CN103245826A - 配电线路雷电感应电压确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种配电线路雷电感应电压确定方法及系统，该方法包括步骤：检测雷电流峰值；采用雷电流波形模型对所述雷电流峰值进行处理，确定第一雷电流i(t)；根据检测的被观察点距离地面的高度z、所述第一雷电流i(t)进行雷电回击模型处理，确定第二雷电流i(z，t)；根据检测的被观测点与雷电流通道之间的距离r、检测的被观察点距离地面的高度z、雷电流通道的总长度H、所述第二雷电流i(z，t)，进行电磁场传播模型处理，确定雷电流所产生的水平电场、垂直电场以及水平磁场；对所述水平电场、垂直电场以及水平磁场进行场线耦合模型处理，确定雷电流在线路上感应产生的总电压。本发明方案实现了对感应过电压的准确分析，提高了雷电感应过电压分析的准确性。

Description

配电线路雷电感应电压确定方法及系统

技术领域

本发明涉及电网技术领域，特别涉及一种配电线路雷电感应电压确定方法、一种配电线路雷电感应电压确定系统。

背景技术

在电网系统中，雷电过电压是造成电力系统故障的一个重要原因。对于低压配电网系统来说，在很多情形下，雷电过电压是由于雷击线路附近、从而在架空线上进行感应而产生的，因此，开展配电线路雷电感应过电压的研究，有利于进一步的了解架空线雷电感应过电压这一现象，理解它形成的机理以及它发生的规律，进而可以对配电网架空线路进行更为合理的结构设计，采取行之有效的防护措施，控制由于雷电感应过电压造成的跳闸事故，提高供电可靠性。

在目前针对雷电感应过电压产生原因的理论中，源自于20世纪上半叶的束缚电荷学说认为，在配电线路上方负极性雷云中积累的负电荷会在配电线路上感应产生正极性的电荷，在雷电负电荷以及配电线路感应正电荷的综合作用下，配电线路相对于地面的电位为零，而当雷击发生时，雷云中的负电荷被中和，配电线路上感应产生的正电荷此时产生一个相对于地面的感应电压。另外一种理论认为，雷电的先导发展过程是导致配电线路过电压的主要原因，但是和回击过程相比较，先导产生的雷电感应过电压成分相对较小。基于先进的测量手段以及高品质的试验数据，当代的雷电感应过电压理论认为，首先雷电在云层和地面之间产生雷电通道，发生回击过程时，在通道中形成回击电流，回击电流又进一步在空间感应产生电磁场，感应产生的电磁场最终耦合到线路上形成感应过电压。

在目前已有的这些雷电感应过电压产生的理论中，都仅仅从一方面对雷电感应过电压的产生进行了描述，并不能实现对配电线路雷电感应过电压的准确分析。

发明内容

基于此，针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种配电线路雷电感应电压确定方法、一种配电线路雷电感应电压确定系统，其可以提高雷电感应过电压分析的准确性。

为达到上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一种配电线路雷电感应电压确定方法，包括步骤：

检测雷电流峰值；

采用雷电流波形模型对所述雷电流峰值进行处理，确定第一雷电流i(t)；

根据检测的被观察点距离地面的高度z、所述第一雷电流i(t)进行雷电回击模型处理，确定第二雷电流i(z,t)；

根据检测的被观测点与雷电流通道之间的距离r、检测的被观察点距离地面的高度z、雷电流通道的总长度H、所述第二雷电流i(z,t)，进行电磁场传播模型处理，确定雷电流所产生的水平电场、垂直电场以及水平磁场；

对所述水平电场、垂直电场以及水平磁场进行场线耦合模型处理，确定雷电流在线路上感应产生的总电压。

一种配电线路雷电感应电压确定系统，包括：

峰值检测单元，用于检测雷电流峰值；

雷电流波形处理单元，用于采用雷电流波形模型对所述雷电流峰值进行处理，确定第一雷电流i（t）；

回击处理单元，用于根据检测的被观察点距离地面的高度z、所述雷电流i(t)进行雷电回击模型处理，第二雷电流i(z,t)；

电磁场传播处理单元，用于根据检测的被观测点与雷电流通道之间的距离r、检测的被观察点距离地面的高度z、雷电流通道的总长度H、第二雷电流i(z,t)，进行电磁场传播模型处理，确定雷电流所产生的垂直电场、水平电场以及水平磁场；

