CN101714748A - 确定架空输电线路绝缘子串并联间隙的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定架空输电线路绝缘子串并联间隙的方法及系统。其中，该方法包括根据雷电冲击放电特性确定并联间隙的结构和形状；根据电场强度分布确定并联间隙的结构和形状；根据工频电弧运动特性确定并联间隙的结构和形状；根据并联间隙的结构和形状，确定并联间隙的空间磁场分布，采用电弧分段模型模拟工频电弧的弧根和弧柱在空间磁场与风力的作用下的运动过程以建立并联间隙的电弧运动模型；利用电弧运动模型，对由并联间隙的各种不同结构和形状所产生的电弧运动特性进行仿真，根据并联间隙的各种不同结构和形状对电弧运动过程的影响来确定并联间隙的结构和形状。根据本发明设计出的并联间隙兼顾了线路的雷击跳闸率与线路的事故率之间的利与弊。

Description

确定架空输电线路绝缘子串并联间隙的方法及系统

技术领域

本发明涉及输电线路防雷保护领域，更具体地，涉及一种确定架空输电线路绝缘子串并联间隙的方法及系统。

背景技术

架空输电线路防雷保护一直是电力工作者高度关注的课题。近年来，雷电故障仍然是影响线路安全运行的主要因素之一。雷击闪络后的工频续流损坏绝缘子及其金具，造成零值绝缘子甚至发生绝缘子掉串停电事故，给输电线路的运行维护带来了较大的困难。

由于早期的电网网架薄弱、开关性能差、开断故障电流对电网和设备产生的影响较大，使运行人员片面地追求降低线路雷击跳闸率，减少开关动作次数，产生了害怕雷击跳闸的保守思想。

现有的架空输电线路的防雷措施包括架设避雷线、降低杆塔接地电阻、加强绝缘、加装耦合地线及安装线路避雷器等。这些措施的核心思想都是尽可能地提高线路的耐雷水平，减少雷击跳闸率。可以将这些防雷措施归纳为“堵塞型”防雷保护方式。

随着电网架构的加强，继电保护和重合闸装置的普遍应用，可以将“疏导式”的防雷保护作为“堵塞式”防雷保护措施的有利补充，以低投入地解决输电线路的小概率雷击问题。在“疏导式”防雷思想指导下，本申请人提出了在经常遭受雷击的输电线路绝缘子串安装并联间隙的防雷保护方案。

虽然绝缘子串并联间隙在一定程度上会使输电线路的雷击跳闸率有所提高，但其能够在线路遭受雷击时，保护绝缘子不受损坏，从而降低线路事故率，也应是工程可以接受的。所以，应辩证地看待并联间隙的防雷保护，权衡比较雷击跳闸率与线路事故率的利与弊。

因此，如何优化设计满足技术要求的绝缘子串并联间隙是当前迫在眉睫的问题。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种确定架空输电线路绝缘子串并联间隙的方法，能够设计出兼顾线路的雷击跳闸率与线路的事故率的输电线路绝缘子串并联间隙。

本发明提供了一种确定架空输电线路绝缘子串并联间隙的方法，包括：获取绝缘子串并联间隙的雷电冲击放电特性，根据雷电冲击放电特性确定并联间隙的结构和形状，使得并联间隙的放电电压低于绝缘子串的放电电压；获取并联间隙的各个部位的电场强度分布，根据电场强度分布确定并联间隙的结构和形状，使得并联间隙均匀绝缘子串附近的工频电场；仿真并联间隙上的工频电弧运动特性，根据工频电弧运动特性确定并联间隙的结构和形状，使得工频电弧能以预定速度转移到并联间隙的端部，并固定在并联间隙的端部燃烧；根据并联间隙的结构和形状，确定并联间隙的空间磁场分布，采用电弧分段模型模拟工频电弧的弧根和弧柱在空间磁场与风力的作用下的运动过程以建立并联间隙的电弧运动模型；利用电弧运动模型，对由并联间隙的各种不同结构和形状所产生的电弧运动特性进行仿真，根据并联间隙的各种不同结构和形状对电弧运动过程的影响来确定并联间隙的结构和形状。

根据本发明方法的一个实施例，该方法还包括：利用雷电冲击试验测量并联间隙的冲击放电电压U_50％，调整并确定并联间隙的最大间隙距离；分别获取绝缘子串自身和绝缘子串安装并联间隙后的伏秒特性，根据伏秒特性调整并联间隙的结构和形状，使得绝缘子串安装并联间隙后的伏秒特性低于绝缘子串自身的伏秒特性；通过工频大电流燃弧试验验证由雷击引起的工频续流电弧能否按预定速度转移到并联间隙的端部并固定在并联间隙的端部燃烧，以调整并联间隙的结构和形状；通过工频大电流燃弧试验检验并联间隙材料的电弧烧灼耐受程度，以确定并联间隙材料是否能耐受多次大电流电弧灼烧。

根据本发明方法的另一实施例，该方法还包括：在工频大电流燃弧试验中，通过拍摄获得并联间隙的各种不同结构和形状下的电弧运动过程来计算工频电弧的运动速度以确定工频电弧能否按预定速度转移至并联间隙的端部，根据并联间隙的各种不同形状对电弧运动速度的影响来调整并联间隙的结构和形状。

根据本发明方法的又一实施例，该方法还包括：比较安装并联间隙前后的线路的雷击跳闸率来确定并联间隙的结构和形状对线路的雷击跳闸率的影响，以调整并联间隙的结构和形状；采用冲击放电电压U_50％的试验数据，选择最易跳闸的杆塔结构，根据安装并联间隙后的线路遭受反击和绕击所造成的跳闸次数之和是否满足预定雷击跳闸率来调整并联间隙的结构和形状。

