CN104298833A - 组合式复合材料杆塔雷击仿真模型生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式复合材料杆塔雷击仿真模型生成方法，该方法包括如下步骤：1、获取杆塔结构信息；2、建立地线横担和塔身的波阻抗模型，建立接地引下线的分段集中电感模型；3、根据塔头结构确定可能发生闪络的路径，建立基于先导法的绝缘闪络模型；4、建立考虑雷电流冲击效应的接地电阻模型；5、依据上述几个模型，连接形成整基复合杆塔的雷击仿真模型。本发明将更能准确地反映复合材料杆塔遭受雷击的情况，为电网运维人员掌握复合杆塔防雷性能提供依据。

Description

组合式复合材料杆塔雷击仿真模型生成方法

技术领域

本发明涉及电网防雷技术领域，具体地指一种组合式复合材料杆塔雷击仿真模型生成方法。

背景技术

伴随着电网规模的迅速扩大，电力建设消耗越来越多的土地和钢铁等资源。目前输电线路中广泛使用的铁塔，质量重，运输和组装不便，这些都大大增加了线路的建设成本和运维成本。复合材料具有电绝缘性好、强度高、耐腐蚀、环境友好等诸多优点，采用复合材料制成塔头，可以改善塔头电磁场分布，大大提升绝缘性能。以复合材料替代钢材，可以缩减输电线路走廊宽度，减少钢材使用量。

复合材料具有多方面的优点，制成的杆塔与普通铁塔有较大不同，雷击分析模型也不同。普通铁塔的横担和塔身均为铁或钢材，导电性能好，雷电流可以通过塔身泄放至大地，铁塔本身同时起到线路支撑和雷电流释放通道的双重作用；铁塔遭受雷击时闪络路径通常是导线至铁横担的间隙，雷电冲击绝缘强度基本由绝缘子串长度决定。复合杆塔则利用横担的绝缘特性而取消绝缘子串，接地引下线通过悬空向下安装，接至钢结构塔身作为泄流通道。

现有雷击计算模型多是针对普通铁塔，电力行业标准《DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》也未针对复合杆塔而给出推荐的组合式复合材料杆塔仿真模型。上述复合材料杆塔与普通铁塔在结构上的差异表明，有必要从新设计组合式复合材料杆塔雷击仿真模型。

参考文献：中华人民共和国电力行业标准《DL/T620 1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》；

《110kV输电线路复合材料杆塔特性试验研究》胡毅，刘庭,刘凯,邓世聪,李汉明,胡广生高电压技术2011年第37卷第4期；

《基于连续先导的线路绝缘闪络判据的研究》肖萍，汪沨，黄福勇，周卫华，王国利，熊静雯，安义，电网技术2012年36卷第11期；

《基于ATP-EMTP的杆塔接地体冲击接地电阻计算模型》徐伟，刘浔，黄伟超，电力建设2010年第31卷第5期；

发明内容

本发明的目的就是要提供一种组合式复合材料杆塔雷击仿真模型生成方法，该方法生成的仿真模型能准确地反映复合材料杆塔遭受雷击的情况，为电网运维人员掌握复合杆塔防雷性能提供依据。

为实现此目的，本发明所设计的组合式复合材料杆塔雷击仿真模型生成方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：从组合式复合材料杆塔的典型设计图中获取组合式复合材料杆塔的地线横担的长度l_g、地线横担的半径r_A、第一相导线到接地引下线的空气间隙距离D₁、第二相导线到接地引下线的空气间隙距离D₂、第三相导线到接地引下线的空气间隙距离D₃、地线横担至上层导线横担垂直间距h₁、上层导线横担至下层导线横担的垂直间距h₂、钢管杆的高度h₃、第一相导线到同侧地线横担上地线的距离l₁、第一相导线到同侧的第三相导线的距离l₂，查询参考文献《110kV输电线路复合材料杆塔特性试验研究》获得上述典型组合式复合材料杆塔的复合材料冲击闪络特性参数、空气冲击闪络特性参数，查询参考文献《DL/T620 1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》获得接地引下线单位长度电感值L₀；