场线耦合处理单元，用于对所述垂直电场、水平电场以及水平磁场进行场线耦合模型处理，确定雷电流在线路上感应产生的总电压。

根据本发明实施例中的雷电感应过电压确定方案，在检测测量雷电流峰值之后，基于该雷电流峰值，是依次采用雷电流波形模型、雷电回击模型、电磁场传播模型、场线耦合模型进行处理，考虑了影响雷电感应过电压、雷电电流的各种情况，实现了对感应过电压的准确分析，提高了雷电感应过电压分析的准确性。

附图说明

图1是本发明的配电线路雷电感应电压确定方法实施例一的流程示意图；

图2是本发明的配电线路雷电感应电压确定方法实施例二的流程示意图；

图3是本发明的配电线路雷电感应电压确定系统实施例一的结构示意图；

图4是本发明的配电线路雷电感应电压确定系统实施例二的结构示意图。

具体实施方式

以下结合其中的较佳实施方式非本发明方案进行详细说明。在下述说明中，是先针对本发明的配电线路雷电感应电压确定方法的各实施例进行说明，再针对本发明的配电线路雷电感应电压确定系统的各实施例进行说明。

实施例一

图1中示出了本发明的配电线路雷电感应电压确定方法实施例一的流程示意图。在图1所示中，是以未考虑先导发展过程的影响为例进行说明。

如图1所示，本实施例一中的方法包括步骤：

步骤S101：检测雷电流峰值；

步骤S102：采用雷电流波形模型对所述雷电流峰值进行处理，确定第一雷电流i(t)；

步骤S103：根据检测的被观察点距离地面的高度z、所述第一雷电流i(t)进行雷电回击模型处理，确定第二雷电流i(z,t)；

步骤S104：根据检测的被观测点与雷电流通道之间的距离r、检测的被观察点距离地面的高度z、雷电流通道的总长度H、第二雷电流i(z,t)，进行电磁场传播模型处理，确定雷电流所产生的垂直电场、水平电场以及水平磁场；

步骤S105：对所述垂直电场、水平电场以及水平磁场进行场线耦合模型处理，确定雷电流在线路上感应产生的总电压。

根据本发明实施例中的配电线路雷电感应电压确定方法，在检测测量雷电流峰值之后，基于该雷电流峰值，是依次采用雷电流波形模型、雷电回击模型、电磁场传播模型、场线耦合模型进行处理，考虑了影响雷电感应过电压、雷电电流的各种情况，实现了对感应过电压的准确分析，提高了雷电感应过电压分析的准确性。

在具体实施本发明实施例中的配电线路雷电感应电压确定方法时，在其中一个具体示例中，上述雷电流波形模型可以采用Heidler雷电流波形模型，上述雷电回击模型可以采用MTLE雷电回击模型，上述电磁场传播模型可以采用Cooray-Rubinstein电磁场传播模型，上述场线耦合模型可以采用Agrawal场线耦合模型。

以下以采用Heidler雷电流波形模型、MTLE雷电回击模型、Cooray-Rubinstein电磁场传播模型、Agrawal场线耦合模型为例，就本发明实施例的其中一个具体实现方式进行详细说明。

本发明实施例的方案在具体实施时，需先检测测量雷电流峰值。具体测量雷电流峰值的方式可以采用目前已有以及以后可能出现的任何方式进行，在此不予穷举和赘述。

在检测测量到雷电流峰值后，采用Heidler雷电流波形模型对该雷电流峰值进行处理，确定雷电流i(t)，在此称为第一雷电流i(t)。其中，具体的Heidler雷电流波形模型可以是如下式（1）所述：

$i\left(t\right)=\frac{I_{\mathrm{peak}}}{\mathrm{\η}}(\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_2)-\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_1))---\left(1\right)$

上式（1）中，I_peak为雷电流峰值，τ₁为与雷电流上升速度有关的变量，τ₂为与雷电流衰减速度有关的变量，η为电流峰值修正系数。该电流峰值修正系数η可以采用下式（2）确定：

$\mathrm{\η}=\exp \left({\frac{-{\mathrm{\τ}}_1}{{\mathrm{\τ}}_2}({\mathrm{n\τ}}_2/{\mathrm{\τ}}_1)}^{\frac{1}{n+1}}\right)---\left(2\right)$