根据本发明方法的再一实施例，预定速度大于或等于1m/s。

本发明提供的确定架空输电线路绝缘子串并联间隙的方法，能够研制出满足系统要求和防止绝缘子串遭受雷电冲击的并联间隙，使输电线路的雷击跳闸率达到工程要求，同时又降低了输电线路的事故率，消除了现场运行人员的心理隐患。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种确定架空输电线路绝缘子串并联间隙的系统，能够设计出兼顾线路的雷击跳闸率与线路的事故率的输电线路绝缘子串并联间隙。

本发明提供了一种确定架空输电线路绝缘子串并联间隙的系统，包括：雷电冲击放电特性获取模块，用于获取绝缘子串并联间隙的雷电冲击放电特性，根据雷电冲击放电特性确定并联间隙的结构和形状，使得并联间隙的放电电压低于绝缘子串的放电电压；电场强度分布获取模块，用于获取雷电冲击放电特性获取模块确定的并联间隙的各个部位的电场强度分布，根据电场强度分布确定并联间隙的结构和形状，使得并联间隙均匀了绝缘子串附近的工频电场；仿真电弧运动模块，用于仿真电场强度分布获取模块确定的并联间隙上的工频电弧运动特性，根据工频电弧运动特性确定并联间隙的结构和形状，使得工频电弧能以预定速度转移到并联间隙的端部，并固定在并联间隙的端部燃烧；电弧运动模型建立模块，用于根据仿真电弧运动模块确定的并联间隙的结构和形状，确定并联间隙的空间磁场分布，采用电弧分段模型模拟工频电弧的弧根和弧柱在空间磁场与风力的作用下的运动过程以建立并联间隙的电弧运动模型；电弧运动过程比较模块，用于利用电弧运动模型建立模块建立的电弧运动模型，对由并联间隙的各种不同结构和形状所产生的电弧运动特性进行仿真，根据并联间隙的各种不同结构和形状对电弧运动过程的影响确定并联间隙的结构和形状。

根据本发明系统的一个实施例，该系统还包括：并联间隙距离调整模块，用于利用雷电冲击试验测量电弧运动过程比较模块确定的并联间隙的冲击放电电压U_50％，调整并确定并联间隙的最大间隙距离；伏秒特性获取模块，用于分别获取绝缘子串自身和绝缘子串安装并联间隙后的伏秒特性，根据伏秒特性调整并联间隙距离调整模块确定的并联间隙的结构和形状，使得绝缘子串安装并联间隙后的伏秒特性低于绝缘子串自身的伏秒特性；转移速度验证模块，用于通过工频大电流燃弧试验验证由雷击引起的工频续流电弧能否按预定速度转移到伏秒特性获取模块确定的并联间隙的端部并固定在并联间隙的端部燃烧，以调整并联间隙的结构和形状；并联间隙材料检验模块，用于通过工频大电流燃弧试验检验伏秒特性获取模块确定的并联间隙的材料的电弧烧灼耐受程度，以确定并联间隙材料是否能耐受多次大电流电弧灼烧。

根据本发明系统的另一实施例，该系统还包括：电弧转移速度计算模块，用于在工频大电流燃弧试验中，通过拍摄获得伏秒特性获取模块确定的并联间隙的各种不同结构和形状下的电弧运动过程来计算工频电弧的运动速度以确定工频电弧能否按预定速度转移至并联间隙的端部，根据并联间隙的各种不同形状对电弧运动速度的影响来调整并联间隙的结构和形状。

根据本发明系统的又一实施例，该系统还包括：跳闸率比较模块，用于比较安装转移速度验证模块确定的并联间隙前后的线路的雷击跳闸率来确定并联间隙的结构和形状对线路的雷击跳闸率的影响，以调整并联间隙的结构和形状；跳闸率校核模块，用于采用冲击放电电压U_50％的试验数据，选择最易跳闸的杆塔结构，根据安装跳闸率比较模块确定的并联间隙后的线路遭受反击和绕击所造成的跳闸次数之和是否满足预定雷击跳闸率来调整并联间隙的结构和形状。

根据本发明系统的再一实施例，预定速度大于或等于1m/s。

本发明提供的确定架空输电线路绝缘子串并联间隙的系统，能够研制出满足系统要求和防止绝缘子串遭受雷电冲击的并联间隙，使输电线路的雷击跳闸率达到工程要求，同时又降低了输电线路的事故率，消除了现场运行人员的心理隐患。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。在附图中：

图1是本发明方法的第一实施例的流程示意图。

图2是根据本发明方法设计的两种不同结构的并联间隙的结构示意图。

图3是本发明方法中采用的电弧分段模型示意图。

图4是本发明方法的第二实施例的流程示意图。

图5是本发明方法的第三实施例的流程示意图。

图6是本发明系统的第一实施例的结构示意图。

图7是本发明系统的第二实施例的结构示意图。

图8是本发明系统的第三实施例的结构示意图。

图9是根据本发明设计的并联间隙的结构示意图。

图10是绝缘子串及其安装并联间隙的伏秒特性曲线示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，但并不构成对本发明的不当限定。

本发明的出发点是在我国现有输电线路绝缘子配置基础上和绝缘配合规程下，合理设计输电线路绝缘子并联间隙防雷保护装置。

在“疏导式”防雷保护思想的指导下，本申请人提出了在经常遭受雷击的输电线路绝缘子串安装并联间隙的防雷保护方案。该并联间隙的防雷保护原理为：在绝缘子串旁并联一对金属电极，构成保护间隙，通常保护间隙的距离小于绝缘子串的串长。架空输电线路遭受雷击时，绝缘子串上产生很高的雷电过电压，因保护间隙的雷电冲击放电电压低于绝缘子串的放电电压，故并联间隙先放电。接续的工频电弧在电动力和热应力的作用下通过并联间隙所形成的放电通道被引至电极端部，并固定在端部燃烧，从而保护了绝缘子串免于被烧损。

