CN104833873A - 一种电感型限流避雷针防雷效果的理论验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感型限流避雷针防雷效果的理论验证方法，首先，采用有限元分析方法，在已知电感型限流避雷针结构参数和材料的基础上，提取电感型限流避雷针的高频电磁暂态模型——即高频电路模型；结合常规防雷分析方法在电磁暂态仿真程序中建立输电线路、杆塔、绝缘子、雷电流、电感型限流避雷针的仿真计算模型，仿真分析有无安装电感型限流避雷针时线路反击耐雷水平的变化，评估电感型限流避雷针的防雷效果。本发明提供了电感型限流避雷针切实可行的防雷效果的理论验证方法，有利于降低输电线路雷害事故提高电网运行的安全可靠性。

Description

一种电感型限流避雷针防雷效果的理论验证方法

技术领域

本发明涉及线路防雷的研究领域，特别涉及一种电感型限流避雷针防雷效果的理论验证方法。

背景技术

雷击跳闸是我国输电线路跳闸故障的主要原因之一。随着人们对输电线路雷电机理及其防护方法研究的深入，输电线路防雷技术取得了丰富的研究成果，在一定程度上降低了输电线路的雷害事故。但是，随着电力设备和保护装置等技术的完善，雷击输电线路导致的线路跳闸仍然是我国输电线路故障的主要原因，提高输电线路性能对系统的安全稳定运行有着十分重要的意义。

近年来，以降低雷电流陡度和幅值进而降低雷害事故的电感型限流避雷针受到了关注。目前其研究工作主要从“电路”角度建模和分析其限流效果和防雷机理。实际上，“电路”模型是“电磁场场”问题的近似，特别是施加快速变化雷电流的电感线圈，必须对其“电磁场”问题充分研究才能得到准确的“电路”模型。现有“电路”模型在解释电感型限流避雷针防雷原理时存在不足。因此不能证明电感型电流避雷针的基本防雷原理及其防雷效果理论验证方法。

现有文献报道中，从“电磁场”的观念来研究限流避雷针防雷原理时主要借用电磁波的弥散现象概念，但是只是简单提到弥散现象理论，并未详细说明其在限流避雷针中应用的物理机理及防雷效果理论验证方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一一种电感型限流避雷针防雷效果的理论验证方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一一种电感型限流避雷针防雷效果的理论验证方法，包括下述步骤：

S1、设计一电感型限流避雷针，结构为一铜导线绕在一磁导率为为μ_r的圆柱体上，圆柱体半径为R，长度为H；铜导线半径为r，共计N匝，匝间距离为d；导线绕制好后外层浇筑介电常数为ε的材料B；导线经一刚性良导体引出作为避雷针；

S2、采用有限元分析方法在ANSYS中建立电感型限流避雷针静电场分析模型，提取其高频下电磁暂态参数，包括电感型限流避雷针中各匝线圈间分布电容C_d和各匝线圈对地分布电容C_e；

S3获取电感型线圈电感值，并初步估计其范围，所述线圈电感计算公式具体为：

$L=\frac{\mathrm{\π}}{4}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{N}^2{D}^2}{H}\·K_{\mathrm{\α}}$

其中为μ₀真空磁导率，μ_r为介质相对磁导率，N为线圈匝数，D为线圈直径，D＝2R，H为线圈长度，K_α系数是与α有关的系数值，α＝H/D；

S4、由步骤S2和S3计算获取的电感型限流避雷针高频下的等效电气参数，建立由匝间分布电容C_d、每匝对地分布电容C_e和每匝电感L组成的电感型限流避雷针的高频等效电路模型；

S5、采用电磁暂态仿真分析软件，基于步骤S4建立的电路模型建立电感型限流避雷针的电磁暂态仿真计算程序，仿真分析在电感型限流避雷针一端输入一标准雷电流波形时，另一端输出雷电流波形的变化，主要关注雷电流峰值和雷电流陡度的变化，以雷电流陡度和幅值降低幅度共同评价电感型限流避雷针的初步效果；

S6、采用电磁暂态仿真分析软件，在步骤S5的基础上，建立输电线路、雷电流、杆塔、绝缘子的雷电仿真分析模型，分别仿真分析在杆塔顶部装设和未装设上述电感型限流避雷针时线路的反击耐雷水平，作为评估电感型限流避雷针防雷效果的最终依据。

