CN101216525A - 绝缘子串耐雷水平的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿真方法，尤其是涉及一种绝缘子串耐雷水平的仿真方法的仿真方法。绝缘子串耐雷水平的仿真方法，基于先导发展速度计算公式：以及先导长度计算公式：X_L＝∫V_Ldt，它是一种在应用先导法判断绝缘子串或间隙在外过电压作用下闪络，进而求得耐雷水平地仿真方法。本发明具有如下优点：计算精度高，误差小不会造成结果偏松或者偏严。

Description

绝缘子串耐雷水平的仿真方法

技术领域

本发明涉及一种仿真方法，尤其是涉及一种绝缘子串耐雷水平的仿真方法的仿真方法。

背景技术

雷电过电压仿真计算中，雷电击中杆塔或者导线时，可能造成绝缘子串或者空气间隙击穿，形成闪络。我国的电力行业标准(DL/T 620-1997)以短接绝缘子串的开关合上来模拟线路绝缘在雷电冲击电压作用下闪络现象，以绝缘子串两端的雷电过电压峰值是否大于绝缘子串的50％冲击放电电压作为绝缘子串是否闪络的判据。这两者出现的时间相差很大，拿它们进行比较有时是不大合适的。所以IEC有关文件(IEC60071-4)中明确提出，不推荐此方法。尤其是同塔双回线路的雷电跳闸率计算时，使用此闪络判据会得出非常高的雷电双回同时跳闸率，它和实际情况相差甚远。

国内外(例如美国、俄罗斯等)目前较普遍采用过电压U(t)和绝缘子串伏秒特性曲线是否相交作为绝缘闪络的判据，我们称之为相交法。采用相交法作为闪络判据时，使用的绝缘子串伏秒特性曲线是在标准波下得到的。但雷击得实际情况是，由于邻近杆塔的反射作用，绝缘子串上的电压波形并不是标准波，而是一种波尾较短的短尾波。短尾波下的放电电压要高于标准波下的放电电压，日本的的研究者认为，短尾波下的放电电压比标准波下的放电电压高20-30％。用标准波的绝缘子串伏秒特性曲线判断短尾波电压作用下的绝缘耐雷水平显然是偏严的。而一方面，采用相交法作为绝缘子串闪络判据有可能丢失在波尾发生闪络的次数，这是偏松的。两者的影响相互抵消，但是抵消程度难以定量分析。因此，相交法是一种近似方法。

在80年代后期，许多学者在空气间隙非标准波闪络实验数据基础上，根据闪络现象的实验数据和空气闪络物理过程的实验和理论分析，得出了一种先导发展的闪络判据和闪络时间计算方法，简称先导发展法或先导法。500kV线路绝缘空气间隙闪络是一个先导发展过程。在闪络之前，有预放电电流，间隙的阻抗已经不是无穷大。该阻抗随先导发展过程而变化。日本在变电所防雷计算中模拟了该先导发展过程。间隙闪络之后，电弧弧道的电感也是应该模拟的。它们均使变电所雷电侵入波过电压有所降低。IEC60071-4也推荐先导法作为长空气间隙可以使用的闪络判定方法之一。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的计算精度不高，误差大，采用相交法作为绝缘子串闪络判据有可能丢失在波尾发生闪络的次数结果偏松，用标准波的绝缘子串伏秒特性曲线判断短尾波电压作用下的绝缘耐雷水平结果偏严等的技术问题；提供了一种计算精度高，误差小不会造成结果偏松或者偏严的判定耐雷水平的仿真方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

绝缘子串耐雷水平的仿真方法，基于先导发展速度的计算以及先导长度的计算，其特征在于，包括以下步骤：

a.通过先导发展系数以及由间隙及极性确定的常数计算先导发展速度以及先导长度，从而判定是否绝缘间隙闪络，得到闪络电压与时间的关系曲线，修正该关系曲线，使其与短尾波雷电冲击绝缘子串伏秒特性曲线一致，得到修正后的先导发展系数以及修正后的由间隙及极性确定的常数；

b.将输入电流值以及计算步长值应用到贝吉龙模型，并逐步按增幅为1～5kA增大输入电流值，直至闪络间隙两端的电压与间隙长度的比值大于或者等于修正后的由间隙及极性确定的常数，记录此时的闪络间隙两端的电压；

c.由闪络间隙两端的电压、修正后的先导发展系数以及修正后的由间隙及极性确定的常数计算先导发展长度，并调试闪络间隙两端的电压，直至发生间隙闪络，记录此时的输入电流值，此时的输入电流值即耐雷水平。