步骤2：通过如下公式1计算地线横担的波阻抗Z_A；

$Z_A=60\ln \left(\frac{{2h}_A}{r_A}\right)---\left(1\right)$

其中，r_A为地线横担的半径，h_A为地线横担的高度，即h_A＝h₁+h₂+h₃；

通过如下公式2计算钢管杆的波阻抗Z_T；

$Z_T=60(\ln \frac{2\sqrt{2}{h}_3}{r_T}-1)---\left(2\right)$

其中，h₃为钢管杆的高度，r_T为钢杆管的顶端截面和底端截面半径的均值；

所述接地引下线在上层导线横担所处的位置为界分成相互连接的上下两部分，上部分接地引下线的电感值L_g1由如下公式3计算得到，下部分接地引下线的电感值L_g2由如下公式4计算得到；

L_g1＝L₀*h₁   (3)

其中，L₀为接地引下线单位长度电感值，h₁为地线横担至上层导线横担垂直间距，即上部分接地引下线的长度；

L_g2＝L₀*h₂   (4)

其中，L₀为接地引下线单位长度电感值，h₂为上层导线横担至下层导线横担的垂直间距，即下部分接地引下线的长度；

上述地线横担的波阻抗Z_A、钢管杆的波阻抗Z_T和上部分接地引下线的电感值L_g1以及下部分接地引下线的电感值L_g2构成了地线横担、钢管杆和接地引下线的雷击仿真模型；

步骤3：通过如下公式5得到组合式复合材料杆塔绝缘间隙中的先导已发展长度x，其中组合式复合材料杆塔绝缘间隙L为第一相导线与接地引下线之间的距离D₁、第二相导线与接地引下线之间的距离D₂、第三相导线与接地引下线之间的距离D₃、第一相导线到同侧地线横担上地线的距离l₁和第一相导线到同侧的第三相导线的距离l₂，上述本步骤中每个距离所对应的间隙都有可能发生间隙闪络；

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{ku}\left(t\right)[\frac{u\left(t\right)}{L-x}-E_0]---\left(5\right)$

其中，t为组合式复合材料杆塔绝缘间隙中的先导发展的时间，k为冲击放电实验结果拟合所得的经验系数，E₀为组合式复合材料杆塔绝缘间隙L先导起始的场强，u(t)为组合式复合材料杆塔绝缘间隙L在组合式复合材料杆塔模拟雷击开始至发生闪络或者模拟雷击结束内各时间段的电压值，该电压值通过现有组合式复合材料杆塔雷击仿真软件中提取得到，上述冲击放电实验结果拟合所得的经验系数k和组合式复合材料杆塔绝缘间隙L先导起始的场强E₀，根据步骤1中得到的典型组合式复合材料杆塔的复合材料冲击闪络特性参数、空气冲击闪络特性参数利用文献《基于连续先导的线路绝缘闪络判据的研究》中的现有方法计算得到，dx/dt为复合材料杆塔绝缘间隙中的先导发展速度，上述公式5形成组合式复合材料杆塔的绝缘闪络模型；

步骤4：通过如下公式6得到组合式复合材料杆塔在雷电冲击作用下的接地电阻值R_ch；

$R_{\mathrm{ch}}=\frac{R_0}{\sqrt{1+I/I_g}}---\left(6\right)$

其中，R_o为组合式复合材料杆塔在工频幅值电流下的接地电阻值，I为雷电冲击作用下流过合式复合材料杆塔接地体的冲击电流幅值，I_g是使土壤发生电离的最小电流值，上述R_o为参考文献《DL/T620 1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中记载的典型值，I_g为参考文献《基于ATP-EMTP的杆塔接地体冲击接地电阻计算模型》中记载的典型值，I为通过现有组合式复合材料杆塔雷击仿真软件实时计算得到的值，上述公式6形成组合式复合材料杆塔雷电冲击接地电阻模型；

步骤5：将上述地线横担雷击仿真模型、钢管杆雷击仿真模型、接地引下线雷击仿真模型、组合式复合材料杆塔的绝缘闪络模型和组合式复合材料杆塔雷电冲击接地电阻模型按照步骤1中组合式复合材料杆塔的典型设计图的结构形式连接组合，即形成整基复合材料杆塔的雷击仿真模型。