优选的，步骤S2中，所述电感型限流避雷针的电磁场模型包括线圈电感、匝间电容及对地电容。

优选的，步骤S3中，点感型线圈的各项参数是根据电感手册中电感计算方法得到的。

优选的，步骤S5中，所述评价电感型限流避雷针的初步效果的方法是建立电感型限流避雷针的电磁暂态仿真计算程序，仿真分析雷电流经过电感型限流避雷针后雷电流峰值和雷电流陡度的变化。

优选的，步骤S6中，所述评估电感型限流避雷针防雷效果的最终依据是通过仿真分析在杆塔顶部装设和未装设上述电感型限流避雷针时线路的反击耐雷水平提高程度。

优选的，步骤S5和步骤S6中，所述电磁暂态仿真分析软件PSCAD/EMTDC或ATP/EMTP。

优选的，步骤S5中，所述标准雷电流波形为2.6/50μs的双指数波形。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明提供了采用有限元静电场分析提取电感型限流避雷针的匝间分布电容和对地分布电容的方法。

(2)本发明提供了考虑匝间电容、对地电容和电感参数的电感型限流避雷针的高频等效电路模型的获取方法。

(3)本发明提供了采用电磁暂态该仿真程序(如PSCAD/EMTDC、ATP/EMTP等)，基于电感型限流避雷针等效电路模型和不考虑雷电通道阻抗的雷电流模型，分析电感型限流避雷针对雷电流陡度和幅值降低效果的分析方法。

(4)本发明提供了采用电磁暂态该仿真程序(如PSCAD/EMTDC、ATP/EMTP等)，基于电感型限流避雷针等效电路模型、雷电流模型、杆塔模型、输电线路模型等，建立输电线路反击耐雷水平计算程序，仿真分析电感型限流避雷针的引入在提高输电线路反击耐雷水平方面的防雷效果。

(5)本发明提供了一种降低雷电流陡度和幅值进而降低输电线路雷害事故的电感型限流避雷针的防雷效果的理论验证方法，有利于降低输电线路雷害事故提高电网运行的安全可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的整体流程框图；

图2是本发明提供的电感型限流避雷针线圈垂直剖面图；

图3是本发明提供的ANSYS仿真模型；

图4是本发明提供的电感型限流避雷针的高频电路模型电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例基于有限元分析提取电路参数、电磁暂态计算分析线路耐雷水平的电感型限流避雷针防雷效果的理论验证方法，包括下述步骤：

S1、如图2所示，设计(假设)一电感型限流避雷针，结构为一铜导线绕在一磁导率为μ_r的圆柱体(材质为A)上，假设圆柱体半径为R，长度为H；铜导线半径为r，共计N匝，匝间距离为d；导线绕制好后外层浇筑介电常数为ε的材料B；导线经一刚性良导体引出作为避雷针；则一初步形式的电感型限流避雷针设计完成。

S2、采用有限元分析方法在ANSYS中建立电感型限流避雷针电磁场模型，提取其高频下电磁暂态参数，包括各匝间电容C_d和各匝对地电容C_e。ANSYS仿真模型如图3所示。

S3、根据电感手册中线圈电感计算方法，得到电感型线圈电感值，及初步估计其范围。所述线圈电感计算公式具体为：

$L=\frac{\mathrm{\π}}{4}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{N}^2{D}^2}{H}\·K_{\mathrm{\α}}$

其中为μ₀真空磁导率，μ_r为介质相对磁导率，N为线圈匝数，D为线圈直径(D＝2R)，H为线圈长度，K_α系数是与α(α＝H/D)有关的系数值(由电感计算手册给出)。

S4、由S2和S3计算获取的电感型限流避雷针高频下的等效电气参数，建立由匝间电容C_d、每匝对地电容C_e和每匝电感L组成的电感型限流避雷针的高频等效电路模型。具体高频等效电路图如图4所示。

S5、采用电磁暂态仿真分析软件(如PSCAD/EMTDC、ATP/EMTP等)，基于S4建立的电路模型建立电感型限流避雷针的电磁暂态仿真计算程序，仿真分析在电感型限流避雷针一端输入不考虑雷电通道阻抗的一标准雷电流波形(如2.6/50μs的双指数波形)时，另一端输出雷电流波形的变化，主要关注雷电流峰值和雷电流陡度的变化，以雷电流陡度和幅值降低幅度共同评价电感型限流避雷针的初步效果。

S6、采用电磁暂态仿真分析软件(如PSCAD/EMTDC、ATP/EMTP等)，在S5的基础上，建立输电线路、雷电流、杆塔、绝缘子等的雷电仿真分析模型(常规防雷分析方法)，分别仿真分析在杆塔顶部装设和未装设上述电感型限流避雷针时线路的反击耐雷水平，作为评估电感型限流避雷针防雷效果的最终依据。

