程的經(jīng)濟(jì)性，在某些土壤電阻率較大的地區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)接地電阻的最大限制值不再做嚴(yán)格要求。此時(shí)，可通過該基桿塔自身的接地電阻測(cè)量值變化率γ來反映桿塔接地裝置的狀態(tài)變化情況，可通過式(2)計(jì)算。

γ=(R本次測(cè)量-R前次測(cè)量)/R前次測(cè)量

(2)

所提出的接地裝置狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法主要依照上述兩個(gè)接地狀態(tài)特征量：接地電阻測(cè)量值與設(shè)計(jì)值偏差率σ和接地電阻測(cè)量值變化率γ。其中：σ為主要影響因素；γ為次要影響因素。

1.3 接地裝置的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類

將某條線路中的每一基桿塔，按A、B、C、D、E分為5個(gè)不同的接地故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的接地裝置運(yùn)行狀態(tài)和推薦的差異化運(yùn)檢方案如表2所示[7-8]。

表2 不同故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)檢方案

由于該風(fēng)險(xiǎn)分析方法是針對(duì)某一特定線路中的全部桿塔，因此，得到的桿塔接地故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)只是相對(duì)于全線中其他桿塔的“相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)”。 而這種“相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)”的劃分，能更具針對(duì)性地制定該線路的桿塔接地運(yùn)維改造策略，實(shí)現(xiàn)更高效、更科學(xué)的桿塔接地運(yùn)維。

2 接地?cái)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法

2.1 四分位數(shù)法

在進(jìn)行全線樣本數(shù)據(jù)的分析時(shí)，利用四分位數(shù)[9-11]統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來描述全線路接地參數(shù)的分布，可以進(jìn)一步評(píng)估每一基桿塔接地故障風(fēng)險(xiǎn)程度。同時(shí)，四分位數(shù)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)容錯(cuò)性，部分測(cè)量異常值不會(huì)對(duì)所提評(píng)估方法的判據(jù)產(chǎn)生大的影響，因而，采用四分位數(shù)法對(duì)工程數(shù)據(jù)的測(cè)算結(jié)果比較客觀。基于四分位數(shù)法對(duì)接地特征參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可為桿塔接地裝置的故障風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)提供理論依據(jù)。

2.2 最大期望算法

最大期望(expectation-maximization, EM)算法是一類通過迭代進(jìn)行極大似然估計(jì)(maximum likelihood estimation, MLE)的優(yōu)化算法。極大似然估計(jì)的根本目的是根據(jù)抽樣得到的樣本(即數(shù)據(jù))，反推出最有可能的分布參數(shù)(即模型)；最大期望算法是在依賴于無法觀測(cè)的隱藏變量的概率模型中，尋找參數(shù)極大似然估計(jì)或者最大后驗(yàn)估計(jì)的算法。它的求解思路是：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)為每個(gè)類別(即隱藏變量)賦予一個(gè)初始分布，這相當(dāng)于是假定了分布參數(shù)；然后根據(jù)分布的參數(shù)可以求取每個(gè)數(shù)據(jù)元組的隱藏變量的期望(相當(dāng)于實(shí)施了歸類操作)；再根據(jù)歸類結(jié)果計(jì)算分布參數(shù)(向量)的最大似然值，利用這個(gè)最大似然值再反過來重新計(jì)算每個(gè)元組的隱藏變量的期望。這樣循環(huán)往復(fù)，最終，如果隱藏變量的期望與參數(shù)的最大似然值趨于穩(wěn)定了，最大期望算法就執(zhí)行完畢[12-13]。

基于最大期望算法，依據(jù)大量的桿塔接地參數(shù)數(shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)某一桿塔的接地電阻值REM，根據(jù)預(yù)測(cè)桿塔接地參數(shù)隨時(shí)間的分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)在桿塔接地參數(shù)測(cè)量之前，通過預(yù)測(cè)的參數(shù)來修正桿塔接地裝置的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)。

3 接地裝置的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法

3.1 故障風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法

所提接地裝置風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法基于上述四分位數(shù)法的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，以整條輸電線路為考察對(duì)象。主要依照兩個(gè)參數(shù)(接地電阻測(cè)量值與設(shè)計(jì)值偏差率σ和接地電阻測(cè)量值變化率γ)，其中σ為主要影響因素，γ為次要影響因素。分級(jí)計(jì)算中桿塔接地裝置狀態(tài)評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)流程如下：

1)如果σ小于0，則判定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為A(無風(fēng)險(xiǎn))。

2)如果σ大于0且小于樣本1的25%分位值，則判定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為B。

3)如果σ大于樣本1的25%分位值且小于樣本1的50%分位值，則判定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為C。

