一种考虑高海拔环境老化与雷电冲击时序效应的避雷器综合劣化评估方法与流程

本发明涉及避雷器劣化程度评估，具体涉及一种考虑高海拔环境老化与雷电冲击时序效应的避雷器综合劣化评估方法。

背景技术：

1、避雷器是电力系统中限制雷电过电压和操作过电压、保护输变电设备绝缘的重要保护电器，其运行可靠性直接关系到电网的安全稳定运行。以金属氧化物电阻片为核心元件的无间隙避雷器在长期运行中承受系统工作电压、雷电冲击及周围环境的综合作用，其复合外套、密封结构、内部绝缘及电阻片会逐渐发生性能劣化，进而影响避雷器的保护性能和使用寿命。

2、我国水电、风电、光伏等清洁能源基地大量分布于高海拔地区，相应输电线路广泛途经海拔3000m以上的高原及山区。与平原地区相比，高海拔地区气压低、空气密度小、紫外辐照强、昼夜温差大，部分区域还伴随频繁冻融循环、风沙侵蚀、污秽沉积及覆冰等复杂环境条件，如文献[3]中的记载。避雷器在高海拔地区长期运行时，上述环境因素的持续作用会导致复合外套材料硬化、粉化、憎水性下降，密封结构老化失效，内部受潮及电阻片电气性能漂移，从而改变避雷器承受雷电冲击时的劣化程度。同时，受地形起伏、坡位坡向、日照条件、主导风向及微气象条件影响，山脊、峡谷、盆地、迎风坡、冻融敏感区等不同地形地貌区域的实际环境应力存在明显差异，不同区域避雷器的环境老化历程亦不相同。

3、针对避雷器老化评估问题，现有技术已开展相关研究。中国专利cn112904117b公开了一种计及气温和多重雷击的避雷器老化试验评估系统及方法，如文献[1]中的记载，该方法通过控制避雷器阀片的试验温度，并在该温度下施加多脉冲雷电冲击，根据试验温度和冲击次数评价避雷器的老化程度。然而，该方法仅考虑温度单一环境因素与多脉冲雷击的共同作用，未涉及低气压、强紫外辐照、冻融循环等高海拔地区多因素组合环境的持续老化作用；且其多脉冲雷电冲击在试验中连续施加，未考虑实际运行中雷电冲击的随机发生时刻以及相邻雷电冲击之间环境持续老化的影响，难以反映环境老化与雷电冲击作用时序对避雷器劣化的影响。

4、中国专利cn112924772b公开了一种潮湿环境多脉冲影响的避雷器老化测评系统及方法，如文献[2]中的记载。该方法通过控制试验湿度并施加多脉冲雷电冲击，根据试验湿度和冲击次数评价避雷器阀片的老化程度。然而，该方法同样仅考虑湿度单一环境因素与多脉冲雷击的共同作用，未针对不同高海拔地形地貌类型设置相应的代表性环境条件，也未反映雷电冲击发生时刻及相邻雷电冲击之间持续环境老化所造成的时序差异。

5、此外，现行标准gb 11032—2020《交流无间隙金属氧化物避雷器》规定了避雷器动作负载试验等老化与冲击联合考核方法，如文献[4]中的记载。即对避雷器试品施加统一规定的加速老化程序后，再按规定波形、幅值和次数连续施加电流冲击，以考核避雷器的动作负载性能。该类试验属于出厂检验与型式试验手段，其老化方式为统一的高温加速程序，与高海拔实际运行环境差异较大，冲击亦按固定程序连续施加，未考虑雷电冲击的随机性与时序性，难以用于评估实际运行避雷器在其真实服役历程下的综合劣化程度。