基于上述并联间隙的防雷保护原理，本发明的设计思想是：分析并联间隙的雷电冲击放电特性，计算绝缘子串并联间隙各部位的电场强度分布，对并联间隙上的工频电弧运动特性进行仿真计算，初步设计并联间隙的结构和形状。利用雷电冲击试验测量并联间隙的冲击放电电压U_50％，进行绝缘子串和绝缘子串安装并联间隙的伏秒特性试验，优化并联间隙结构，获得最佳的间隙距离。通过工频大电流电弧试验，进一步检验并联间隙对绝缘子所起保护的有效性，及间隙电极耐受电弧烧蚀的情况。对安装并联间隙前后的雷击跳闸率进行计算和比较，分析并联间隙对输电线路雷击跳闸率的影响，及雷击跳闸率提高的比率是否控制在工程可接受的范围内。

以下结合图1、图2和图3描述本发明方法的第一实施例。

图1是本发明方法的第一实施例的流程示意图。如图1所示，该实施例可以包括：

S102，获取绝缘子串并联间隙的雷电冲击放电特性，根据雷电冲击放电特性确定并联间隙的结构和形状，使得并联间隙的放电电压低于绝缘子串的放电电压，确保绝缘子串安装并联间隙后，使杆塔的耐雷水平不至于下降太多，达到有效保护绝缘子的效果。

S104，获取绝缘子串的端部和表面及并联间隙的各个部位的电场强度分布，根据电场强度分布确定并联间隙的结构和形状，使得并联间隙均匀绝缘子串附近的工频电场，并使并联间隙的材料能满足最大电场强度的技术要求。

例如，可以根据绝缘子串和并联间隙的结构参数建立绝缘子串安装并联间隙的三维几何模型，采用自由三角形网格剖分技术，通过考虑曲率及特性相似，对几何模型进行合适的网格剖分，并对有特殊计算要求的部分进行网格的进一步细分。当绝缘子上、下端部及并联间隙上、下电极预充不同电压时，用有限元方法计算绝缘子表面、端部和并联间隙的电场强度分布。

计算电压分担率，即，每片绝缘子和并联间隙各点的电压占全部电压的比率，比较并联间隙安装前后的电压分担率的差别是否缩小，以检验并联间隙能否改善绝缘子附近的电场强度分布。若安装并联间隙后，电压分担率的差别减小，表明并联间隙有效改善了绝缘子附近的工频电场分布，达到了均压的目的。

S106，仿真并联间隙上的工频电弧运动特性，可得到电弧的弧根和弧柱在并联间隙上的运动规律、电弧形态和电弧长度的变化等，以及电弧的弧根能否顺利转移到电极端部和经过多长时间到达端部，从而可以根据工频电弧运动特性确定并联间隙的结构和形状，使得工频电弧能以预定速度转移到并联间隙的端部，并固定在并联间隙的端部燃烧。

图2是根据本发明方法设计的两种不同结构I、II的并联间隙的结构示意图。如图2所示，结构I包括绝缘子串21、上电极23和下电极25，结构I的上下两个电极从绝缘子串两侧开始向外延伸，一直保持水平形状，在端部向内弯折，形成间隙；结构II包括绝缘子串22、上电极24和下电极26，结构II的上下两个电极则是从绝缘子串两侧水平向外延伸一段后，分别以α和β角度向内弯折，形成间隙。

计算结果表明，结构I的电弧运动速度明显高于结构II的运动速度。当t＝0.2s时，结构I的下弧根已经到达并联间隙电极端部，而此时结构II的下弧根还未运动到电极长度的一半距离。结构I的上弧根在t＝0.30s时到达上电极端部，而此时结构II上弧根才运动到上电极长度的一半距离处。由于下弧根对弧柱运动的影响，结构I的弧柱整体运动速度也高于结构II。因此，通过电弧运动过程仿真分析来看，结构I的并联间隙装置的“导弧”性能明显优于结构II。

从上述的两种结构可以看出，上下电极倾角为零的并联间隙装置比上下电极有一定倾角的并联间隙装置具有更强的“导弧”性能。另外，由于间隙的距离没有改变，因此，其与绝缘子串的绝缘配合几乎不变，只不过均压性能可能有所降低。如果对并联间隙装置均压性能不做较多要求，并且安装形式满足要求，无疑上下电极倾角为零的并联间隙装置结构是一个比较优化的结构。

根据该步骤设计出的并联间隙结构，还应确保短路电弧在运动中受到的电磁力沿间隙电极伸展方向，避免出现电弧在电磁力作用下向着电极伸展的相反方向运动的现象，造成电弧灼烧绝缘子，甚至发生事故。

在实施例中可以要求电弧弧根的运动速度不低于1m/s。经过测试可以得到：当电弧电流为160A时，电弧弧根运动到电极端部所需时间为0.3s，电流为25kA的电弧到达电极端部的时间约为0.01s。

S108，根据并联间隙的结构和形状，确定并联间隙的空间磁场分布，采用电弧分段模型模拟工频电弧的弧根和弧柱在空间磁场与风力的作用下的运动过程以建立并联间隙的电弧运动模型。

并联间隙流过工频短路电流产生的磁场虽然属于动态场，但是由于频率比较低(约为50Hz)，所以可以作为准静态场处理。短路电弧所处位置的磁场，主要由电极、横担、杆塔、架空导线等导体以及电弧本身的电流提供。根据积分方程法，利用毕奥-萨伐尔定律直接对电流源区进行积分，可以得到电弧所处位置的磁场。并联间隙交流电弧的电流主要流过电弧、电极、横担、杆塔、导线(包括避雷线以及连接金具)等，其中，并联间隙电极、导线及电弧具有圆柱体形状，横担、杆塔和连接金具等一般具有长方体形状，磁场的积分公式可以为圆柱体和长方体两种形状的电流源区分别进行计算。