4)如果σ大于樣本1的50%分位值且小于樣本1的75%分位值，則判定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為D。

5)如果σ大于樣本1的75%分位值，則判定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為E。

6)如果γ小于0，則風(fēng)險(xiǎn)因子保持不變，不影響上述判定。

7)如果γ大于0且小于樣本2的25%分位值，則風(fēng)險(xiǎn)因子+1；如果γ大于樣本2的25%分位值且小于樣本2的50%分位值，則風(fēng)險(xiǎn)因子+2；如果γ大于樣本2的50%分位值且小于樣本2的75%分位值，則風(fēng)險(xiǎn)因子+3；如果γ大于樣本2的75%分位值，則風(fēng)險(xiǎn)因子+4。

8)如果桿塔的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為B、C、D，且風(fēng)險(xiǎn)因子累積+5，則對(duì)應(yīng)桿塔的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)調(diào)升一級(jí)；如果桿塔的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為A、E，則不受風(fēng)險(xiǎn)因子影響。

桿塔接地裝置狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)流程如圖1所示。

圖1 桿塔接地裝置狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)流程

3.2 考慮參數(shù)預(yù)測(cè)算法的風(fēng)險(xiǎn)修正

當(dāng)輸電線路桿塔接地參數(shù)累積到一定的數(shù)量時(shí)，可以借助于最大期望算法，預(yù)測(cè)同一基桿塔接地參數(shù)隨時(shí)間的分布規(guī)律。桿塔接地裝置狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)測(cè)流程依照?qǐng)D1，基于最大期望算法，預(yù)測(cè)桿塔的接地電阻值REM，用接地電阻預(yù)測(cè)值REM取代測(cè)量值R測(cè)量，實(shí)現(xiàn)在桿塔接地參數(shù)測(cè)量之前，通過預(yù)測(cè)的參數(shù)來修正桿塔接地裝置的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)。根據(jù)每基桿塔的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)結(jié)果，可以指導(dǎo)運(yùn)維人員針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高的桿塔優(yōu)先排班測(cè)量。

4 狀態(tài)評(píng)估范例

對(duì)某110 kV輸電線路(共60基桿塔)的桿塔接地參數(shù)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并按所提出的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法進(jìn)行了計(jì)算分析。全線測(cè)量接地電阻大小的分布如圖2所示。

圖2 110 kV輸電線路沿線接地電阻分布熱力圖

根據(jù)所述的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，得到全線60基桿塔中：34基桿塔接地風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為A(無風(fēng)險(xiǎn))；6基桿塔風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為B；7基桿塔風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為C；6基桿塔風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為D；7基桿塔風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為E。在考慮到技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的前提下，優(yōu)先改造7基風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為E的桿塔。

隨后，對(duì)這7基風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為E的桿塔進(jìn)行接地電阻改造，均降至設(shè)計(jì)接地電阻值以內(nèi)。最后，對(duì)全線桿塔的接地狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行二次評(píng)估，改造評(píng)估結(jié)果如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，σ2較σ1整體上有所下降，即測(cè)量值與設(shè)計(jì)值的偏離程度有所縮小，進(jìn)而在有限的接地電阻改造投入下，提高了整條線路的反擊耐雷水平。

表3 110 kV輸電線路接地狀態(tài)評(píng)估改造結(jié)果

5 結(jié) 語

為實(shí)現(xiàn)輸電線路桿塔接地的差異化運(yùn)檢，上面提出了桿塔接地的差異化運(yùn)維方案，并結(jié)合四分位數(shù)法和最大期望算法提出了一種桿塔接地裝置狀態(tài)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的方法。最后，將該方法應(yīng)用于某110 kV輸電線路，得到了全線桿塔的接地風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類。主要結(jié)論如下：

1)輸電線路桿塔接地裝置的運(yùn)維檢修方案應(yīng)結(jié)合桿塔接地裝置的狀態(tài)評(píng)估水平和風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)情況進(jìn)行差異化制定，從而提高線路接地運(yùn)維的工作效率和經(jīng)濟(jì)性。

2)可結(jié)合四分位數(shù)法和最大期望算法，對(duì)輸電線路桿塔接地參數(shù)的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并基于關(guān)鍵特征參量的比較提出一種基于歷史測(cè)量數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法，將全線桿塔依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)程度遞進(jìn)劃分為ABCDE共5個(gè)級(jí)別。

3)應(yīng)用該方法對(duì)某110 kV輸電線路桿塔(共60基)接地參數(shù)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，成功得到了全線13基中等風(fēng)險(xiǎn)以上的桿塔信息和對(duì)應(yīng)的差異化運(yùn)維方案。