6、从实际运行情况看，同一避雷器通常不会在较短时间内连续遭受多次雷电冲击；雷电冲击以离散随机事件的形式分布于避雷器的整个生命周期之中，而相邻雷电冲击之间避雷器仍持续受到环境因素的累积老化作用。当雷电冲击发生较早时，雷电冲击形成的微裂纹、局部热损伤、密封薄弱部位及内部界面损伤可能在后续较长时间的环境作用下继续发展；当雷电冲击发生较晚时，避雷器在承受雷电冲击前可能已累积较长时间的环境老化，相同的雷电冲击将产生不同程度的电气损伤、热损伤及结构损伤。因此，避雷器的综合劣化程度不仅与环境老化总时间和雷电冲击次数有关，还与各次雷电冲击的发生时刻、相邻雷电冲击之间的环境老化持续时间、环境老化与雷电冲击的作用顺序以及避雷器所处地形地貌条件密切相关。

7、然而，现有评估方法普遍采用固定的环境老化条件，并在环境老化后较短时间内连续施加多次雷电冲击，既未考虑高海拔多因素组合环境的持续老化作用及不同地形地貌区域的环境条件差异，也未考虑雷电冲击的随机发生时刻和相邻雷电冲击之间的环境老化持续时间，难以表征环境老化与雷电冲击的时序耦合效应，导致评估结果与避雷器实际劣化状态存在偏差。

8、因此，有必要提出一种考虑高海拔环境老化与雷电冲击时序效应的避雷器综合劣化评估方法，以更真实地反映避雷器的实际运行劣化过程，提高高海拔地区避雷器综合劣化程度评估的准确性。

9、参考文献：

10、文献[1]:四川大学.一种计及气温和多重雷击的避雷器老化试验评估系统及方法: 中国发明专利, cn112904117b[p].2022.

11、文献[2]:四川大学.一种潮湿环境多脉冲影响的避雷器老化测评系统及方法:中国发明专利,cn112924772b[p].2022.

12、文献[3]:蒋兴良, 等.电力系统污秽与覆冰绝缘[m].北京:中国电力出版社,2009.

13、文献[4]:国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会.交流无间隙金属氧化物避雷器:gb 11032—2020[s].北京:中国标准出版社,2020。

技术实现思路

1、为克服现有避雷器劣化评估方法采用固定环境老化条件并短时连续施加多次雷击、未考虑高海拔环境持续作用、雷电冲击随机发生时刻、相邻雷击间环境老化持续时间及地形地貌差异的不足的技术问题。本发明提供一种考虑高海拔环境老化与雷电冲击时序效应的避雷器综合劣化评估方法，通过针对不同高海拔地形地貌标定阶段劣化量并按照实际雷电冲击时序递推累计综合劣化程度，从而更真实、准确地反映避雷器的时序劣化特征，提高综合劣化评估的准确性和与实际运行状态的一致性。

2、本发明采取的技术方案为：

3、一种考虑高海拔环境老化与雷电冲击时序效应的避雷器综合劣化评估方法，包括以下步骤：

4、s1：确定代表性环境试验条件、环境老化持续时间及雷电冲击条件，对避雷器试样分别开展作用顺序相反的先环境老化后雷电冲击试验和先雷电冲击后环境老化试验，测量各作用阶段开始前和结束后的状态参数；

5、s2：根据各作用阶段开始前和结束后的状态参数变化，分别确定环境老化阶段劣化量、环境老化状态下的条件雷击劣化量、雷电冲击阶段劣化量及雷电冲击损伤状态下的条件环境劣化量，并建立相应的阶段劣化量标定关系；

6、s3：将目标避雷器状态参考起点至状态评估终点之间的运行过程，按各次有效雷电冲击的实际发生时刻划分为由环境作用阶段和雷电冲击阶段构成的实际运行时序，依次调用对应的阶段劣化量标定关系确定各阶段劣化量，并基于剩余健康裕度逐阶段递推，得到目标避雷器在状态评估终点的累计综合劣化程度。

7、所述s1中，避雷器试样按照如下步骤选取并分组：

8、1.1：选取型号、额定电压、标称放电电流、结构形式、外套材料、生产工艺及生产批次相同或者处于预设一致性范围内的n个避雷器作为候选试样，将各候选试样置于统一参考条件下静置预设时间后，测量各候选试样的初始状态参数；

