輸電線路桿塔接地狀態(tài)評估及風險分級研究

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估與校核，是架空輸電線路在設計階段就必須重點考慮的問題。在線路出現(xiàn)故障時，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)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[1-2]。因此，在輸電線路的運維工作中，測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)做出的接地運維策略，其措施針對性不強，技術(shù)經(jīng)濟性不高，無法明確投入與預期效果的定量關(guān)系。另外，考慮到技術(shù)經(jīng)濟性，在輸電線路桿塔接地運維工作中，也不可能一次性對所有阻值超標(大于設計值)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”收集到的接地參數(shù)，提出了一種桿塔接地裝置的運行狀態(tài)評估和風險等級預警的方法和系統(tǒng)。旨在通過數(shù)據(jù)分析得到桿塔接地的差異化運檢方案，更科學地支撐運維管理決策。

所提出的輸電線路桿塔接地裝置的狀態(tài)評估和風險分級方法結(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象，基于統(tǒng)計分析方法對全線的接地電阻分布情況、測量值與設計值的偏差、同一桿塔接地參數(shù)的變化等特征量進行綜合計算，進而得到全線逐基桿塔的接地裝置狀態(tài)和風險等級分級情況。同時，基于最大期望算法計算得到桿塔接地電阻隨時間分布的預測情況，并通過預測參數(shù)修正桿塔接地裝置的風險分級。所提方法能更具針對性地提出線路桿塔接地運維改造策略，為實現(xiàn)更高效、更專業(yè)的桿塔接地運維提供了理論支撐。

1 狀態(tài)特征量及風險等級分類

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：接地電阻設計值R設計、歷次運行測量值R測量(文中用于分析的接地電阻測量值均為考慮季節(jié)系數(shù)的相對值)和桿塔附近的土壤電阻率等。依據(jù)GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》和GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規(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)計特征參數(shù)

桿塔接地電阻的測量/設計偏差率σ反映了運行中接地裝置與設計狀態(tài)的偏差情況，可通過式(1)計算。

σ=(R測量-R設計)/R設計

(1)

式中：R測量為最近一次的測量數(shù)據(jù)；R設計為線路桿塔設計的要求限制值。一般來說，線路設計中，桿塔的接地電阻設計值即是按表1中的要求進行設計和規(guī)范。如果運行管理中難以獲得線路桿塔的接地電阻設計值，可按照表1中的對應設計要求值進行偏差率計算。

另外，為了保證桿塔接地工程的經(jīng)濟性，在某些土壤電阻率較大的地區(qū)，標準中對接地電阻的最大限制值不再做嚴格要求。此時，可通過該基桿塔自身的接地電阻測量值變化率γ來反映桿塔接地裝置的狀態(tài)變化情況，可通過式(2)計算。

γ=(R本次測量-R前次測量)/R前次測量

(2)

所提出的接地裝置狀態(tài)評估和風險分級方法主要依照上述兩個接地狀態(tài)特征量：接地電阻測量值與設計值偏差率σ和接地電阻測量值變化率γ。其中：σ為主要影響因素；γ為次要影響因素。

1.3 接地裝置的風險等級分類

將某條線路中的每一基桿塔，按A、B、C、D、E分為5個不同的接地故障風險等級。每個風險等級對應的接地裝置運行狀態(tài)和推薦的差異化運檢方案如表2所示[7-8]。

表2 不同故障風險等級對應的運行狀態(tài)及運檢方案

由于該風險分析方法是針對某一特定線路中的全部桿塔，因此，得到的桿塔接地故障風險等級只是相對于全線中其他桿塔的“相對風險等級”。 而這種“相對風險等級”的劃分，能更具針對性地制定該線路的桿塔接地運維改造策略，實現(xiàn)更高效、更科學的桿塔接地運維。

2 接地數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析方法

2.1 四分位數(shù)法

在進行全線樣本數(shù)據(jù)的分析時，利用四分位數(shù)[9-11]統(tǒng)計學方法來描述全線路接地參數(shù)的分布，可以進一步評估每一基桿塔接地故障風險程度。同時，四分位數(shù)具有較強的數(shù)據(jù)容錯性，部分測量異常值不會對所提評估方法的判據(jù)產(chǎn)生大的影響，因而，采用四分位數(shù)法對工程數(shù)據(jù)的測算結(jié)果比較客觀。基于四分位數(shù)法對接地特征參數(shù)數(shù)據(jù)進行分析，可為桿塔接地裝置的故障風險分級提供理論依據(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行極大似然估計(maximum likelihood estimation, MLE)的優(yōu)化算法。極大似然估計的根本目的是根據(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的隱藏變量的概率模型中，尋找參數(shù)極大似然估計或者最大后驗估計的算法。它的求解思路是：根據(jù)經(jīng)驗為每個類別(即隱藏變量)賦予一個初始分布，這相當于是假定了分布參數(shù)；然后根據(jù)分布的參數(shù)可以求取每個數(shù)據(jù)元組的隱藏變量的期望(相當于實施了歸類操作)；再根據(jù)歸類結(jié)果計算分布參數(shù)(向量)的最大似然值，利用這個最大似然值再反過來重新計算每個元組的隱藏變量的期望。這樣循環(huán)往復，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)，可以預測某一桿塔的接地電阻值REM，根據(jù)預測桿塔接地參數(shù)隨時間的分布規(guī)律，實現(xiàn)在桿塔接地參數(shù)測量之前，通過預測的參數(shù)來修正桿塔接地裝置的風險分級。