(1)圆柱体电流源区产生磁场的计算方法：

计算电流密度为J、半径为R₀、长度为l的圆柱体源区在空间任意一点P产生的磁场时，以圆柱体源区的上表面的圆心O为坐标原点，以圆柱体源区的对称轴为z轴，建立圆柱坐标系(R，β，z)，并以过P点的平面为β＝0的平面，计算公式为：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}{\∫\∫\∫}_V\frac{J\×r}{r^3}\mathrm{dV}$

$=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{R_0}J\×\left({\∫}_{-l}^0\frac{r}{r^3}\mathrm{dz}\right)\mathrm{RdRd\β}---\left(1\right)$

(2)长方体电流源区产生磁场的计算方法：

计算电流密度为J、截面长宽分别为m、n、长度为l的长方体源区在空间任意一点P产生的磁场时，建立直角坐标系(x，y，z)，并以过P点的平面为y＝0的平面，计算公式为：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}{\∫\∫\∫}_V\frac{J\×r}{r^3}\mathrm{dV}$

$=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{-n/2}^{n/2}{\∫}_{-m/2}^{m/2}J\×\left({\∫}_{-l}^0\frac{r}{r^3}\mathrm{dz}\right)\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

将圆柱体和长方体电流源区磁场积分作为基本磁场积分单元，通过对整个电流源区进行环路积分，得到短路电弧所处位置的空间磁场分布。

上述确定并联间隙的空间磁场分布，由于只需要在电流源区进行离散积分，无源区域不用考虑，相比有限元等微分方法，省去了大量的剖分区域，因此，大大减少了计算量，提高了计算速度，能够使得磁场积分达到无穷远，并且不增加计算量，这对于求解近似无界的架空输电线路来说是比较理想的方法。

图3是本发明方法的一个实施例中采用的并联间隙短路电弧分段模型示意图。如图3所示，该电弧分段模型中示出了绝缘子串31、上电极32、电弧段33和下电极34，电弧被看成由许多形状为圆柱形的电弧段链接而成，每个电弧段的位置由其重心确定，其轴向和柱体长度由相邻两个电弧段来确定。

每个电弧段都会受到磁场力和风力的作用，当电弧段的长度足够小时，可认为通过电弧段长度的磁感应强度保持不变，以重心处的磁感应强度表示。利用电弧分段模型，将电弧所受到的磁场力和风作用力细化为每个电弧段所受的磁场力和风作用力，不仅能够考虑输电线路和并联间隙中电流产生的磁场对电弧的作用，也能够考虑整个电弧电流产生的磁场对电弧局部的作用，反映电弧形状在运动中的不断变化。

电弧在运动中受到电磁力、风力的作用，导致电弧段沿着磁场力F_Mi和风作用力F_Wi的合力方向运动。而根据牛顿粘性定律，运动的电弧又会受到空气的阻力F_Ri，空气阻力的方向与电弧运动速度方向相反。

根据牛顿第二定律，忽略电弧段的质量及其加速过程时，有：

F_Mi+F_Wi+F_Ri＝0    (3)

其中，F_Mi为流过电弧段的电流I_i的函数，F_Wi为风作用力在电弧段上作用的截面S_i和风速V_w的函数，F_Ri为空气阻力在电弧段上的作用截面S_i和电弧段运动速度V_i的函数。结合各作用力的方向，由此得到电弧的运动速度V_i。

于是，电弧段在t+Δt时刻的重心位置G_i(t+Δt)为：

$\stackrel{\→}{G_i(t+\mathrm{\Δt})}=\stackrel{\→}{G_i\left(t\right)}+V_i\left(t\right)\mathrm{\Δt}---\left(4\right)$

利用电弧分段模型，根据电弧各段在时间段t～t+Δt(Δt时间步长)的运动速度，确定所有电弧段在t+Δt时刻的位置，构成整个电弧的位置和形状。

S110，利用电弧运动模型，对由并联间隙的各种不同结构和形状所产生的电弧运动特性进行仿真，根据并联间隙的各种不同结构和形状对电弧运动过程的影响及并联间隙安装方向对其保护效果的影响来确定并联间隙的结构和形状。

图4是本发明方法的第二实施例的流程示意图。

如图4所示，其中的S402～S410与图1中的S102～S110相同，该实施例还可以包括以下步骤：

S412，利用雷电冲击试验测量并联间隙的冲击放电电压U_50％，定位雷电冲击放电路径是否发生在空气间隙上，确定最佳的间隙距离，既能可靠保护绝缘子串免于雷击闪烙，又能使间隙具有较高的冲击放电电压水平；

S414，分别获取绝缘子串自身和绝缘子串安装并联间隙后的伏秒特性，根据伏秒特性调整并联间隙的结构和形状，使得绝缘子串安装并联间隙后的伏秒特性低于绝缘子串自身的伏秒特性，以确保并联间隙对绝缘子串的防雷保护，避免绝缘子串遭受雷击闪烙；

S416，通过工频大电流燃弧试验验证由雷击引起的工频续流电弧能否按预定速度转移到并联间隙的端部并固定在并联间隙的端部燃烧，以调整并联间隙的结构和形状；

S418，通过工频大电流燃弧试验检验并联间隙电极材料的电弧烧灼耐受程度，以确定并联间隙材料是否能耐受多次大电流电弧灼烧。

在本发明方法的另一实施例中，还可以在工频大电流燃弧试验中通过拍摄获得并联间隙的各种不同结构和形状下的电弧运动过程来计算工频电弧的运动速度，以确定工频电弧能否按预定速度转移至并联间隙的端部，根据并联间隙的各种不同形状对电弧运动速度的影响来调整并联间隙的结构和形状。