式中，n表示与雷电流波前陡度有关的变量，雷电流的波前越陡，n越大。

上述变量参数τ₁、τ₂、n的具体值，可以基于实际需要人工确定后手动输入，或者也可以是基于相关标准进行确定后手动输入，在此不予详加赘述。

在获得雷电流i(t)后，根据该雷电流i(t)采用MTLE雷电回击模型进行处理，以确定考虑雷电回击的雷电流i(z,t)，在此称为第二雷电流i(z,t))。具体的MTLE雷电回击模型可以是如下式（3）所述：

$i(z,t)=u(t-\frac{z}{v_f})P\left(z\right)i(0,t-\frac{z}{v})---\left(3\right)$

式中，z表示被观察点距离地面的高度，

为Heaviside函数，当时，u=1，否则u=0，P(z)表示与高度z有关的修正参数，v_f是雷电流通道的发展速度，v是雷电流通道里电流的传播速度。

其中，被观察点距离地面的高度z可以通过测量得到，v_f的值可以人为确定或者基于相关标准来确定，P(z)、v的取值可分别为exp(-z/λ)和v_f。

在得到考虑了雷电回击的雷电流i(z,t)后，采用Cooray-Rubinstein电磁场传播模型进行处理，以确定雷电流所产生的垂直电场、水平电场以及水平磁场。

在考虑理想大地的情况下，垂直电场E_Z、水平电场E_P以及水平磁场H_P分别可以通过下式（4）、（5）、（6）确定：

$E_Z(r,z,t)=\frac{1}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}({\∫}_{-H}^H\frac{2{(z-z_0)}^2{-r}^2}{R^5}{\∫}_0^{t}i(z_0,\mathrm{\τ}-\frac{R}{c})\mathrm{d\τd}{z}_0+{\∫}_{-H}^H\frac{2{(z-z_0)}^2-r^2}{{\mathrm{cR}}^4}i(z_0,t-$ $\frac{R}{c}){\mathrm{dz}}_0-{\∫}_{-H}^H\frac{r^2}{c^2{R}^3}\frac{\∂i(z_0,t-R/c)}{\∂t}{\mathrm{dz}}_0)---\left(4\right)$

$E_P(r,z,t)=\frac{1}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}({\∫}_{-H}^H\frac{3r(z-z_0)}{R^5}{\∫}_0^{t}i(z_0,\mathrm{\τ}-\frac{R}{c})\mathrm{d\τ}{\mathrm{dz}}_0+{\∫}_{-H}^H\frac{3r(z-z_0)}{{\mathrm{cR}}^4}i(z_0,t-$ $\frac{R}{c}){\mathrm{dz}}_0+{\∫}_{-H}^H\frac{r(z-z_0)}{c^2{R}^3}\frac{\∂i(z_0,t-R/c)}{\∂t}{\mathrm{dz}}_0)---\left(5\right)$

$H_P(r,z,t)=\frac{1}{4\mathrm{\π}}({\∫}_{-H}^H\frac{r}{R^3}i(z_0,t-\frac{R}{c}){\mathrm{dz}}_0+{\∫}_{-H}^H\frac{r}{{\mathrm{cR}}^2}\frac{\∂i(z_0,t-R/c)}{\∂t}{\mathrm{dz}}_0)---\left(6\right)$

式中，E_Z(r,z,t)表示垂直电场，E_P(r,z,t)表示水平电场，H_P(r,z,t)表示水平磁场，r表示被观测点和雷电流通道之间的距离，z表示被观测点的高度，z₀表示雷电流通道上正被计算的那一点的高度，R表示为正被计算的那一点和被观测点之间的距离，H表示雷电流通道的总长度。

其中，被观测点的高度z、雷电流通道上正被计算的那一点的高度z₀、正被计算的那一点和被观测点之间的距离R、雷电流通道的总长度H可以通过实际测量得到。其他参数，可以基于实际需要人工确定后手动输入，或者也可以是基于相关标准进行确定后手动输入，在此不予详加赘述。

在实际工程计算中，可以认为垂直电场E_Z(r,z,t)受到的影响不大，当被观测点距离雷电流比较近的时候，水平电场E_P(r,z,t)受到的影响也不大，因而可以直接上述式（4）、（5）分别对垂直电场E_Z(r,z,t)、水平电场E_P(r,z,t)进行计算。

