CN105740500A - 一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法 - Google Patents

Abstract

一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法，根据复合材料杆塔的结构尺寸、材料属性建立复合杆塔多波阻抗模型；根据接地引下结构建立分布参数模型；建立输电线路模型；根据土壤类别建立接地电阻模型；将上述模型按照实际结构合理组合，最终得到复合杆塔过电压仿真模型。本发明一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法，即根据复合杆塔的结构，建立能反映复合材料在雷击情况下过电压特性的仿真模型，为杆塔设计提供依据。

Description

一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法

技术领域

本发明属于电力系统输电线路过电压防治技术领域，特别是涉及一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法。

背景技术

随着新型材料、制造工艺的发展，增强型复合材料开始广泛应用于电子电气领域。输电线路中采用复合材料制成的绝缘杆塔，可以增强杆塔相对地和相间空气绝缘强度和爬电距离，提高线路的防雷和防污性能，从而大大降低线路的电气故障率。与传统铁塔相比，具有耐腐蚀、机械强度高、质量轻等优点，而且可以减少输电线走廊宽度、提升杆塔的耐雷水平。输电线路遭受雷击而产生的过电压易导致跳闸事故，为保障电网的安全稳定运行，需要合理的塔身结构与防护措施。

传统铁塔的防雷特性研究较多，而复合材料杆塔作为一种新型输电杆塔，其防雷性能与普通铁塔差异明显。普通铁塔可以通过塔身泄放雷电流，而复合杆塔塔头绝缘，需要通过额外安装接地引下线形成雷电流释放通道。现有的杆塔过电压仿真模型多是针对普通杆塔，对于复合杆塔的雷击过电压下的仿真模型也没有相关标准。因此有必要结合复合杆塔特点设计合理的过电压仿真模型。

发明内容

本发明的目的是提出一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法，即根据复合杆塔的结构，建立能反映复合材料在雷击情况下过电压特性的仿真模型，为杆塔设计提供依据。

本发明所采用的技术方案是：

一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法，

根据复合材料杆塔的结构尺寸、材料属性建立复合杆塔多波阻抗模型；

根据接地引下结构建立分布参数模型；

建立输电线路模型；

根据土壤类别建立接地电阻模型；

将上述模型按照实际结构合理组合，最终得到复合杆塔过电压仿真模型。

具体步骤如下：

(1)、确定复合杆塔尺寸和选用材料，根据复合杆塔结构尺寸查找对应典型复合杆塔的复合材料冲击闪络特性参数以及空气冲击闪络特性参数；

(2)、建立复合杆塔多波阻抗模型，对于单导体的波阻抗可用公式1计算：

式中，r和h分别是垂直于圆柱体的半径和高度。

鉴于杆塔最多是4导体系统，对于多个导体的波阻抗计算公式为公式2，公式2中的re为多导体系统的等效半径，按公式3计算。

式中，R为邻近导体间的距离。

杆塔横担波阻抗计算公式如公式4：

式中，hk为杆塔横担的高度，rAk为对应横担的半径。得到杆塔多波阻抗模型。

(3)、根据接地引下线设计，其电感值由公式5计算：

L_g＝L₀×h(5)

式中，L0为接地引下线单位长度电感值，h为接地引下线的高度。

对于接地引下线模型要根据结构进行设置，根据接地引下线在横担上的位置分为两段，分别计算电感值加入整体模型。

(4)根据复合杆塔相连接的输电线路参数，在ATP-EMTP软件中建立输电线路模型。

(5)根据土壤类别建立接地电阻模型，冲击接地电阻值利用公式6计算：

式中，Rag为工频电流下复合杆塔的接地电阻值，Im为雷电冲击下流过复合杆塔的电流幅值，Ig是土壤发生电离的最小电流值。

(6)结合上述模型，按照实际结构合理组合，在ATP-EMTP中建立整体的复合杆塔过电压仿真模型，此模型可以应用在线路的雷击过电压仿真中，计算复合杆塔的过电压值及耐雷水平。

与现有技术相比，本发明一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法，具有以下优点：根据设计的复合杆塔典型结构，可通过上述方法建立复合杆塔过电压仿真模型，研究不同材料参数及结构尺寸条件下复合杆塔的过电压情况，为电网中复合杆塔的设计提供参考，提高复合杆塔的防雷性能。

如：在ATP-EMTP软件中建立输电线路模型。将工程实际中影响过电压分布的因素以参数的形式反映到输电线路模型之中，提高仿真运算的准确度与真实性。

在雷电过电压与耐雷水平计算中，我国相关电力行业标准通常采用等值电路的方法来简化计算。由于复合杆塔在我国并没有大量投入运行，因此其过电压模型研究较少。本发明即提供一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法。

附图说明

图1为复合杆塔过电压仿真模型设计方法的流程图。

图2为某复合杆塔的结构图；其中，1为地线、2为地线横担、3为接地引下线、4为导线横担、5为合成绝缘子拉条、6为导线、7为钢管杆。

图3为在ATP-EMTP中建立整体的复合杆塔过电压仿真模型。其中，LCC为线路模型，P1、P2、P3、P4分别为接地引下线上各段电势，U为所求的相间以及导线与接地引下线间的过电压。