9、1.2：设候选试样编号为，，初始状态参数序号为，第个候选试样的第个初始状态参数为，计算第个初始状态参数的平均值、标准差及变异系数，其中，为防止分母为零的预设正数；

10、1.3：当各初始状态参数对应的变异系数均不大于预设一致性阈值时，判定候选试样满足初始状态一致性要求；否则，剔除初始状态偏离平均水平的候选试样并返回1.2重新计算，直至剩余候选试样满足初始状态一致性要求；

11、1.4：将满足初始状态一致性要求的试样划分为环境老化-雷电冲击试验组和雷电冲击-环境老化试验组，设两组第个初始状态参数的平均值分别为和，计算相对差异，当各初始状态参数对应的相对差异均不大于预设分组平衡阈值时，判定分组满足初始状态平衡要求，否则重新调整分组。

12、所述s1中，确定代表性环境试验条件及环境老化持续时间包括：

13、1.5：获取目标高海拔地区的海拔数据、数字高程数据、坡向数据、主导风向数据、冻土数据、积雪数据、历史气象数据、现场环境监测数据及历史故障数据中的一种或多种，根据目标避雷器安装位置的海拔高度、地形起伏、坡位坡向、日照条件、主导风向、冻土特征、积雪特征及污秽来源中的一种或多种，确定目标避雷器对应的地形地貌类型；

14、1.6：针对所确定的地形地貌类型，选取对避雷器劣化具有主要影响的环境特征量，根据各环境特征量的实际取值范围设置多个代表性试验值并进行组合，形成代表性环境试验条件，其中，为地形地貌类型编号，为相应地形地貌类型下的代表性环境试验条件编号；

15、1.7：根据目标避雷器设计寿命、目标区域实际环境条件和试验周期设置多个典型环境老化持续时间，构成环境老化持续时间集合，其中，为典型环境老化持续时间序号，为第个典型环境老化持续时间，为典型环境老化持续时间的数量；所述环境老化持续时间为实际试验持续时间或者通过环境加速因子换算得到的等效实际运行时间，且采用加速环境老化试验时不同试验组采用相同的环境老化等效换算方法。

16、所述s1中，确定雷电冲击条件包括：

17、1.8：根据目标地区历史雷电监测数据、线路雷电活动特征及目标避雷器的额定参数、标称放电电流和能量吸收能力，设置多个代表性雷电流峰值，并确定雷电流极性、雷电流波形特征参数及单个标定单元内的雷电冲击次数；

18、1.9：根据雷电冲击电流随时间变化的函数，计算雷电冲击电荷量；

19、根据雷电冲击过程中避雷器两端电压随时间变化的函数，计算雷电冲击能量，

20、其中，为雷电冲击过程中的时间积分变量，为雷电冲击的有效持续时间；

21、1.10：设雷电冲击条件编号为，将第个雷电冲击条件表示为，构成雷电冲击条件集合，其中，为第个雷电冲击条件的雷电流峰值，为雷电冲击电荷量，为雷电冲击能量，为雷电流极性，为雷电流波形特征参数，为单个标定单元内的雷电冲击次数，为雷电冲击条件的数量。

22、所述s2包括：

23、s2.1：将参与评价的状态参数划分为数值随避雷器劣化程度增加而增大的劣化正向指标和数值随避雷器劣化程度增加而减小的劣化逆向指标；

24、s2.2：设作用阶段开始前和结束后的第个状态参数分别为和，对于劣化正向指标，归一化劣化量；

25、对于劣化逆向指标，归一化劣化量；

26、其中，为第个状态参数对应的允许极限值，表示将计算结果限制在0至1范围内的截断函数；

27、s2.3：根据各状态参数对应的归一化劣化量及相应权重，计算作用阶段的阶段劣化量；

28、其中，为作用阶段序号，为第个作用阶段中第个状态参数对应的归一化劣化量，为第个状态参数对应的权重且满足、，为参与评价的状态参数的数量。

29、所述s2还包括：

30、s2.4：根据先环境老化后雷电冲击试验的环境老化阶段劣化量及环境老化状态下的条件雷击劣化量，计算先环境老化后雷电冲击路径的综合劣化量:

31、；

32、根据先雷电冲击后环境老化试验的雷电冲击阶段劣化量及雷电冲击损伤状态下的条件环境劣化量，计算先雷电冲击后环境老化路径的综合劣化量:

33、；

34、s2.5：以同一试验条件下多个平行避雷器试样所得阶段劣化量的平均值作为阶段标定劣化量，建立环境老化阶段劣化量关系、条件雷击劣化量关系、雷电冲击阶段劣化量关系及条件环境劣化量关系，作为阶段劣化量标定关系，其中，为地形地貌类型编号，为相应地形地貌类型下的代表性环境试验条件编号，为环境老化持续时间，为雷电冲击条件；

35、s2.6：当实际环境老化持续时间或者雷电冲击条件与标定试验点的差异不超过预设匹配误差时，直接采用对应的阶段标定劣化量；

36、当实际环境老化持续时间和/或雷电冲击条件位于相邻标定试验点之间时，采用插值或者拟合方式确定对应的阶段劣化量；

37、当超出阶段劣化量标定关系的适用范围时，不进行无约束外推，输出超出标定范围提示并补充标定试验。

38、所述s2中，建立阶段劣化量标定关系之后还包括：

39、s2.7：选取典型多雷电冲击时序对验证试样开展完整时序试验，根据验证试样在完整时序试验前后的状态参数，计算实测累计综合劣化程度；

40、s2.8：根据典型多雷电冲击时序中各环境作用阶段的持续时间、各次雷电冲击条件及其发生顺序，调用阶段劣化量标定关系进行递推计算，得到预测累计综合劣化程度；

41、s2.9：计算多雷电冲击时序验证相对误差，其中，为防止分母为零的预设正数；当不大于预设允许误差阈值时，判定阶段劣化量标定关系满足多雷电冲击时序评估要求；否则，补充相应试验条件或者雷电冲击时序下的标定试验，并对阶段劣化量标定关系进行修正。

42、所述s3包括：

43、s3.1：确定目标避雷器的状态参考起点、状态评估终点及状态参考起点的初始综合劣化程度，设状态参考起点至状态评估终点之间共发生次有效雷电冲击，发生时刻依次为，对应的雷电冲击条件依次为，将运行过程表示为实际运行时序；

44、其中，为状态参考起点至第一次有效雷电冲击之间的环境作用阶段，为第次有效雷电冲击，为第次有效雷电冲击结束后至第次有效雷电冲击或者状态评估终点之间的环境作用阶段，为有效雷电冲击序号；

45、s3.2：计算各环境作用阶段的实际日历时间、及，其中，，并根据各各环境作用阶段的现场环境监测数据、采用与标定试验相同的环境老化等效换算方法，将各实际日历时间换算为等效环境老化持续时间；

46、s3.3：确定环境老化阶段劣化量，计算第一次有效雷电冲击发生前的累计综合劣化程度；

47、对于第次有效雷电冲击，确定条件雷击劣化量，计算其结束后的累计综合劣化程度；

48、对于第次有效雷电冲击后的环境作用阶段，确定条件环境劣化量，计算其结束后的累计综合劣化程度，其中：；

49、s3.4：对于最后一次有效雷电冲击至状态评估终点之间的环境作用阶段，确定条件环境劣化量，计算目标避雷器在状态评估终点的累计综合劣化程度，其中，每一环境作用阶段仅计算一次，每一次有效雷电冲击仅计算一次。