然而，当被观测点距离雷电流通道较远时，可认为水平电场E_P(r,z,t)和垂直电场E_Z(r,z,t)之间在频域上满足下式（7）：

$\frac{E_p\left(\mathrm{j\ω}\right)}{E_z\left(\mathrm{j\ω}\right)}=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rg}}+{\mathrm{\σ}}_g/\mathrm{j\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0}}---\left(7\right)$

式中，σ_g表示大地的电导率，ε_rg表示大地的相对电容率，σ_g和ε_rg的具体值可以基于需要设定为常数。

据此，在上述基础上，可以给出考虑非理想大地雷电流所产生的水平电场的计算方式，即水平电场E_P(r,z,t)可以通过下式（8）确定：

$E_p(r,z,\mathrm{j\ω})=E_z(r,z,\mathrm{j\ω})-H_P(r,0,\mathrm{j\ω})\frac{{\mathrm{c\μ}}_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rg}}+{\mathrm{\σ}}_g/\mathrm{j\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0}}---\left(8\right)$

基于上述得到的垂直电场E_Z、水平电场E_P以及水平磁场H_P，可采用Agrawal场线耦合模型进行处理，以确定雷电流在线路上感应产生的总电压。

在理想大地的情况下，基于Maxwell方程组的积分形式，Taylor模型的方程式可如下式（9）、（10）所示：

$\frac{{\∂u}^s(x,t)}{\∂x}+L\frac{\∂i(x,t)}{\∂t}=-\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_0^h{B}_r(x,z,t)\mathrm{dz}---\left(9\right)$

$\frac{\∂i(x,t)}{\∂x}+C\frac{\∂u^s(x,t)}{\∂t}=-C\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_0^h{E}_r(x,z,t)\mathrm{dz}---\left(10\right)$

其中h表示线路距离地面的高度，E_r(x,z,t)表示上述水平电场的强度，B_r(x,z,t)表示水平方向的磁场强度，u^s(x,t)表示水平电场产生的分布电压，i(x,t)表示在线路分布的电流，L和C表示线路的电感和电容。

根据Maxwell方程式：

$\frac{\∂}{\∂t}{\∫}_0^h{B}_r(x,z,t)\mathrm{dz}=-E_r(x,h,t)+\frac{\∂}{\∂x}{\∫}_0^h{E}_z(x,z,t)\mathrm{dz}---\left(11\right)$

将式（11）代入上述式（9）、式（10），就可以将Taylor模型的方程式改写成为Agrawal模型的方程式，分别如下述式（12、（13）所示：

$\frac{{\∂u}^s(x,t)}{\∂x}+L\frac{\∂i(x,t)}{\∂t}=E_r(x,h,t)---\left(12\right)$

$\frac{\∂i(x,t)}{\∂x}+C\frac{{\∂u}^s(x,t)}{\text{\∂t}}=0---\left(13\right)$

从而，雷电流在线路上感应产生的总电压u可以通过下式（14）计算：

$u(x,t)=u^s(x,t)-{\∫}_0^h{E}_z(x,z,t)\mathrm{dz}---\left(14\right)$

其中

是垂直电场产生的感应电压。

上述计算均是在理想大地的情况下进行的，当考虑大地以及线路损耗时，Agrawal模型在时域下的表达式变换为下式（15）、（16）：

$\frac{{\∂u}^s(x,t)}{\∂x}+L\frac{\∂i(x,t)}{\∂t}{+\∫}_0^t\mathrm{\ϵ}(t-\mathrm{\τ})\frac{\∂i(x,\mathrm{\τ})}{\∂\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ}=E_r(x,h,t)---\left(15\right)$

$\frac{\∂i(x,t)}{\∂x}+{\mathrm{Gu}}^s(x,t)+C\frac{{\∂u}^s(x,t)}{\∂t}=0---\left(16\right)$

其中G表示线路的电导，ε(t)表示土壤的瞬态电阻，而前者是空气电导率与介电常数的商乘以线路的电容，后者是大地的阻抗除以jw的傅里叶逆变换。

对于由上述式（15）、（16）组成的方程求解，就可以求得相应的配电线路上的雷电感应过电压值，然而这样的方程并不存在一个表达式解，因而可以采用一定的数值计算方法进行求解，具体的数值计算方式，可以采用各种可能的方式进行。一般情况下，可以采用有限时域差分法方法进行求解。具体的求解方式在此不予详加赘述。