通过试验可以看出，在电弧运动中，交流电弧阴极弧根停滞不前，一直灼烧间隙电极，阳极弧根会在磁场力的作用下向前运动。短路电弧在并联间隙电极上留下的运动轨迹，由一个圆斑接一个圆斑组成，由于阴极弧根在工频半个周期内停滞不前，造成电极表面金属熔化，从而留下一个圆斑；在下半个周期内，阴极弧根变为阳极弧根，阳极弧根从一个圆斑所在位置运动到相邻下一个圆斑所在位置；再在接下来的半个周期内，阳极弧根变为阴极弧根，又停滞不前并造成电极表面金属熔化留下圆斑，由此弧根在阴极弧根和阳极弧根不断转变的过程中，规则的向前运动。所以，根据阴、阳极弧根交替灼烧并联间隙电极留下的圆斑间距，与交流电弧半个工频周期的时间之比，确定电弧弧根在电极上的运动速度。

由上述分析可知，由于交流电弧的阴、阳极弧根交替变换，电弧弧根在电极上留下的圆斑应规则向前运动，直至达到电极端部。若电极结构设计流畅，圆斑间距越大，电弧运动速度越快，利于电弧快速向端部运动。当出现圆斑间距过小或停滞不前时，需改进优化电极结构，加快电弧运动速度，保护输电线路绝缘子免于电弧灼烧。

图5是本发明方法的第三实施例的流程示意图。

如图5所示，其中的S502～S510与图1中的S102～S110相同，S512～S518与图4中的S412～S418相同，该实施例还可以包括以下步骤：

S520，比较安装并联间隙前后的线路的雷击跳闸率来确定并联间隙的结构和形状对线路的雷击跳闸率的影响，以调整并联间隙的结构和形状；

S522，采用冲击放电电压U_50％的试验数据，选择最易跳闸的杆塔结构，根据安装并联间隙后的线路遭受反击和绕击所造成的跳闸次数之和是否满足预定雷击跳闸率来调整并联间隙的结构和形状。

如果计算得到的雷击跳闸率过高，难以满足并联间隙在工程应用时的雷击跳闸率要求，在我国现有绝缘配合规程允许下，可适当增加绝缘子片数或长度，使并联间隙短接绝缘子的绝缘距离保持不变，或减小并联间隙电极的弯度，由此加大并联间隙距离，降低输电线路绝缘子串安装并联间隙后的雷击跳闸率，使其在工程可接受的范围内。

例如，对于35kV架空输电线路，不同结构的并联间隙引起的雷击跳闸率可以参见下述表1。并联间隙距离Z越大，跳闸率越小，由此可以通过增加并联间隙距离来降低雷击跳闸率。当并联间隙距离与3片绝缘子的串长相等，但小于其爬电距离时，引起线路跳闸率增加至4.38次/百公里·年，比绝缘子串无并联间隙的3.96次/百公里·年提高了10.6％，这个增加量应该是可以接受的；若不增加线路的雷击跳闸率，建议将三片绝缘子增加为四片，间隙短接一片或半片，以保证间隙的保护效果。

是否安装并联间隙	未安装	安装	安装	安装
					绝缘子串长度Z0(mm)	438	/	/	/
并联间隙距离Z(mm)	/	292	365	438
					Z/Z0(％)	/	0.55	0.69	0.82
U50％(kV)	354	210	270	290
					跳闸率n(次/百公里·年)	4.03	4.89	4.25	4.38
增加比率(％)	——	23.5	13.6	10.6

表1

在上述方法的实施例中，预定速度大于或等于1m/s。

通过上述实施例可以设计出性能优越的输电线路绝缘子并联间隙，解决了输电线路防雷保护存在的实际问题，具有工程实用价值。

图6是本发明系统的第一实施例的结构示意图。

如图6所示，该实施例可以包括：雷电冲击放电特性获取模块61、电场强度分布获取模块62、仿真电弧运动模块63、电弧运动模型建立模块64及电弧运动过程比较模块65。

其中，雷电冲击放电特性获取模块61用于获取绝缘子串并联间隙的雷电冲击放电特性，根据雷电冲击放电特性确定并联间隙的结构和形状，使得并联间隙的放电电压低于绝缘子串的放电电压。

电场强度分布获取模块62，用于获取雷电冲击放电特性获取模块确定的并联间隙的各个部位的电场强度分布，根据电场强度分布确定并联间隙的结构和形状，使得并联间隙均匀了绝缘子串附近的工频电场。

例如，电场强度分布获取模块62可以根据绝缘子串和并联间隙的结构参数建立绝缘子串安装并联间隙的三维几何模型，采用自由三角形网格剖分技术，通过考虑曲率及特性相似，对几何模型进行合适的网格剖分，并对有特殊计算要求的部分进行网格的进一步细分。当绝缘子上、下端部及并联间隙上、下电极预充不同电压时，用有限元方法计算绝缘子表面、端部和并联间隙的电场强度分布。

电场强度分布获取模块62还计算电压分担率，即，每片绝缘子和并联间隙各点的电压占全部电压的比率，比较并联间隙安装前后的电压分担率的差别是否缩小，以检验并联间隙能否改善绝缘子附近的电场强度分布。若安装并联间隙后，电压分担率的差别减小，表明并联间隙有效改善了绝缘子附近的工频电场分布，达到了均压的目的。

仿真电弧运动模块63，用于仿真电场强度分布获取模块确定的并联间隙上的工频电弧运动特性，根据工频电弧运动特性确定并联间隙的结构和形状，使得工频电弧能以预定速度转移到并联间隙的端部，并固定在并联间隙的端部燃烧。

在通过仿真电弧运动模块进行仿真试验时可以看出，上下电极倾角为零的并联间隙装置比上下电极有一定倾角的并联间隙装置具有更强的“导弧”性能。另外，由于间隙的距离没有改变，因此，其与绝缘子串的绝缘配合几乎不变，只不过均压性能可能有所降低。如果对并联间隙装置均压性能不做较多要求，并且安装形式满足要求，无疑上下电极倾角为零的并联间隙装置结构是一个比较优化的结构。