在上述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，所述的先导发展速度计算公式为

$V_l=k_2{\mathrm{de}}^{k_3\frac{U}{d}}(\frac{U}{x}-E_0)$

，其中，V₁为先导发展速度；E₀为由间隙及极性确定的常数；d为间隙长度；U为闪络间隙两端的电压；X为剩余间隙长度；k₂、k₃为先导发展系数。

在上述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，所述的先导长度计算公式为X_L＝∫V_Ldt，V₁为先导发展速度；X₁为先导长度。

在上述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，先导发展系数k₂取170，k₃取1.5×10^-3，所述的由间隙及极性确定的常数E₀取500kV/m。

在上述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，所述的步骤a中闪络电压与时间的关系曲线这样得到：取电流值I为0～300kA，应用至U(t)＝IZ(t)，其中Z(t)为波阻抗，U(t)为闪络电压，检测是否绝缘间隙闪络，若否，记录此时闪络电压U₁值以及t₁值，并增加时间t值，增幅Δt为0.05μs，直至m次时，发生绝缘间隙闪络，记录此时的U_m值以及t_m值，得到m组U值以及t值，得到闪络电压U与时间t的关系曲线。

在上述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，所述的步骤b中，所述的输入电流值取100～300kA，计算步长值取0.03～0.05us。

在上述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，所述的步骤c中发生间隙闪络这样判定：当计算得出先导长度大于或者等于间隙长度时，即判定为发生间隙闪络。

在上述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，所述的步骤c中，若计算得出先导长度小于间隙长度时，重复步骤b。

因此，本发明具有如下优点：计算精度高，误差小不会造成结果偏松或者偏严。

附图说明

图1是本发明的计算步骤原理图；

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

绝缘子串耐雷水平的仿真方法，基于先导发展速度的计算以及先导长度的计算，先导发展速度计算公式为

$V_l=k_2{\mathrm{de}}^{k_3\frac{U}{d}}(\frac{U}{x}-E_0)$

，其中，V₁为先导发展速度；E₀为由间隙及极性确定的常数；d为间隙长度；U为闪络间隙两端的电压；X为剩余间隙长度；k₂、k₃为先导发展系数；先导长度计算公式为X_L＝∫V_Ldt，V₁为先导发展速度；X₁为先导长度。包括以下步骤：

a.通过先导发展系数以及由间隙及极性确定的常数计算先导发展速度以及先导长度，其中，先导发展系数k2取170，k₃取1.5×10^-3，由间隙及极性确定的常数E₀取500kV/m，先导发展系数以及由间隙及极性确定的常数均采用的是现有技术中的IEC推荐选取参数，参数选定后，判定是否绝缘间隙闪络，得到闪络电压与时间的关系曲线，闪络电压与时间的关系曲线这样得到：

取电流值I为0～300kA，应用至U(t)＝IZ(t)，其中Z(t)为波阻抗，U(t)为闪络电压，检测是否绝缘间隙闪络，若否，记录此时闪络电压U₁值以及t₁值，并增加时间t值，增幅Δt为0.05μs，直至m次时，发生绝缘间隙闪络，记录此时的U_m值以及t_m值，得到m组U值以及t值，得到闪络电压U与时间t的关系曲线。

得到闪络电压U与时间t的关系曲线后，修正该关系曲线，使其与短尾波雷电冲击绝缘子串伏秒特性曲线一致，得到修正后的先导发展系数以及修正后的由间隙及极性确定的常数，其中，短尾波雷电冲击绝缘子串伏秒特性曲线为现有技术中提供现有曲线。

b取输入电流值为100～300kA，计算步长值取0.03～0.05us，并将输入电流值以及计算步长值应用到贝吉龙模型，并逐步按增幅为1～5kA增大输入电流值，直至闪络间隙两端的电压与间隙长度的比值大于或者等于修正后的由间隙及极性确定的常数，记录此时的闪络间隙两端的电压；

c.由闪络间隙两端的电压、修正后的先导发展系数以及修正后的由间隙及极性确定的常数计算先导发展长度，并调试闪络间隙两端的电压，当计算得出先导长度大于或者等于间隙长度时，即发生间隙闪络，记录此时的输入电流值，此时的输入电流值即耐雷水平，若计算得出先导长度小于间隙长度时，重复步骤b，即计算闪络间隙两端的电压与间隙长度的比值，若其比值小于由间隙及极性确定的常数，逐步按增幅为1～5kA增大输入电流值，直至闪络间隙两端的电压与间隙长度的比值大于或者等于修正后的由间隙及极性确定的常数。