实施例二

图2中示出了本发明的配电线路雷电感应电压确定方法实施例二的流程示意图。在图2所示中，是以考虑了先导发展过程的影响为例进行说明。

如图2所示，本实施例二中的方法包括步骤：

步骤S201：检测雷电流峰值；

步骤S202：采用雷电流波形模型对所述雷电流峰值进行处理，确定第一雷电流i(t)；

步骤S203：根据检测的被观察点距离地面的高度z、所述第一雷电流i(t)进行雷电回击模型处理，确定考虑雷电回击的第二雷电流i(z,t)；

步骤S204：根据先导发展模型确定电荷密度函数ρ(z,t)，并根据该电荷密度函数ρ(z,t)确定先导发展电流；

步骤S205：根据第二雷电流i(z,t)和先导发展电流确定第三雷电流i(z,t)；

步骤S206：根据检测的被观测点与雷电流通道之间的距离r、检测的被观察点距离地面的高度z、雷电流通道的总长度H、第三雷电流i(z,t)，进行电磁场传播模型处理，确定雷电流所产生的垂直电场、水平电场以及水平磁场；

步骤S207：对所述垂直电场、水平电场以及水平磁场进行场线耦合模型处理，确定雷电流在线路上感应产生的总电压。

根据本发明实施例中的配电线路雷电感应电压确定方法，考虑到先导发展过程的影响，在检测测量雷电流峰值之后，基于该雷电流峰值，是依次采用雷电流波形模型、雷电回击模型、先导发展模型、电磁场传播模型、场线耦合模型进行处理，考虑了影响雷电感应过电压、雷电电流的各种情况，实现了对感应过电压的准确分析，提高了雷电感应过电压分析的准确性。

在具体实施本发明实施例中的配电线路雷电感应电压确定方法时，在其中一个具体示例中，上述雷电流波形模型可以采用Heidler雷电流波形模型，上述雷电回击模型可以采用MTLE雷电回击模型，上述电磁场传播模型可以采用Cooray-Rubinstein电磁场传播模型，上述场线耦合模型可以采用Agrawal场线耦合模型。

而在考虑先导发展模型时，尽管先导过程并不包含于回击过程，但在本发明实施例中，可以采用与回击过程类似的计算模型来描述雷电活动的先导发展过程。首先，雷云中积累了总电荷量为Q的电荷，形成的先导以恒定的速度v向下发展，到达地面以后，立即发生发展速度更快的回击过程。

据此，在本发明实施例中，先导发展模型可如下式（17）所示：

$\mathrm{\ρ}(z,t)={\mathrm{\ρ}}_{0}u(t-\frac{H-z}{v})-{\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{vt\δ}(H-z)u\left(t\right)---\left(17\right)$

式（17）中，ρ(z,t)表示电荷密度函数，u(t)是Heaviside函数，δ(t)是Dirac函数，在时域上的积分等于1，且当t≠0时，δ(t)=0，v表示先导发展的速度，ρ₀是电荷密度常数。

根据上述得到的电荷密度ρ(z,t)，可以确定出相应的先导发展电流i(z,t)。根据第二雷电流i(z,t)和先导发展电流，可综合确定出第三雷电流i(z,t)，具体的综合确定方式可以采用各种可能的方式进行，在此不予详加赘述。基于得到的第三雷电流i(z,t)，依次采用Cooray-Rubinstein电磁场传播模型、Agrawal场线耦合模型进行处理，即可得到雷电流在线路上产生的总电压。具体的处理方式可与上述实施例一中的相同，在此不予详加赘述。

根据上述本发明的配电线路雷电感应电压确定方法，本发明还提供一种配电线路雷电感应电压确定系统。以下针对本发明的配电线路雷电感应电压确定系统的实施例进行说明。

实施例一：

图3中示出了本发明的配电线路雷电感应电压确定系统实施例一的结构示意图。在图3所示中，是以未考虑先导发展过程的影响为例进行说明。

如图3所示，本实施例一中的系统包括：

峰值检测单元301，用于检测雷电流峰值；

雷电流波形处理单元302，用于采用雷电流波形模型对所述雷电流峰值进行处理，确定第一雷电流i（t）；

回击处理单元303，用于根据检测的被观察点距离地面的高度z、所述第一雷电流i(t)进行雷电回击模型处理，第二雷电流i(z,t)；

电磁场传播处理单元304，用于根据检测的被观测点与雷电流通道之间的距离r、检测的被观察点距离地面的高度z、雷电流通道的总长度H、第二雷电流i(z,t)，进行电磁场传播模型处理，确定雷电流所产生的垂直电场、水平电场以及水平磁场；