本发明的有益效果：

本发明提出的组合式复合材料杆塔雷击计算仿真模型，通过获取杆塔结构信息并依据以上方法建立地线横担雷击仿真模型、钢管杆雷击仿真模型、接地引下线雷击仿真模型、组合式复合材料杆塔的绝缘闪络模型和组合式复合材料杆塔雷电冲击接地电阻模型。按上述方法建立的仿真模型将更能准确地反映复合材料杆塔遭受雷击的情况，为电网运维人员掌握复合杆塔防雷性能提供依据。

附图说明

图1为组合式复合材料杆塔塔头及全塔示意图；

图2为图1中地线横担部分的侧视图；

图3为本发明中建立复合材料杆塔雷击仿真模型流程图；

其中，1—地线横担、2—第一相导线、3—接地引下线、4—第二相导线、5—第三相导线、6—上层导线横担、7—下层导线横担、8—钢管杆、9—地线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1～3所示组合式复合材料杆塔雷击仿真模型生成方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：从组合式复合材料杆塔的典型设计图中获取组合式复合材料杆塔的地线横担1的长度l_g、地线横担1的半径r_A、第一相导线2到接地引下线3的空气间隙距离D₁、第二相导线4到接地引下线3的空气间隙距离D₂、第三相导线5到接地引下线3的空气间隙距离D₃、地线横担1至上层导线横担6垂直间距h₁、上层导线横担6至下层导线横担7的垂直间距h₂、钢管杆8的高度h₃、第一相导线2到同侧地线横担1上地线9的距离l₁、第一相导线2到同侧的第三相导线5的距离l₂，查询参考文献中华人民共和国电力行业标准《DL/T620 1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》获得上述典型组合式复合材料杆塔的复合材料冲击闪络特性参数、空气冲击闪络特性参数，查询参考文献《DL/T620 1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》获得接地引下线单位长度电感值L₀；

步骤2：通过如下公式1计算地线横担1的波阻抗Z_A；

$Z_A=60\ln \left(\frac{{2h}_A}{r_A}\right)---\left(1\right)$

其中，r_A为地线横担1的半径，h_A为地线横担1的高度，即h_A＝h₁+h₂+h₃；

通过如下公式2计算钢管杆8的波阻抗Z_T；

$Z_T=60(\ln \frac{2\sqrt{2}{h}_3}{r_T}-1)---\left(2\right)$

其中，h₃为钢管杆8的高度，r_T为钢杆管8的顶端截面和底端截面半径的均值；

所述接地引下线3在上层导线横担6所处的位置为界分成相互连接的上下两部分，上部分接地引下线3的电感值L_g1由如下公式3计算得到，下部分接地引下线3的电感值L_g2由如下公式4计算得到；

L_g1＝L₀*h₁   (3)

其中，L₀为接地引下线单位长度电感值，h₁为地线横担1至上层导线横担6垂直间距，即上部分接地引下线3的长度；

L_g2＝L₀*h₂   (4)

其中，L₀为接地引下线单位长度电感值，h₂为上层导线横担6至下层导线横担7的垂直间距，即下部分接地引下线3的长度；

上述地线横担1的波阻抗Z_A、钢管杆8的波阻抗Z_T和上部分接地引下线3的电感值L_g1以及下部分接地引下线3的电感值L_g2构成了地线横担1、钢管杆8和接地引下线3的雷击仿真模型，地线横担1为铁材质，模型以波阻抗实现，塔身为钢管杆8，钢管杆8模型以波阻抗实现，接地引下线3的模型，为和塔头结果匹配，以两段集中电感实现；

步骤3：通过如下公式5得到组合式复合材料杆塔绝缘间隙中的先导已发展长度x，其中组合式复合材料杆塔绝缘间隙L为第一相导线2与接地引下线3之间的距离D₁、第二相导线4与接地引下线3之间的距离D₂、第三相导线5与接地引下线3之间的距离D₃、第一相导线2到同侧地线横担1上地线9的距离l₁和第一相导线2到同侧的第三相导线5的距离l₂，上述本步骤中每个距离所对应的间隙都有可能发生间隙闪络；

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{ku}\left(t\right)[\frac{u\left(t\right)}{L-x}-E_0]---\left(5\right)$

