CN108170964B - 一种雷击杆塔接地体电位的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种雷击杆塔接地体电位的计算方法，涉及电气工程技术领域，用于提高雷击杆塔接地体电位的仿真精度。该计算方法包括：在CDEGS平台建立杆塔接地体模型，对杆塔接地体模型进行雷击仿真，获取杆塔接地体模型在频域中的雷击响应数据；对雷击响应数据进行有理函数拟合，获得杆塔接地体模型的频率响应函数；根据CDEGS平台中频域与EMTP平台中时域的转化关系，在EMTP平台建立频率响应函数的时域等值电路模型；在EMTP平台建立雷击杆塔模型，并将所述时域等值电路模型作为雷击杆塔模型的杆塔接地体模块，计算获得雷击杆塔模型的雷击杆塔接地体电位。本发明提供的雷击杆塔接地体电位的计算方法用于杆塔雷击防护。

Description

一种雷击杆塔接地体电位的计算方法

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，尤其涉及一种雷击杆塔接地体电位的计算方法。

背景技术

随着电力行业的迅猛发展，杆塔作为架空输电线路的主要支撑结构，被广泛应用于输电网中。由于架空输电线路位于户外，使得杆塔遭遇雷击的事故多有发生，容易造成输电网线路跳闸故障，影响输电安全，所以，对雷击杆塔的现象进行研究，以便采取有效的避雷措施，十分必要。

雷击杆塔时，因杆塔接地体的接地状况，对于雷击点电位的高低具有重要影响，使得对杆塔接地体建模并进行雷击仿真，获取雷击杆塔接地体电位，已成为研究雷击杆塔现象的常用方法。

然而，在现有获取雷击杆塔接地体电位的方法中，由于杆塔接地体模型内非线性元件模拟冲击接地电阻的特性，通常是根据杆塔接地体的工频接地电阻值进行推算，或者是采用定值电阻直接计算，使得该获取方法虽然简单易用，但是并无法用于结构复杂的杆塔接地体，也容易降低雷击杆塔接地体电位的仿真精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种雷击杆塔接地体电位的计算方法，用于提高雷击杆塔接地体电位的仿真精度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种雷击杆塔接地体电位的计算方法，包括以下步骤：

步骤10，在电流电磁接地土壤结构分析CDEGS平台建立杆塔接地体模型，对杆塔接地体模型进行雷击仿真，获取杆塔接地体模型在频域中的雷击响应数据；

步骤20，对雷击响应数据进行有理函数拟合，获得杆塔接地体模型的频率响应函数；

步骤30，根据CDEGS平台中频域与电磁暂态仿真EMTP平台中时域的转化关系，在EMTP平台建立频率响应函数的时域等值电路模型；

步骤40，在EMTP平台建立雷击杆塔模型，并将时域等值电路模型作为雷击杆塔模型的杆塔接地体模块，计算获得雷击杆塔模型的雷击杆塔接地体电位。

与现有技术相比，本发明提供的雷击杆塔接地体电位的计算方法具有以下有益效果：

本发明提供的雷击杆塔接地体电位的计算方法，预先在CDEGS平台建立杆塔接地体模型，利用CDEGS平台中频域计算方便且精确度高的优点，能够准确获取杆塔接地体在雷击仿真时的频率响应函数；然后，在EMTP平台建立雷击杆塔模型，并将CDEGS平台中获得的频率响应函数，按照CDEGS平台中频域与EMTP平台中时域存在对应的转化关系，在EMTP平台中建立出其时域等值电路模型，作为EMTP平台中雷击杆塔模型的杆塔接地体模块，利用EMTP平台中时域计算快速准确的优点，便能快速精确的求解雷击杆塔模型的雷击杆塔接地体电位。

因此，本发明提供的雷击杆塔接地体电位的计算方法，结合了CDEGS平台和EMTP平台两大平台的优势，可以针对工况复杂且不同结构的杆塔接地体进行建模，适用性较广，而且，在求解雷击杆塔接地体电位的过程中采用了频域计算和时域计算相结合的方式，有助于提高雷击杆塔接地体电位的仿真精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的雷击杆塔接地体电位的计算方法流程图；