场线耦合处理单元305，用于对所述垂直电场、水平电场以及水平磁场进行场线耦合模型处理，确定雷电流在线路上感应产生的总电压。

根据本发明实施例中的雷电感应过电压确定系统，在检测测量雷电流峰值之后，基于该雷电流峰值，是依次采用雷电流波形模型、雷电回击模型、电磁场传播模型、场线耦合模型进行处理，考虑了影响雷电感应过电压、雷电电流的各种情况，实现了对感应过电压的准确分析，提高了雷电感应过电压分析的准确性。

在具体实施本发明实施例中的配电线路雷电感应电压确定系统时，在其中一个具体示例中，上述雷电流波形模型可以采用Heidler雷电流波形模型，上述雷电回击模型可以采用MTLE雷电回击模型，上述电磁场传播模型可以采用Cooray-Rubinstein电磁场传播模型，上述场线耦合模型可以采用Agrawal场线耦合模型。

本实施例一中的配电线路雷电感应电压确定系统中的各单元的具体实现方式，可以与上述本发明方法实施例一中的相同，在此不予详加赘述。

实施例二

图4中示出了本发明的配电线路雷电感应电压确定系统实施例二的流程示意图。在图4所示中，是以考虑了先导发展过程的影响为例进行说明。

如图4所示，本实施例二中的系统包括步骤：

峰值检测单元401，用于检测雷电流峰值；

雷电流波形处理单元402，用于采用雷电流波形模型对所述雷电流峰值进行处理，确定第一雷电流i(t)；

回击处理单元403，用于根据检测的被观察点距离地面的高度z、所述第一雷电流i(t)进行雷电回击模型处理，确定考虑雷电回击的第二雷电流i(z,t)；

先导处理单元404，用于根据先导发展模型确定电荷密度函数ρ(z,t)，并根据该电荷密度函数ρ(z,t)确定先导发展电流；

雷电流确定单元405，用于根据第二雷电流i(z,t)和先导发展电流确定第三雷电流i(z,t)；

电磁场传播处理单元406，用于根据检测的被观测点与雷电流通道之间的距离r、检测的被观察点距离地面的高度z、雷电流通道的总长度H、第三雷电流i(z,t)、所述电荷密度函数ρ(z,t)，进行电磁场传播模型处理，确定雷电流所产生的垂直电场、水平电场以及水平磁场；

场线耦合处理单元407，用于对所述垂直电场、水平电场以及水平磁场进行场线耦合模型处理，确定雷电流在线路上感应产生的总电压。

在本实施例二中的配电线路雷电感应电压确定系统中的各单元的具体实现方式，可以与上述本发明方法实施例二中的相同，在此不予详加赘述。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种配电线路雷电感应电压确定方法，其特征在于，包括步骤：

检测雷电流峰值；

采用雷电流波形模型对所述雷电流峰值进行处理，确定第一雷电流i(t)；

根据检测的被观察点距离地面的高度z、所述第一雷电流i(t)进行雷电回击模型处理，确定第二雷电流i(z,t)；

根据检测的被观测点与雷电流通道之间的距离r、检测的被观察点距离地面的高度z、雷电流通道的总长度H、所述第二雷电流i(z,t)，进行电磁场传播模型处理，确定雷电流所产生的水平电场、垂直电场以及水平磁场；

对所述水平电场、垂直电场以及水平磁场进行场线耦合模型处理，确定雷电流在线路上感应产生的总电压。

2.根据权利要求1所述的配电线路雷电感应电压确定方法，其特征在于，还包括步骤：

根据先导发展模型确定电荷密度函数ρ(z,t)，并根据该电荷密度函数ρ(z,t)确定先导发展电流；

根据所述第二雷电流i(z,t)和所述先导发展电流确定第三雷电流i(z,t)；

根据检测的被观测点与雷电流通道之间的距离r、检测的被观察点距离地面的高度z、雷电流通道的总长度H、第三雷电流i(z,t)，进行电磁场传播模型处理，确定雷电流所产生的所述垂直电场、水平电场以及水平磁场。

3.根据权利要求1或2所述的配电线路雷电感应电压确定方法，其特征在于，所述雷电流波形模型为Heidler雷电流波形模型和/或所述雷电回击模型为MTLE雷电回击模型；