所述的电感型限流避雷针的防雷效果理论验证方法，其特征在于，所述电感型限流避雷针的等效电路中，考虑了线圈匝间分布电容、对地分布电容、匝间电感等高频参数。

所述有限元分析方法更为精确地获取了线圈纵向和对地分布电容的参数。

所述线圈电感参数的确定是根据电感手册中电感计算方法得到的，所述电感型限流避雷针的高频电路模型包括线圈电感、匝间电容及对地电容并按照实际情况连接。

所述评价电感型限流避雷针的初步效果的方法是建立电感型限流避雷针的电磁暂态仿真计算程序，仿真分析雷电流经过电感型限流避雷针后雷电流峰值和雷电流陡度的变化。

所述评估电感型限流避雷针防雷效果的最终依据是通过仿真分析在杆塔顶部装设和未装设上述电感型限流避雷针时线路的反击耐雷水平提高程度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电感型限流避雷针防雷效果的理论验证方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、设计一电感型限流避雷针，结构为一铜导线绕在一磁导率为为μ_r的圆柱体上，圆柱体半径为R，长度为H；铜导线半径为r，共计N匝，匝间距离为d；导线绕制好后外层浇筑介电常数为ε的材料B；导线经一刚性良导体引出作为避雷针；

S2、采用有限元分析方法在ANSYS中建立电感型限流避雷针静电场分析模型，提取其高频下电磁暂态参数，包括电感型限流避雷针中各匝线圈间分布电容C_d和各匝线圈对地分布电容C_e；

S3获取电感型线圈电感值，并初步估计其范围，所述线圈电感计算公式具体为：

$L=\frac{\mathrm{\π}}{4}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{N}^2{D}^2}{H}\·K_{\mathrm{\α}}$

其中为μ₀真空磁导率，μ_r为介质相对磁导率，N为线圈匝数，D为线圈直径，D＝2R，H为线圈长度，K_α系数是与α有关的系数值，α＝H/D；

S4、由步骤S2和S3计算获取的电感型限流避雷针高频下的等效电气参数，建立由匝间分布电容C_d、每匝对地分布电容C_e和每匝电感L组成的电感型限流避雷针的高频等效电路模型；

S5、采用电磁暂态仿真分析软件，基于步骤S4建立的电路模型建立电感型限流避雷针的电磁暂态仿真计算程序，仿真分析在电感型限流避雷针一端输入一标准雷电流波形时，另一端输出雷电流波形的变化，主要关注雷电流峰值和雷电流陡度的变化，以雷电流陡度和幅值降低幅度共同评价电感型限流避雷针的初步效果；

S6、采用电磁暂态仿真分析软件，在步骤S5的基础上，建立输电线路、雷电流、杆塔、绝缘子的雷电仿真分析模型，分别仿真分析在杆塔顶部装设和未装设上述电感型限流避雷针时线路的反击耐雷水平，作为评估电感型限流避雷针防雷效果的最终依据。

2.根据权利要求1所述的电感型限流避雷针防雷效果的理论验证方法，其特征在于，步骤S2中，所述电感型限流避雷针的电磁场模型包括线圈电感、匝间电容及对地电容。

3.根据权利要求1所述的电感型限流避雷针的防雷设计及验证方法，其特征在于，步骤S3中，点感型线圈的各项参数是根据电感手册中电感计算方法得到的。

4.根据权利要求1所述的电感型限流避雷针防雷效果的理论验证方法，其特征在于，步骤S5中，所述评价电感型限流避雷针的初步效果的方法是建立电感型限流避雷针的电磁暂态仿真计算程序，仿真分析雷电流经过电感型限流避雷针后雷电流峰值和雷电流陡度的变化。

5.根据权利要求1所述的电感型限流避雷针防雷效果的理论验证方法，其特征在于，步骤S6中，所述评估电感型限流避雷针防雷效果的最终依据是通过仿真分析在杆塔顶部装设和未装设上述电感型限流避雷针时线路的反击耐雷水平提高程度。

6.根据权利要求1所述的电感型限流避雷针防雷效果的理论验证方法，其特征在于，步骤S5和步骤S6中，所述电磁暂态仿真分析软件PSCAD/EMTDC或ATP/EMTP。

7.根据权利要求1所述的电感型限流避雷针防雷效果的理论验证方法，其特征在于，步骤S5中，所述标准雷电流波形为2.6/50μs的双指数波形。