图4为复合杆塔的电压仿真仿真结果图。

具体实施方式

一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法，具体步骤如下：

(1)、确定复合杆塔尺寸和选用材料，根据复合杆塔结构尺寸查找对应典型复合杆塔的复合材料冲击闪络特性参数、以及空气冲击闪络特性参数。算例杆塔如图2所示，其中地线横担以及3个导线横担的对地高度分别为28.2m、24.8m、21.3m和17.8m；钢管杆的高度为15.7m，半径为950mm；接地引下线的半径为10mm。

(2)、建立复合杆塔多波阻抗模型，对于单导体的波阻抗可用公式1计算：

式中，r和h分别是垂直于圆柱体的半径和高度。

鉴于杆塔最多是4导体系统，对于多个导体的波阻抗计算公式为公式2，公式2中的re为多导体系统的等效半径，按公式3计算。

式中，R为邻近导体间的距离。

杆塔横担波阻抗计算公式如公式4：

$Z_{Ak}=60ln\frac{2h_k}{r_{Ak}},(k=1,2,3,4)---\left(4\right)$

式中，hk为杆塔横担的高度，rAk为对应横担的半径。得到杆塔多波阻抗模型。

根据上述公式计算得到各部分的波阻抗分别为：ZG1＝418.2Ω、ZG2＝411.34Ω、ZG3＝402.2Ω、ZG4＝391.45Ω和ZT＝111.2Ω。

(3)、根据接地引下线设计，其电感值由公式5计算：

L_g＝L₀×h(5)

式中，L0为接地引下线单位长度电感值，h为接地引下线的高度。得到接地引下线模型，对于接地引下线模型要根据结构进行设置，根据接地引下线在横担上的位置分为两段，分别计算电感值加入接地引下线模型。此处只需加入单位电感值为L＝0.6382μH/m，该值为电力行业参考值；高度在程序中设置。

(4)、根据复合杆塔相连接的输电线路参数，在ATP-EMTP软件中建立输电线路模型。

依据提供的线路资料参数，如导地线型号，根据型号可以查到导地线的截面电气尺寸、直流电阻、集肤效应系数等参数、分裂数、悬挂点高度、弧垂、档距等，在EMTP中输入各参数，软件自动生成输电线路模型。

(5、)根据土壤类别建立接地电阻模型，冲击接地电阻值利用公式6计算：

式中，Rag为工频电流下复合杆塔的接地电阻值，Im为雷电冲击下流过复合杆塔的电流幅值，Ig是土壤发生电离的最小电流值。根据公式6，接地电阻计算值为7Ω。

(6)结合上述模型，按照实际结构合理组合，在ATP-EMTP中建立整体的复合杆塔过电压仿真模型如附图3，此模型可以应用在线路的雷击过电压仿真中，计算复合杆塔的过电压值及耐雷水平。仿真结果如附图4，线①、线②、线③分别表示地线横担与上相、上相与中相、中相与下相之间的电压。通过改变雷电流的大小来判断复合杆塔能承受雷电流的最大水平。

Claims (5)

1.一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法，其特征在于，

根据复合材料杆塔的结构尺寸、材料属性建立复合杆塔多波阻抗模型；

根据接地引下结构建立接地引下线模型；

建立输电线路模型；

根据土壤类别建立接地电阻模型；

将复合杆塔多波阻抗模型、接地引下线模型、接地电阻模型、以及根据实际线路参数建立的输电线路模型按照实际结构合理组合在一起，在仿真软件中得到总体的复合杆塔过电压仿真模型。

2.根据权利要求1所述一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法，其特征在于，

对于单导体的波阻抗用公式1计算：

$Z_T=60(ln\frac{2^{3/2}h}{r}-2)---\left(1\right)$

式中，r和h分别是垂直于圆柱体的半径和高度；

对于多个导体的波阻抗计算公式为公式2，公式2中的re为多导体系统的等效半径，按公式3计算：

$Z_{T,n}=60(ln\frac{2^{3/2}h}{r_e}-2)---\left(2\right)$

$r_e=\left\{\begin{array}{cc}{r}^{1/2}{R}^{1/2}& n=2\\ r^{1/3}{R}^{2/3}& n=3\\ 2^{1/8}{r}^{1/4}{R}^{3/4}& n=4\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，R为邻近导体间的距离；

杆塔横担波阻抗计算公式如公式4：

$Z_{Ak}=60ln\frac{2h_k}{r_{Ak}},(k=1,2,3,4)---\left(4\right)$

式中，hk为杆塔横担的高度，rAk为对应横担的半径；

得到杆塔多波阻抗模型。

3.根据权利要求1所述一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法，其特征在于，电感值由公式5计算：

L_g＝L₀×h(5)

式中，L0为接地引下线单位长度电感值，h为接地引下线的高度，得到接地引下线模型，根据接地引下线在横担上的位置分为两段，分别计算电感值。

4.根据权利要求1所述一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法，其特征在于，在ATP-EMTP软件中建立输电线路模型。

5.根据权利要求1所述一种复合杆塔过电压仿真模型设计方法，其特征在于，冲击接地电阻值利用公式6计算：

$R_{cg}=R_{ag}/\sqrt{1+I_m/I_g}---\left(5\right)$

式中，Rag为工频电流下复合杆塔的接地电阻值，Im为雷电冲击下流过复合杆塔的电流幅值，Ig是土壤发生电离的最小电流值，得到接地电阻模型。