所述Heidler雷电流波形模型如下所述：

$i\left(t\right)=\frac{\mathrm{Ipeak}}{\mathrm{\η}}(\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_2)-\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_1))$

其中，i(t)表示第一雷电流i(t)，I_peak为雷电流峰值，τ₁为与雷电流上升速度有关的变量，τ₂为与雷电流衰减速度有关的变量，n表示与雷电流波前陡度有关的变量，雷电流的波前越陡，n越大，

为电流峰值修正系数；

所述MTLE雷电回击模型如下所述：

$i(z,t)=u(t-\frac{z}{v_f})P\left(z\right)I(0,t-\frac{z}{v})$

式中，i(z,t)表示第二雷电流i(z,t)，z表示被观察点距离地面的高度，

为Heaviside函数，当时，u=1，否则u=0，P(z)表示与高度z有关的修正参数，v_f是雷电流通道的发展速度，v是雷电流通道里电流的传播速度。

4.根据权利要求1或2所述的配电线路雷电感应电压确定方法，其特征在于，所述电磁场传播模型为Cooray-Rubinstein电磁场传播模型，分别采用下述方式确定所述垂直电场、水平电场以及水平磁场：

$E_Z(r,z,t)=\frac{1}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}({\∫}_{-H}^H\frac{2{(z-z_0)}^2{-r}^2}{R^5}{\∫}_0^{t}i(z_0,\mathrm{\τ}-\frac{R}{c})\mathrm{d\τd}{z}_0+{\∫}_{-H}^H\frac{2{(z-z_0)}^2-r^2}{{\mathrm{cR}}^4}i(z_0,t-$ $\frac{R}{c}){\mathrm{dz}}_0-{\∫}_{-H}^H\frac{r^2}{c^2{R}^3}\frac{\∂i(z_0,t-R/c)}{\∂t}{\mathrm{dz}}_0)$

$E_P(r,z,t)=\frac{1}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}({\∫}_{-H}^H\frac{3r(z-z_0)}{R^5}{\∫}_0^{t}i(z_0,\mathrm{\τ}-\frac{R}{c})\mathrm{d\τ}{\mathrm{dz}}_0+{\∫}_{-H}^H\frac{3r(z-z_0)}{{\mathrm{cR}}^4}i(z_0,t-$ $\frac{R}{c}){\mathrm{dz}}_0+{\∫}_{-H}^H\frac{r(z-z_0)}{c^2{R}^3}\frac{\∂i(z_0,t-R/c)}{\∂t}{\mathrm{dz}}_0)$

$H_P(r,z,t)=\frac{1}{4\mathrm{\π}}({\∫}_{-H}^H\frac{r}{R^3}i(z_0,t-\frac{R}{c}){\mathrm{dz}}_0+{\∫}_{-H}^H\frac{r}{{\mathrm{cR}}^2}\frac{\∂i(z_0,t-R/c)}{\∂t}{\mathrm{dz}}_0)$

式中，E_Z(r,z,t)表示垂直电场，E_P(r,z,t)表示水平电场，H_P(r,z,t)表示水平磁场，r表示被观测点和雷电流通道之间的距离，z表示被观测点的高度，z₀表示雷电流通道上正被计算的那一点的高度，R表示为正被计算的那一点和被观测点之间的距离，H表示雷电流通道的总长度。

5.根据权利要求1或2所述的配电线路雷电感应电压确定方法，其特征在于，所述电磁场传播模型为Cooray-Rubinstein电磁场传播模型，分别采用下述方式确定所述垂直电场、水平电场以及水平磁场：

$E_Z(r,z,t)=\frac{1}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}({\∫}_{-H}^H\frac{2{(z-z_0)}^2{-r}^2}{R^5}{\∫}_0^{t}i(z_0,\mathrm{\τ}-\frac{R}{c})\mathrm{d\τd}{z}_0+{\∫}_{-H}^H\frac{2{(z-z_0)}^2-r^2}{{\mathrm{cR}}^4}i(z_0,t-$ $\frac{R}{c}){\mathrm{dz}}_0-{\∫}_{-H}^H\frac{r^2}{c^2{R}^3}\frac{\∂i(z_0,t-R/c)}{\∂t}{\mathrm{dz}}_0)$