电弧运动模型建立模块64，用于根据仿真电弧运动模块确定的并联间隙的结构和形状，确定并联间隙的空间磁场分布，采用电弧分段模型模拟工频电弧的弧根和弧柱在空间磁场与风力的作用下的运动过程以建立并联间隙的电弧运动模型。

电弧运动模型建立模块64可以根据下述原理建立电弧运动模型：并联间隙流过工频短路电流产生的磁场虽然属于动态场，但是由于频率比较低(约为50Hz)，所以可以作为准静态场处理。短路电弧所处位置的磁场，主要由电极、横担、杆塔、架空导线等导体以及电弧本身的电流提供。根据积分方程法，利用毕奥-萨伐尔定律直接对电流源区进行积分，可以得到电弧所处位置的磁场。并联间隙交流电弧的电流主要流过电弧、电极、横担、杆塔、导线(包括避雷线以及连接金具)等，其中，并联间隙电极、导线及电弧具有圆柱体形状，横担、杆塔和连接金具等一般具有长方体形状，磁场的积分公式可以为圆柱体和长方体两种形状的电流源区分别进行计算。

电弧运动过程比较模块65，用于利用电弧运动模型建立模块建立的电弧运动模型，对由并联间隙的各种不同结构和形状所产生的电弧运动特性进行仿真，根据并联间隙的各种不同结构和形状对电弧运动过程的影响确定并联间隙的结构和形状。

图7是本发明系统的第二实施例的结构示意图。

如图7所示，与图6中的实施例相比，该实施例还可以包括：并联间隙距离调整模块71，用于利用雷电冲击试验测量电弧运动过程比较模块确定的并联间隙的冲击放电电压U_50％，调整并确定并联间隙的最大间隙距离；伏秒特性获取模块72，用于分别获取绝缘子串自身和绝缘子串安装并联间隙后的伏秒特性，根据伏秒特性调整并联间隙距离调整模块确定的并联间隙的结构和形状，使得绝缘子串安装并联间隙后的伏秒特性低于绝缘子串自身的伏秒特性；转移速度验证模块73，用于通过工频大电流燃弧试验验证由雷击引起的工频续流电弧能否按预定速度转移到伏秒特性获取模块确定的并联间隙的端部并固定在并联间隙的端部燃烧，以调整并联间隙的结构和形状；并联间隙材料检验模块74，用于通过工频大电流燃弧试验检验伏秒特性获取模块确定的并联间隙的材料的电弧烧灼耐受程度，以确定并联间隙材料是否能耐受多次大电流电弧灼烧。

图8是本发明系统的第三实施例的结构示意图。

如图8所示，与图7中的实施例相比，该实施例还可以包括：跳闸率比较模块81，用于比较安装转移速度验证模块确定的并联间隙前后的线路的雷击跳闸率来确定并联间隙的结构和形状对线路的雷击跳闸率的影响，以调整并联间隙的结构和形状；跳闸率校核模块82，用于采用冲击放电电压U_50％的试验数据，选择最易跳闸的杆塔结构，根据安装跳闸率比较模块确定的并联间隙后的线路遭受反击和绕击所造成的跳闸次数之和是否满足预定雷击跳闸率来调整并联间隙的结构和形状。

在本发明系统的另一实施例中，与图7相比，该实施例还可以包括电弧转移速度计算模块，用于在工频大电流燃弧试验中，通过拍摄获得伏秒特性获取模块确定的并联间隙的各种不同结构和形状下的电弧运动过程来计算工频电弧的运动速度以确定工频电弧能否按预定速度转移至并联间隙的端部，根据并联间隙的各种不同形状对电弧运动速度的影响来调整并联间隙的结构和形状。

对根据电弧转移速度计算模块调整后的并联间隙进行试验可以看出，在电弧运动中，交流电弧阴极弧根停滞不前，一直灼烧间隙电极，阳极弧根会在磁场力的作用下向前运动。短路电弧在并联间隙电极上留下的运动轨迹，由一个圆斑接一个圆斑组成，由于阴极弧根在工频半个周期内停滞不前，造成电极表面金属熔化，从而留下一个圆斑；在下半个周期内，阴极弧根变为阳极弧根，阳极弧根从一个圆斑所在位置运动到相邻下一个圆斑所在位置；再在接下来的半个周期内，阳极弧根变为阴极弧根，又停滞不前并造成电极表面金属熔化留下圆斑，由此弧根在阴极弧根和阳极弧根不断转变的过程中，规则的向前运动。所以，根据阴、阳极弧根交替灼烧并联间隙电极留下的圆斑间距，与交流电弧半个工频周期的时间之比，确定电弧弧根在电极上的运动速度。

由上述分析可知，由于交流电弧的阴、阳极弧根交替变换，电弧弧根在电极上留下的圆斑应规则向前运动，直至达到电极端部。若电极结构设计流畅，圆斑间距越大，电弧运动速度越快，利于电弧快速向端部运动。当出现圆斑间距过小或停滞不前时，需改进优化电极结构，加快电弧运动速度，保护输电线路绝缘子免于电弧灼烧。

在上述系统的实施例中，预定速度大于或等于1m/s。

根据上述实施例能够研制出满足系统要求和防止绝缘子串遭受雷电冲击的并联间隙，使输电线路的雷击跳闸率达到工程要求，同时又降低了输电线路的事故率，消除了现场运行人员的心理隐患。

图9是根据本发明设计的并联间隙的结构示意图。

如图9所示，该并联间隙是按照上述实施例而设计的防雷保护装置，其由上电极91和下电极92组成，绝缘子串91位于上电极和下电极之间。上电极通过专用球头挂板连接在杆塔上，下电极通过专用碗头挂板与导线连接。其中，Z为并联间隙的距离，Z₀为绝缘子串的干弧距离。