图2为本发明实施例提供的杆塔接地体模型的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的第一时域等值电路子模型的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的第二时域等值电路子模型的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的第三时域等值电路子模型的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的时域等值电路模型的局部结构示意图；

图7为本发明实施例提供的雷击杆塔模型的局部结构示意图；

图8为本发明实施例提供的雷击杆塔模型的雷击杆塔接地体电位图。

具体实施方式

为便于理解，下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的雷击杆塔接地体电位的计算方法进行详细描述。

请参阅图1，本发明实施例提供的雷击杆塔接地体电位的计算方法包括以下步骤：

步骤S10，在电流电磁接地土壤结构分析CDEGS平台建立杆塔接地体模型，对杆塔接地体模型进行雷击仿真，获取杆塔接地体模型在频域中的雷击响应数据。

杆塔接地体模型的建立一般通过CDEGS平台中的HIFREQ模块以矩量法为原理进行。对杆塔接地体模型进行雷击仿真时，主要是利用CDEGS平台中的FFTSES模块对雷电流进行傅里叶变换，并将其变换结果导入HIFREQ模块中，从而计算获取杆塔接地体模型在推荐频率下的响应特性。

示例性的，在CDEGS平台的HIFREQ模块中建立如图2所示的杆塔接地体模型。请参阅图2，杆塔接地体模型中的A点为模拟的雷电流注入点，A点取BC段的中点；BC段、CD段的长度为10m，CE段的长度为8m，BC段、CD段以及CE段均为导体，且其水平埋深为0.8m；垂直接地极CF段的长度为2m；土壤电阻率取100Ω·m；BC段、CD段、CE段以及CF段均采用半径为0.01m的钢管构成。对杆塔接地体模型进行雷击仿真时，在A点预加1A的电流激励，然后在FFTSES模块中输入雷电流参数，比如雷电流取波头/波尾时间为2.6/50μs，对雷电流进行傅里叶变换，并将雷电流的变换结果导入HIFREQ模块中。本实施例对雷电流的时域信号进行离散时，时间窗宽度T取150μs，采样点数N取2¹¹＝2048，采样频率△t＝T/N小于0.1μs，可保证采样精度。FFTSES模块对雷电流进行傅里叶变换，是为了向HIFREQ模块推荐计算频率；当FFTSES模块将推荐频率导入HIFREQ模块后，HIFREQ模块计算获取杆塔接地体模型在推荐频率下的响应特性，并进行反傅里叶变换，由FFTSES模块再度提供推荐频率，如此循环采样，从而获得杆塔接地体模型在雷击仿真时的雷击响应数据，该雷击响应数据为杆塔接地体模型频率响应的原始离散数据。

步骤S20，对雷击响应数据进行有理函数拟合，获得杆塔接地体模型的频率响应函数。

步骤S30，根据CDEGS平台中频域与电磁暂态仿真EMTP平台中时域的转化关系，在EMTP平台建立频率响应函数的时域等值电路模型。

步骤S40，在EMTP平台建立雷击杆塔模型，并将时域等值电路模型作为雷击杆塔模型的杆塔接地体模块，计算获得雷击杆塔模型的雷击杆塔接地体电位。

本发明实施例提供的雷击杆塔接地体电位的计算方法，通过在CDEGS平台建立杆塔接地体模型，并对该杆塔接地体模型进行雷击仿真，可以获取杆塔接地体模型在频域中的雷击响应数据，进而根据该雷击响应数据拟合出杆塔接地体模型的频率响应函数；然后，根据CDEGS平台中频域与EMTP平台中时域的对应转化关系，在EMTP平台建立杆塔接地体模型频率响应函数的时域等值电路模型，并且，在EMTP平台建立雷击杆塔模型，将上述频率响应函数的时域等值电路模型作为雷击杆塔模型的杆塔接地体模块，计算获得雷击杆塔模型的雷击杆塔接地体电位。