本实施例的计算过程如图所示，步骤如下：

a.取电流值I为0-300kA，应用至U(t)＝IZ(t)，其中Z(t)为波阻抗，U(t)为闪络电压，检测是否绝缘间隙闪络，若否，记录此时闪络电压U₁值以及t₁值，并增加时间t值，增幅Δt为0.05μs，若此时绝缘间隙闪络，记录最后的U_m值以及t_m值，从而得到m组U值以及t值，得到闪络电压U与时间t的关系曲线；

b.修正先导法中的参数k₂、k₃和E₀成k₂₁、k₃₁和E₀₁，使得上述闪络电压U与时间t的关系曲线与试验得到的短尾波雷电冲击绝缘子串伏秒特性曲线一致，确定k₂₁、k₃₁和E₀₁值；

c.取输入电流i为100-300KA之间，并设定计算步长Δt，其中Δt为0.03us到0.05us之间；

d.将步骤c中取值应用至贝吉龙模型，计算间隙两端的电压U；

e.取d为1M～4M，计算上述电压U与间隙长度d的比值，上述电压U与间隙长度d的比值小于E₀，增大输入电流i，增幅为1kA，并重复步骤c；

f.否则，上述电压U与间隙长度d的比值小于E0大于或等于E0，继续下一步骤；

g.将步骤d中k2’、k3’和E0’应用至先导发展速度计算公式，计算先导发展速度V₁；

h.将步骤i中先导发展速度V₁应用至先导长度计算公式计算先导发展长度X₁，若X₁小于间隙长度d，增大输入电流i，增幅为1kA，并重复步骤d：

i.否则，若X₁大于或者等于间隙长度d，判定间隙闪络，得到耐雷水平i。

采用本发明推荐的仿真模型，将先导法应用于工程上作为间隙闪络的判定方法，能够从物理意义上描述间隙击穿过程，能够反映波尾闪络的情形，计算出的耐雷水平更准确，过电压闪络波形更符合实际情形。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种绝缘子串耐雷水平的仿真方法，基于先导发展速度的计算以及先导长度的计算，其特征在于，包括以下步骤：

a.通过先导发展系数以及由间隙及极性确定的常数计算先导发展速度以及先导长度，从而判定是否绝缘间隙闪络，得到闪络电压与时间的关系曲线，修正该关系曲线，使其与短尾波雷电冲击绝缘子串伏秒特性曲线一致，得到修正后的先导发展系数以及修正后的由间隙及极性确定的常数；

b.将输入电流值以及计算步长值应用到贝吉龙模型，并逐步按增幅为1～5kA增大输入电流值，直至闪络间隙两端的电压与间隙长度的比值大于或者等于修正后的由间隙及极性确定的常数，记录此时的闪络间隙两端的电压；

c.由闪络间隙两端的电压、修正后的先导发展系数以及修正后的由间隙及极性确定的常数计算先导发展长度，并调试闪络间隙两端的电压，直至发生间隙闪络，记录此时的输入电流值，此时的输入电流值即耐雷水平。

2.根据权利要求1所述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，其特征在于，所述的先导发展速度计算公式为 $V_l=k_2{\mathrm{de}}^{k_3\frac{U}{d}}(\frac{U}{x}-E_0),$ 其中，V₁为先导发展速度；E₀为由间隙及极性确定的常数；d为间隙长度；U为闪络间隙两端的电压；X为剩余间隙长度；k₂、k₃为先导发展系数。

3.根据权利要求1所述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，其特征在于，所述的先导长度计算公式为X_L＝∫V_Ldt，V₁为先导发展速度；X₁为先导长度。

4.根据权利要求1所述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，其特征在于，先导发展系数k₂取170，k₃取1.5×10^-3，所述的由间隙及极性确定的常数E₀取500kV/m。

5.根据权利要求1所述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，其特征在于，所述的步骤a中闪络电压与时间的关系曲线这样得到：取电流值I为0～300kA，应用至U(t)＝IZ(t)，其中Z(t)为波阻抗，U(t)为闪络电压，检测是否绝缘间隙闪络，若否，记录此时闪络电压U₁值以及t₁值，并增加时间t值，增幅Δt为0.05μs，直至m次时，发生绝缘间隙闪络，记录此时的U_m值以及t_m值，得到m组U值以及t值，得到闪络电压U与时间t的关系曲线。

6.根据权利要求1所述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，其特征在于，所述的步骤b中，所述的输入电流值取100～300kA，计算步长值取0.03～0.05us。

7.根据权利要求1所述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，其特征在于，所述的步骤c中发生间隙闪络这样判定：当计算得出先导长度大于或者等于间隙长度时，即判定为发生间隙闪络。

8.根据权利要求7所述的绝缘子串耐雷水平的仿真方法，其特征在于，所述的步骤c中，若计算得出先导长度小于间隙长度时，重复步骤b。

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