通常，并联间隙上电极均采用针型，下电极采用针型、椭圆型或U型。试验研究表明，不同形状电极构成的间隙在雷电放电电压(U_50％)与放电路径方面，无明显差别。并联间隙电极形状初步确定如下：上电极采用针型，端部上翘，如此设计使并联间隙的距离Z值不会因上电极端部的烧蚀而改变。并联间隙的下电极端部或采用球形，以增加其耐电弧烧蚀的能力，随电压等级的提高和短路电流的增加，下电极可设计为带豁口的椭圆形，豁口实现分流、避免电弧转移速度太慢。并联间隙的电极形状设计流畅，没有小角度弯曲，以确保电弧移动过程中的速度。

为了避免因装设并联间隙而导致线路雷击跳闸率的大幅度增加，Z/Z₀不应小于75％。并联间隙的距离Z值由Z₀减去间隙上下电极分别短接绝缘子串的高度而得到，应根据绝缘子串的实际片数及预期的雷电跳闸率指标，经过核算确定。

如下述表2所示，通过计算分析并联间隙的结构可以确定绝缘子串被短接的片数分别为：例如，35kV短接0.5～1片；110kV短接1～1.5片；220kV短接2片等。

绝缘子串类型	绝缘子串长度Z0/mm	短接片数/片	并联间隙距离Z/mm	Z/Z0
					35kV垂直串	146×3	0.5	146×2.5	0.833
35kV耐张串	146×4	1	146×3	0.75
					110kV垂直串	146×9	1.5	146×7.5	0.833
110kV耐张串	146×9	1.5	146×7.5	0.833
					220kV悬垂串	146×16	2	146×14	0.875
220kV耐张串	146×15	2	146×13	0.867

表2

对并联间隙进行雷电冲击试验，雷电波的放电时间一般在16～20μs范围内，通过试验观察，雷电闪烙路径都发生在并联间隙电极的端部，测量得到的不同类型绝缘子串及其安装并联间隙后的放电电压值参见下述表3。

绝缘子串类型	绝缘子串长度/m	绝缘子串放电电压/kV	并联间隙距离/m	并联间隙放电电压/kV
					35kV垂直串	0.438	366	0.292	210

绝缘子串类型	绝缘子串长度/m	绝缘子串放电电压/kV	并联间隙距离/m	并联间隙放电电压/kV
					35kV垂直串	0.438	366	0.365	270
35kV垂直串	0.438	366	0.438	290
					110kV垂直串	1.32	813	1.15	679
110kV耐张串	1.32	794	1.05	617
					220kV悬垂串	2.05	1238	/	/
220kV悬垂串	2.38	1344	2.12	1211
					220kV耐张串	1.90	1185	/	/
220kV耐张串	2.19	1291	1.85	1157

表3

图10是绝缘子串及其安装并联间隙的伏秒特性曲线示意图。

通过伏秒特性试验检验雷电冲击波陡度的变化对并联间隙闪络电压及放电路径的影响，绝缘子串的伏秒特性曲线和绝缘子串安装并联间隙后的伏秒特性曲线如图10所示。在图10中，连续的曲线表示未安装并联间隙的绝缘子串的放电电压随时间变化的情况，非连续的曲线表示安装并联间隙的绝缘子串的放电电压随时间变化的情况下，从该图中可以看出，并联间隙与绝缘子串实现了较好的绝缘配合，绝大多数情况下并联间隙都能形成放电通道，有效保护绝缘子串免于烧损。

大短路电流的工频电弧试验结果表明，即使雷电冲击闪络发生在绝缘子串表面，并联间隙也有较好的引弧作用，能将电弧迅速从绝缘子串转移至并联间隙电极之间，并向外吹散，导线和绝缘子串无异常。试验后的间隙上下电极有一定的烧蚀，但应可保证至少连续灼烧3～5次而仍不改变并联间隙的距离Z值。

雷击跳闸率的计算采用规程DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》推荐的方法，以同塔架设4回220kV线路和2回110kV线路的雷击跳闸率为例，计算结果如下述表4所示。由于杆塔较高，同塔6回输电线路的雷击跳闸率高于普通线路，若线路不长，线路雷击跳闸次数可被接受。结果比较发现，安装并联间隙后每100km每年的跳闸率比未安装前增加了0.3～1.7次，满足工程要求。

表4

表4中的分子是绕击建弧率，分母是反击建弧率。由于反击闪络均是两回110kV线路先闪络，220kV线路才闪络，220kV线路实际的反击建弧率为η_110kV ²·η_220kV。

通过上述计算分析、试验验证和校核雷击跳闸率的步骤设计绝缘子串并联间隙，从仿真和试验的角度，充分考虑工频电弧在并联间隙上的运动特性，使并联间隙的结构和形状真正达到引弧且保护绝缘子免于灼烧的目标。可见，本发明不仅具有充实的理论基础，且经得起现场实际运行的考验，完全满足工程实施的要求，具有较广阔的应用前景。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种确定架空输电线路绝缘子串并联间隙的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取绝缘子串并联间隙的雷电冲击放电特性，根据所述雷电冲击放电特性确定所述并联间隙的结构和形状，使得所述并联间隙的放电电压低于绝缘子串的放电电压；

获取所述并联间隙的各个部位的电场强度分布，根据所述电场强度分布确定所述并联间隙的结构和形状，使得所述并联间隙均匀所述绝缘子串附近的工频电场；

仿真所述并联间隙上的工频电弧运动特性，根据所述工频电弧运动特性确定所述并联间隙的结构和形状，使得所述工频电弧能以预定速度转移到所述并联间隙的端部，并固定在所述并联间隙的端部燃烧；

