CN104866644A - 一种基于枚举式的电感型限流避雷针优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于枚举式的电感型限流避雷针优化设计方法，通过电感型限流避雷针的初步设计，建立该避雷针的经常长模型，根据电感手册中线圈电感的计算方法，得到电感值，基于匝间电容、每匝对地电容和限流避雷针每匝电感的电感型限流避雷针的高频等效电路模型，采用电磁暂态仿真分析软件，建立电感型限流避雷针的电磁暂态仿真计算程序，分析引入输电线路后对雷电流幅值及线路反击耐雷水平的影响，若对反击耐雷水平的提高效果不明显，则以枚举式方式，通过改变电感型限流避雷针的结构尺寸、材料等，单一改变电感、匝间电容或对地电容达到要求。

Description

一种基于枚举式的电感型限流避雷针优化设计方法

技术领域

本发明涉及输电线路防雷领域，特别涉及一种基于枚举式的电感型限流避雷针优化设计方法。

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，更加没有优化设计方法的提出。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种基于枚举式的电感型限流避雷针优化设计方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于枚举式的电感型限流避雷针优化设计方法，包括如下步骤：

S1设计一电感型限流避雷针，其具体结构为：采用一根铜导线绕在磁导率为μr的圆柱体上，所述圆柱体的材料为A，圆柱体半径为R，长度为H，铜导线半径为r，缠绕N匝，匝间距离为d，所述铜导线缠绕后外层浇筑相对介电常数为εr的材料B，导线经刚性良导体引出作为避雷针；

S2采用有限元分析方法建立S1中电感型限流避雷针的静电场模型，并提取其高频下电磁暂态参数，包括各匝间分布电容Cd和各匝对地分布电容Ce；

S3根据电感手册中线圈电感计算方法，得到限流避雷针中线圈的电感值，并初步估算线圈电感值的范围；

S4建立关于匝间电容、每匝对地电容和限流避雷针每匝电感的电感型限流避雷针的高频电路模型；

S5采用电磁暂态仿真分析软件在S4建立的高频电路模型建立电感型限流避雷针的电磁暂态仿真模型，输入雷电流通过避雷针观察分析雷电流的变化；

S6采用电磁暂态仿真分析软件在S5基础上，建立输电线路、雷电流、杆塔及绝缘子的模拟雷电击中杆塔顶部的仿真分析模型，分别仿真分析避雷针模型装设在杆塔顶部及未装设电感型限流避雷针时线路的反击耐雷水平；

S7如果反击耐雷水平不符合用户要求，通过改变匝间电容、每匝电感及每匝对地电容，进而改变高频电路模型，然后重复S5及S6验证防雷效果，直到符合要求。

所述S3中线圈电感计算方法采用如下公式：

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

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，所述D＝2R，H为线圈长度，K_α表示系数，所述α＝H/D。

所述S5具体为：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，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效果。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供了采用有限元静电场分析获取电感型限流避雷针的匝间电容和对地电容获取方法，并结合电感计算公式，提出了电感型限流避雷针的高频等效电路模型；

(2)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；

(3)本发明提供了采用枚举式、单一参数改变即改变限流避雷针的结构、尺寸和材料以分别改变电感、匝间电容和对地电容，并仿真验证防雷效果以获取优化设计方案的方法；

(4)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优化设计方法，提供了切实可行的设计步骤，增加了电力系统新的防雷措施，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是本发明的工作流程图；

图2是本发明实施例中的高频等效电路图；

图3是本发明双指数波经过电感型限流避雷针后得到的滤波波形。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种基于枚举式限流电感型限流避雷针的优化设计方法，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μr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。所述刚性良导体是指不易变形的金属及复合金属，根据使用坏境可选用，镀锌钢、铜、电镀铜、不锈钢、铝等。选用条件导体的截面积和熔点必须满足防雷要求。

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Cd和各匝对地电容Ce。

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(不考虑雷电通道波阻抗)。具体高频等效电路图如图2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。2.6/50μs的双指数波经过某种参数下电感型限流避雷针后得到的滤波波形如图3所示。

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。

S7若上述防雷效果计算不理想，改变电感的结构尺寸和材料，包括被绕的圆柱体材料和尺寸、导线匝间距离、导线半径、外部浇注材料以及电感型避雷针距离地面高度等，通过改变上述结构和材料以改变匝间电容Cd、每匝对地电容Ce和每匝电感L，最终改变其高频等效电路模型，并再次由S5和S6来验证其防雷效果。根据S6所述雷电仿真模型，双指数波经过某几种方案的电感型限流避雷针后线路反击耐雷水平如表1所示，其中方案1-4分别表示等效电路的匝间电容分别是标准模型的2倍、2.5倍、4倍以及4.5倍。

表1线路反击耐雷水平验证结果(kA)

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 (3)

1.一种基于枚举式的电感型限流避雷针优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1设计一电感型限流避雷针，其具体结构为：采用一根铜导线绕在磁导率为μr的圆柱体上，所述圆柱体的材料为A，圆柱体半径为R，长度为H，铜导线半径为r，缠绕N匝，匝间距离为d，所述铜导线缠绕后外层浇筑相对介电常数为εr的材料B，导线经刚性良导体引出作为避雷针；

S2采用有限元分析方法建立S1中电感型限流避雷针的静电场模型，并提取其高频下电磁暂态参数，包括各匝间分布电容Cd和各匝对地分布电容Ce；

S3根据电感手册中线圈电感计算方法，得到限流避雷针中线圈的电感值，并初步估算线圈电感值的范围；

S4建立关于匝间电容、每匝对地电容和限流避雷针每匝电感的电感型限流避雷针的高频电路模型；

S5采用电磁暂态仿真分析软件在S4建立的高频电路模型建立电感型限流避雷针的电磁暂态仿真模型，输入雷电流通过避雷针观察分析雷电流的变化；

S6采用电磁暂态仿真分析软件在S5基础上，建立输电线路、雷电流、杆塔及绝缘子的模拟雷电击中杆塔顶部的仿真分析模型，分别仿真分析避雷针模型装设在杆塔顶部及未装设电感型限流避雷针时线路的反击耐雷水平；

S7如果反击耐雷水平不符合用户要求，通过改变匝间电容、每匝电感及每匝对地电容，进而改变高频电路模型，然后重复S5及S6验证防雷效果，直到符合要求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中线圈电感计算方法采用如下公式：

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

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，所述D＝2R，H为线圈长度，K_α表示系数，所述α＝H/D。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S5具体为：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，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效果。