其中，t为组合式复合材料杆塔绝缘间隙中的先导发展的时间，k为冲击放电实验结果拟合所得的经验系数，E₀为组合式复合材料杆塔绝缘间隙L先导起始的场强，u(t)为组合式复合材料杆塔绝缘间隙L在组合式复合材料杆塔模拟雷击开始至发生闪络或者模拟雷击结束内各时间段的电压值，该电压值通过现有组合式复合材料杆塔雷击仿真软件中提取得到，上述冲击放电实验结果拟合所得的经验系数k和组合式复合材料杆塔绝缘间隙L先导起始的场强E₀，根据步骤1中得到的典型组合式复合材料杆塔的复合材料冲击闪络特性参数、空气冲击闪络特性参数利用文献《基于连续先导的线路绝缘闪络判据的研究》肖萍，汪沨，黄福勇，周卫华，王国利，熊静雯，安义，电网技术2012年36卷第11期，中的现有方法计算得到，dx/dt为复合材料杆塔绝缘间隙中的先导发展速度，上述公式5形成组合式复合材料杆塔的绝缘闪络模型；由于复合材料杆塔绝缘性能良好，不会成为电流通道，复合材料杆塔上可能的雷击闪络路径有导线至接地引下线3的空气间隙、导线至地线横担1上地线9的空气间隙、上下层导线间的空气间隙，每个可能的绝缘闪络路径通过基于先导法的绝缘闪络模型实现；绝缘间隙间的场强超过E₀时先导开始发展，至先导已发展长度x的值达到组合式复合材料杆塔绝缘间隙L时认为绝缘被击穿而发生雷电冲击闪络；

步骤4：通过如下公式6得到组合式复合材料杆塔在雷电冲击作用下的接地电阻值R_ch；

$R_{\mathrm{ch}}=\frac{R_0}{\sqrt{1+I/I_g}}---\left(6\right)$

其中，R_o为组合式复合材料杆塔在工频幅值电流下的接地电阻值，I为雷电冲击作用下流过合式复合材料杆塔接地体的冲击电流幅值，I_g是使土壤发生电离的最小电流值，上述R_o为参考文献中华人民共和国电力行业标准《DL/T620 1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中记载的典型值，I_g为参考文献《基于ATP-EMTP的杆塔接地体冲击接地电阻计算模型》徐伟，刘浔，黄伟超，电力建设2010年第31卷第5期，中记载的典型值，I为通过现有组合式复合材料杆塔雷击仿真软件实时计算得到的值，上述公式6形成组合式复合材料杆塔雷电冲击接地电阻模型，接地体的冲击阻抗受流过其电流的幅值及频率影响，表现出较强的非线性特性；

步骤5：将上述地线横担1雷击仿真模型、钢管杆8雷击仿真模型、接地引下线3雷击仿真模型、组合式复合材料杆塔的绝缘闪络模型和组合式复合材料杆塔雷电冲击接地电阻模型按照步骤1中组合式复合材料杆塔的典型设计图的结构形式连接组合，即形成整基复合材料杆塔的雷击仿真模型。至此得到整基复合材料杆塔的雷击仿真模型，该模型可以参与到输电线路雷击仿真计算中，从而掌握复合材料杆塔的防雷性能。本发明适用于110kV单回路“上”字型组合式复合材料杆塔，也适用于其他电压等级其他结构形式的组合式复合材料杆塔。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种组合式复合材料杆塔雷击仿真模型生成方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：从组合式复合材料杆塔的典型设计图中获取组合式复合材料杆塔的地线横担(1)的长度l_g、地线横担(1)的半径r_A、第一相导线(2)到接地引下线(3)的空气间隙距离D₁、第二相导线(4)到接地引下线(3)的空气间隙距离D₂、第三相导线(5)到接地引下线(3)的空气间隙距离D₃、地线横担(1)至上层导线横担(6)垂直间距h₁、上层导线横担(6)至下层导线横担(7)的垂直间距h₂、钢管杆(8)的高度h₃、第一相导线(2)到同侧地线横担(1)上地线(9)的距离l₁、第一相导线(2)到同侧的第三相导线(5)的距离l₂，查询参考文献《DL/T620 1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》获得上述典型组合式复合材料杆塔的复合材料冲击闪络特性参数、空气冲击闪络特性参数，查询参考文献《DL/T6201997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》获得接地引下线单位长度电感值L₀；