根据所述并联间隙的结构和形状，确定所述并联间隙的空间磁场分布，采用电弧分段模型模拟所述工频电弧的弧根和弧柱在所述空间磁场与风力的作用下的运动过程以建立所述并联间隙的电弧运动模型；

利用所述电弧运动模型，对由所述并联间隙的各种不同结构和形状所产生的电弧运动特性进行仿真，根据所述并联间隙的各种不同结构和形状对电弧运动过程的影响来确定所述并联间隙的结构和形状。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用雷电冲击试验测量所述并联间隙的冲击放电电压U_50％，调整并确定所述并联间隙的最大间隙距离；

分别获取绝缘子串自身和所述绝缘子串安装所述并联间隙后的伏秒特性，根据所述伏秒特性调整所述并联间隙的结构和形状，使得所述绝缘子串安装所述并联间隙后的伏秒特性低于所述绝缘子串自身的伏秒特性；

通过工频大电流燃弧试验验证由雷击引起的工频续流电弧能否按所述预定速度转移到所述并联间隙的端部并固定在所述并联间隙的端部燃烧，以调整所述并联间隙的结构和形状；

通过所述工频大电流燃弧试验检验并联间隙材料的电弧烧灼耐受程度，以确定所述并联间隙材料是否能耐受多次大电流电弧灼烧。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述工频大电流燃弧试验中，通过拍摄获得所述并联间隙的各种不同结构和形状下的电弧运动过程来计算所述工频电弧的运动速度以确定所述工频电弧能否按所述预定速度转移至所述并联间隙的端部，根据所述并联间隙的各种不同形状对所述电弧运动速度的影响来调整所述并联间隙的结构和形状。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

比较安装所述并联间隙前后的线路的雷击跳闸率来确定所述并联间隙的结构和形状对所述线路的雷击跳闸率的影响，以调整所述并联间隙的结构和形状；

采用所述冲击放电电压U_50％的试验数据，选择最易跳闸的杆塔结构，根据安装所述并联间隙后的线路遭受反击和绕击所造成的跳闸次数之和是否满足预定雷击跳闸率来调整所述并联间隙的结构和形状。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定速度大于或等于1m/s。

6.一种确定架空输电线路绝缘子串并联间隙的系统，其特征在于，所述系统包括：

雷电冲击放电特性获取模块，用于获取绝缘子串并联间隙的雷电冲击放电特性，根据所述雷电冲击放电特性确定所述并联间隙的结构和形状，使得所述并联间隙的放电电压低于绝缘子串的放电电压；

电场强度分布获取模块，用于获取所述雷电冲击放电特性获取模块确定的所述并联间隙的各个部位的电场强度分布，根据所述电场强度分布确定所述并联间隙的结构和形状，使得所述并联间隙均匀了所述绝缘子串附近的工频电场；

仿真电弧运动模块，用于仿真所述电场强度分布获取模块确定的所述并联间隙上的工频电弧运动特性，根据所述工频电弧运动特性确定所述并联间隙的结构和形状，使得所述工频电弧能以预定速度转移到所述并联间隙的端部，并固定在所述并联间隙的端部燃烧；

电弧运动模型建立模块，用于根据所述仿真电弧运动模块确定的所述并联间隙的结构和形状，确定所述并联间隙的空间磁场分布，采用电弧分段模型模拟所述工频电弧的弧根和弧柱在所述空间磁场与风力的作用下的运动过程以建立所述并联间隙的电弧运动模型；

电弧运动过程比较模块，用于利用所述电弧运动模型建立模块建立的所述电弧运动模型，对由所述并联间隙的各种不同结构和形状所产生的电弧运动特性进行仿真，根据所述并联间隙的各种不同结构和形状对电弧运动过程的影响确定所述并联间隙的结构和形状。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

并联间隙距离调整模块，用于利用雷电冲击试验测量所述电弧运动过程比较模块确定的所述并联间隙的冲击放电电压U_50％，调整并确定所述并联间隙的最大间隙距离；

伏秒特性获取模块，用于分别获取绝缘子串自身和所述绝缘子串安装所述并联间隙后的伏秒特性，根据所述伏秒特性调整所述并联间隙距离调整模块确定的所述并联间隙的结构和形状，使得所述绝缘子串安装所述并联间隙后的伏秒特性低于所述绝缘子串自身的伏秒特性；

转移速度验证模块，用于通过工频大电流燃弧试验验证由雷击引起的工频续流电弧能否按所述预定速度转移到所述伏秒特性获取模块确定的所述并联间隙的端部并固定在所述并联间隙的端部燃烧，以调整所述并联间隙的结构和形状；

并联间隙材料检验模块，用于通过所述工频大电流燃弧试验检验所述伏秒特性获取模块确定的所述并联间隙的材料的电弧烧灼耐受程度，以确定所述并联间隙材料是否能耐受多次大电流电弧灼烧。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

电弧转移速度计算模块，用于在所述工频大电流燃弧试验中，通过拍摄获得所述伏秒特性获取模块确定的所述并联间隙的各种不同结构和形状下的电弧运动过程来计算所述工频电弧的运动速度以确定所述工频电弧能否按所述预定速度转移至所述并联间隙的端部，根据所述并联间隙的各种不同形状对所述电弧运动速度的影响来调整所述并联间隙的结构和形状。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

跳闸率比较模块，用于比较安装所述转移速度验证模块确定的所述并联间隙前后的线路的雷击跳闸率来确定所述并联间隙的结构和形状对所述线路的雷击跳闸率的影响，以调整所述并联间隙的结构和形状；

跳闸率校核模块，用于采用所述冲击放电电压U_50％的试验数据，选择最易跳闸的杆塔结构，根据安装所述跳闸率比较模块确定的所述并联间隙后的线路遭受反击和绕击所造成的跳闸次数之和是否满足预定雷击跳闸率来调整所述并联间隙的结构和形状。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的系统，其特征在于，所述预定速度大于或等于1m/s。

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