$E_p(r,z,\mathrm{j\ω})=E_z(r,z,\mathrm{j\ω})-H_P(r,0,\mathrm{j\ω})\frac{{\mathrm{c\μ}}_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rg}}+{\mathrm{\σ}}_g/\mathrm{j\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0}}$

$H_P(r,z,t)=\frac{1}{4\mathrm{\π}}({\∫}_{-H}^H\frac{r}{R^3}i(z_0,t-\frac{R}{c}){\mathrm{dz}}_0+{\∫}_{-H}^H\frac{r}{{\mathrm{cR}}^2}\frac{\∂i(z_0,t-R/c)}{\∂t}{\mathrm{dz}}_0)$

式中，E_Z(r,z,t)、E_z(r,z,jω)表示垂直电场，E_p(r,z,jω)表示水平电场，H_P(r,z,t)、H_P(r,0,jω)表示水平磁场，r表示被观测点和雷电流通道之间的距离，z表示被观测点的高度，z₀表示雷电流通道上正被计算的那一点的高度，R表示为正被计算的那一点和被观测点之间的距离，H表示雷电流通道的总长度。

6.根据权利要求1或2所述的配电线路雷电感应电压确定方法，其特征在于，所述场线耦合模型为Agrawal场线耦合模型，所述Agrawal场线耦合模型如下所述：

$u(x,t)=u^s(x,t)-{\∫}_0^h{E}_z(x,z,t)\mathrm{dz}$

其中

是垂直电场产生的感应电压，E_z(x,z,t)表示垂直电场。

7.根据权利要求1或2所述的配电线路雷电感应电压确定方法，其特征在于，所述场线耦合模型为Agrawal场线耦合模型，通过对Agrawal场线耦合模型的下述表达式进行求解确定所述总电压：

$\frac{{\∂u}^s(x,t)}{\∂x}+L\frac{\∂i(x,t)}{\∂t}+{\∫}_0^t\mathrm{\ϵ}(t-\mathrm{\τ})\frac{\∂i(x,\mathrm{\τ})}{\∂t}\mathrm{d\τ}=E_r(x,h,t)$

$\frac{\∂i(x,t)}{\∂x}+{\mathrm{Gu}}^s(x,t)+C\frac{{\∂u}^s(x,t)}{\∂t}=0$

其中G表示线路的电导，为空气电导率与介电常数的商乘以线路的电容，ε(t)表示土壤的瞬态电阻，为大地阻抗除以jw的傅里叶逆变换，

是垂直电场产生的感应电压。

8.一种配电线路雷电感应电压确定系统，其特征在于，包括：

峰值检测单元，用于检测雷电流峰值；

雷电流波形处理单元，用于采用雷电流波形模型对所述雷电流峰值进行处理，确定第一雷电流i（t）；

回击处理单元，用于根据检测的被观察点距离地面的高度z、所述雷电流i(t)进行雷电回击模型处理，第二雷电流i(z,t)；

电磁场传播处理单元，用于根据检测的被观测点与雷电流通道之间的距离r、检测的被观察点距离地面的高度z、雷电流通道的总长度H、第二雷电流i(z,t)，进行电磁场传播模型处理，确定雷电流所产生的垂直电场、水平电场以及水平磁场；

场线耦合处理单元，用于对所述垂直电场、水平电场以及水平磁场进行场线耦合模型处理，确定雷电流在线路上感应产生的总电压。

9.根据权利要求8所述的配电线路雷电感应电压确定系统，其特征在于，还包括先导处理单元、雷电流确定单元：

所述先导处理单元，用于根据先导发展模型确定电荷密度函数ρ(z,t)，并根据该电荷密度函数ρ(z,t)确定先导发展电流；

所述雷电流确定单元，用于根据所述第二雷电流i(z,t)和所述先导发展电流确定第三雷电流i(z,t)；

所述电磁场传播处理单元，用于根据检测的被观测点与雷电流通道之间的距离r、检测的被观察点距离地面的高度z、雷电流通道的总长度H、第三雷电流i(z,t)，进行电磁场传播模型处理，确定雷电流所产生的所述垂直电场、水平电场以及水平磁场。

10.根据权利要求8或9所述的配电线路雷电感应电压确定系统，其特征在于，所述雷电流波形模型为Heidler雷电流波形模型，所述雷电回击模型为MTLE雷电回击模型，所述电磁场传播模型为Cooray-Rubinstein电磁场传播模型，所述场线耦合模型为Agrawal场线耦合模型。

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