步骤2：通过如下公式1计算地线横担(1)的波阻抗Z_A；

$Z_A=60\ln \left(\frac{2h_A}{r_A}\right)---\left(1\right)$

其中，r_A为地线横担(1)的半径，h_A为地线横担(1)的高度，即h_A＝h₁+h₂+h₃；

通过如下公式2计算钢管杆(8)的波阻抗Z_T；

$Z_T=60(\ln \frac{2\sqrt{2}{h}_3}{r_T}-1)---\left(2\right)$

其中，h₃为钢管杆(8)的高度，r_T为钢杆管(8)的顶端截面和底端截面半径的均值；

所述接地引下线(3)在上层导线横担(6)所处的位置为界分成相互连接的上下两部分，上部分接地引下线(3)的电感值L_g1由如下公式3计算得到，下部分接地引下线(3)的电感值L_g2由如下公式4计算得到；

L_g1＝L₀*h₁   (3)

其中，L₀为接地引下线单位长度电感值，h₁为地线横担(1)至上层导线横担(6)垂直间距，即上部分接地引下线(3)的长度；

L_g2＝L₀*h₂    (4)

其中，L₀为接地引下线单位长度电感值，h₂为上层导线横担(6)至下层导线横担(7)的垂直间距，即下部分接地引下线(3)的长度；

上述地线横担(1)的波阻抗Z_A、钢管杆(8)的波阻抗Z_T和上部分接地引下线(3)的电感值L_g1以及下部分接地引下线(3)的电感值L_g2构成了地线横担(1)、钢管杆(8)和接地引下线(3)的雷击仿真模型；

步骤3：通过如下公式5得到组合式复合材料杆塔绝缘间隙中的先导已发展长度x，其中组合式复合材料杆塔绝缘间隙L为第一相导线(2)与接地引下线(3)之间的距离D₁、第二相导线(4)与接地引下线(3)之间的距离D₂、第三相导线(5)与接地引下线(3)之间的距离D₃、第一相导线(2)到同侧地线横担(1)上地线(9)的距离l₁和第一相导线(2)到同侧的第三相导线(5)的距离l₂，上述本步骤中每个距离所对应的间隙都有可能发生间隙闪络；

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{ku}\left(t\right)[\frac{u\left(t\right)}{L-x}-E_0]---\left(5\right)$

其中，t为组合式复合材料杆塔绝缘间隙中的先导发展的时间，k为冲击放电实验结果拟合所得的经验系数，E₀为组合式复合材料杆塔绝缘间隙L先导起始的场强，u(t)为组合式复合材料杆塔绝缘间隙L在组合式复合材料杆塔模拟雷击开始至发生闪络或者模拟雷击结束内各时间段的电压值，该电压值通过现有组合式复合材料杆塔雷击仿真软件中提取得到，上述冲击放电实验结果拟合所得的经验系数k和组合式复合材料杆塔绝缘间隙L先导起始的场强E₀，根据步骤1中得到的典型组合式复合材料杆塔的复合材料冲击闪络特性参数、空气冲击闪络特性参数利用文献《基于连续先导的线路绝缘闪络判据的研究》中的现有方法计算得到，dx/dt为复合材料杆塔绝缘间隙中的先导发展速度，上述公式5形成组合式复合材料杆塔的绝缘闪络模型；

步骤4：通过如下公式6得到组合式复合材料杆塔在雷电冲击作用下的接地电阻值R_ch；

$R_{\mathrm{ch}}=\frac{R_0}{\sqrt{1+I/I_g}}---\left(6\right)$

其中，R_o为组合式复合材料杆塔在工频幅值电流下的接地电阻值，I为雷电冲击作用下流过合式复合材料杆塔接地体的冲击电流幅值，I_g是使土壤发生电离的最小电流值，上述R_o为参考文献《DL/T6201997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中记载的典型值，I_g为参考文献《基于ATP-EMTP的杆塔接地体冲击接地电阻计算模型》中记载的典型值，I为通过现有组合式复合材料杆塔雷击仿真软件实时计算得到的值，上述公式6形成组合式复合材料杆塔雷电冲击接地电阻模型；

步骤5：将上述地线横担(1)雷击仿真模型、钢管杆(8)雷击仿真模型、接地引下线(3)雷击仿真模型、组合式复合材料杆塔的绝缘闪络模型和组合式复合材料杆塔雷电冲击接地电阻模型按照步骤1中组合式复合材料杆塔的典型设计图的结构形式连接组合，即形成整基复合材料杆塔的雷击仿真模型。