3 接地裝置的風險分級方法

3.1 故障風險分級方法

所提接地裝置風險分級方法基于上述四分位數(shù)法的統(tǒng)計學方法，以整條輸電線路為考察對象。主要依照兩個參數(shù)(接地電阻測量值與設計值偏差率σ和接地電阻測量值變化率γ)，其中σ為主要影響因素，γ為次要影響因素。分級計算中桿塔接地裝置狀態(tài)評估及風險分級流程如下：

1)如果σ小于0，則判定風險等級為A(無風險)。

2)如果σ大于0且小于樣本1的25%分位值，則判定風險等級為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，則判定風險等級為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，則判定風險等級為D。

5)如果σ大于樣本1的75%分位值，則判定風險等級為E。

6)如果γ小于0，則風險因子保持不變，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，則風險因子+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，則風險因子+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，則風險因子+3；如果γ大于樣本2的75%分位值，則風險因子+4。

8)如果桿塔的風險等級為B、C、D，且風險因子累積+5，則對應桿塔的風險等級調(diào)升一級；如果桿塔的風險等級為A、E，則不受風險因子影響。

桿塔接地裝置狀態(tài)評估和風險分級流程如圖1所示。

圖1 桿塔接地裝置狀態(tài)評估和風險分級流程

3.2 考慮參數(shù)預測算法的風險修正

當輸電線路桿塔接地參數(shù)累積到一定的數(shù)量時，可以借助于最大期望算法，預測同一基桿塔接地參數(shù)隨時間的分布規(guī)律。桿塔接地裝置狀態(tài)評估和風險分級預測流程依照圖1，基于最大期望算法，預測桿塔的接地電阻值REM，用接地電阻預測值REM取代測量值R測量，實現(xiàn)在桿塔接地參數(shù)測量之前，通過預測的參數(shù)來修正桿塔接地裝置的風險分級。根據(jù)每基桿塔的風險分級結(jié)果，可以指導運維人員針對風險等級高的桿塔優(yōu)先排班測量。

4 狀態(tài)評估范例

對某110 kV輸電線路(共60基桿塔)的桿塔接地參數(shù)歷史測量數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，并按所提出的風險分級方法進行了計算分析。全線測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)所述的風險分析方法，得到全線60基桿塔中：34基桿塔接地風險等級為A(無風險)；6基桿塔風險等級為B；7基桿塔風險等級為C；6基桿塔風險等級為D；7基桿塔風險等級為E。在考慮到技術(shù)經(jīng)濟性的前提下，優(yōu)先改造7基風險等級為E的桿塔。

隨后，對這7基風險等級為E的桿塔進行接地電阻改造，均降至設計接地電阻值以內(nèi)。最后，對全線桿塔的接地狀態(tài)風險進行二次評估，改造評估結(jié)果如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)，σ2較σ1整體上有所下降，即測量值與設計值的偏離程度有所縮小，進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)評估改造結(jié)果

5 結(jié) 語

為實現(xiàn)輸電線路桿塔接地的差異化運檢，上面提出了桿塔接地的差異化運維方案，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)評估和風險分級的方法。最后，將該方法應用于某110 kV輸電線路，得到了全線桿塔的接地風險等級分類。主要結(jié)論如下：

1)輸電線路桿塔接地裝置的運維檢修方案應結(jié)合桿塔接地裝置的狀態(tài)評估水平和風險分級情況進行差異化制定，從而提高線路接地運維的工作效率和經(jīng)濟性。

2)可結(jié)合四分位數(shù)法和最大期望算法，對輸電線路桿塔接地參數(shù)的歷史測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并基于關(guān)鍵特征參量的比較提出一種基于歷史測量數(shù)據(jù)的風險分級方法，將全線桿塔依據(jù)風險程度遞進劃分為ABCDE共5個級別。

3)應用該方法對某110 kV輸電線路桿塔(共60基)接地參數(shù)歷史測量數(shù)據(jù)的分析，成功得到了全線13基中等風險以上的桿塔信息和對應的差異化運維方案。