50、所述s3还包括如下特殊情形处理：

51、3.5：当状态参考起点至状态评估终点之间未发生有效雷电冲击时，确定累计综合劣化程度；

52、3.6：当第一次有效雷电冲击发生时刻与状态参考起点相同或者二者之间的时间差不超过预设时间阈值时，取、，并取；

53、3.7：当状态评估终点与最后一次有效雷电冲击发生时刻相同或者二者之间的时间差不超过预设时间阈值时，取、，此时目标避雷器在状态评估终点的累计综合劣化程度。

54、还包括s4：

55、s4.1：预设目标避雷器的状态等级数量及个状态阈值，其中，为不小于2的正整数，各状态阈值满足，并令、；

56、s4.2：当目标避雷器的累计综合劣化程度满足时，判定目标避雷器处于第状态等级，其中；当时，判定目标避雷器处于第状态等级，所述状态等级按照累计综合劣化程度由小到大的顺序依次表征目标避雷器由健康状态向严重劣化状态的发展过程。

57、本发明一种考虑高海拔环境老化与雷电冲击时序效应的避雷器综合劣化评估方法，技术效果如下：

58、1）针对现有方法未考虑高海拔不同地形地貌区域环境条件差异的问题。本发明针对不同高海拔地形地貌类型分别确定相应的代表性环境试验条件，并通过标定试验建立对应环境工况下的阶段劣化量标定关系，避免了不同地形地貌区域共用同一评价模型的缺陷，使评估结果更加贴合避雷器的实际运行环境，提高了高海拔地区避雷器综合劣化评估的针对性和准确性。

59、2）针对现有方法未考虑雷电冲击随机发生时刻及相邻雷电冲击之间环境持续老化作用的问题。本发明将高海拔环境老化作为连续作用过程、将雷电冲击作为随机发生的离散事件，按照环境作用阶段和雷电冲击阶段的实际发生顺序调用相应的阶段劣化量标定关系逐阶段递推，能够区分环境老化总时间、雷电冲击次数及雷电冲击条件均相同但雷电冲击发生时刻不同的运行过程，真实反映了避雷器的时序劣化特征，克服了现有方法在环境老化后短时间内连续施加多次雷电冲击所导致的评估结果与实际服役状态偏离的问题。

60、3）针对现有方法无法表征环境老化与雷电冲击作用顺序影响的问题。本发明通过开展作用顺序相反的两种基础标定试验，分别获得环境老化阶段劣化量、环境老化状态下的条件雷击劣化量、雷电冲击阶段劣化量及雷电冲击损伤状态下的条件环境劣化量，刻画了避雷器在不同累积劣化状态下承受后续环境作用或雷电冲击时的损伤差异，实现了环境老化与雷电冲击时序耦合效应的量化表征，使评估机理更贴近避雷器的真实损伤演化过程。

61、4）评估累计方式合理，避免劣化重复累计：本发明采用基于剩余健康裕度的递推计算方式，使每一作用阶段产生的劣化作用于前一阶段结束后的剩余健康裕度，前序作用造成的劣化通过累计综合劣化程度传递至后续阶段，避免了将各阶段劣化量直接相加造成的重复累计或者评估结果超出合理范围，保证了累计综合劣化程度的物理合理性以及不同运行过程之间评估结果的可比性。

62、5）标定数据可靠，评估结果稳健：本发明在试验前对避雷器试样进行初始状态一致性筛选和分组平衡控制，降低了试样个体差异对标定结果的影响；同时将状态参数划分为劣化正向指标和劣化逆向指标分别归一化后再加权融合，避免了单一状态参数评价的片面性；并且对超出标定范围的情形不进行无约束外推、通过典型多雷电冲击时序验证对标定关系进行校验修正，进一步保证了阶段劣化量标定数据及综合劣化评估结果的可靠性和工程适用性。

63、6）评估结果可直接支撑差异化运维决策：本发明根据累计综合劣化程度将目标避雷器划分为若干状态等级，把连续的量化评估结果转换为直观的状态等级信息，可为高海拔地区避雷器的差异化巡视、状态检修及更换决策提供量化依据，有利于提前识别劣化发展趋势和运行风险，降低避雷器失效引发电网故障的可能性，提升高海拔地区输变电设备的运行可靠性。