由上可知，本发明实施例提供的雷击杆塔接地体电位的计算方法，预先在CDEGS平台建立杆塔接地体模型，利用CDEGS平台中频域计算方便且精确度高的优点，能够准确获取杆塔接地体在雷击仿真时的频率响应函数；然后，在EMTP平台建立雷击杆塔模型，并将CDEGS平台中获得的频率响应函数，按照CDEGS平台中频域与EMTP平台中时域存在对应的转化关系，在EMTP平台中建立出其时域等值电路模型，作为EMTP平台中雷击杆塔模型的杆塔接地体模块，利用EMTP平台中时域计算快速准确的优点，便能快速精确的求解雷击杆塔模型的雷击杆塔接地体电位。因此，本发明实施例提供的雷击杆塔接地体电位的计算方法，结合了CDEGS平台和EMTP平台两大平台的优势，可以针对工况复杂且不同结构的杆塔接地体进行建模，适用性较广，而且，在求解雷击杆塔接地体电位的过程中采用了频域计算和时域计算相结合的方式，有助于提高雷击杆塔接地体电位的仿真精度。

为了进一步提高雷击杆塔接地体电位的仿真精度，请继续参阅图1，上述步骤S10和步骤S20之间，还包括步骤S15，判断雷击响应数据的精度是否满足目标精度；

如果满足，则执行步骤S20；

如果不满足，则返回步骤S10，重新对杆塔接地体模型进行雷击仿真，并获取杆塔接地体模型在频域中的雷击响应数据。

本发明实施例通过判断雷击响应数据的精度，可以在获得较高精度的雷击响应数据后，再对雷击响应数据进行有理函数拟合，从而获得较为精准的杆塔接地体模型频率响应函数，确保在将上述频率响应函数的时域等值电路模型作为雷击杆塔模型的杆塔接地体模块后，能够进一步提高雷击杆塔接地体电位的仿真精度。上述目标精度可以根据实际需要选择确定。

上述实施例的步骤S20中，雷击响应数据的有理函数拟合通常采用矢量匹配法进行，即通过有理函数部分分式之和的形式对杆塔接地体模型的频率响应函数进行逼近。需要说明的是，该矢量匹配法包括可加快收敛速度的改进矢量匹配法，一般采用基于MVF框架的MATLAB程序，对杆塔接地体模型的频率响应函数进行拟合。

当采用上述矢量匹配法拟合后，获得的杆塔接地体模型的频率响应函数f(s)为：

其中，s为频率变量，N为有理函数分式的总个数，n为有理函数分式的序号数，a_n为第n个有理函数分式的极点，c_n为第n个有理函数分式的零点，d为常数项，h为拟合系数。

假设上述频率响应函数f(s)中包括K对共轭复数极点和N-2K个实数极点时，可获得上述频率响应函数f(s)的变形函数F(s)为：

其中，f_1n(s)为第一子函数，f_2n(s)为第二子函数，f₃(s)为第三子函数；

K对共轭复数极点包括：

K对共轭复数极点的留数包括：

其中，n＝1，2…K；p_rn、c_rn分别为共轭复数极点的实部，p_rn＞0；p_in、c_in分别为共轭复数极点的虚部，j为虚数单位；

N-2K个实数极点包括：

N-2K个实数极点的留数包括：

其中，

n＝2K+1，2K+2…N。

上述实施例的步骤S30中，在EMTP平台建立频率响应函数的时域等值电路模型，包括：

根据第一子函数f_1n(s)建立如图3所示的第一时域等值电路子模型，根据第二子函数f_2n(s)建立如图4所示的第二时域等值电路子模型，根据第三子函数f₃(s)建立如图5所示的第三时域等值电路子模型；

将K个第一时域等值电路子模型，N-2K个第二时域等值电路子模型以及一个第三时域等值电路子模型依序串联，在EMTP平台建立频率响应函数的时域等值电路模型，该时域等值电路模型的局部结构如图6所示。

上述实施例的步骤S40中，在EMTP平台建立雷击杆塔模型时，雷击杆塔模型通常根据输电线路的实际运行参数以及雷电流的仿真参数建立。

示例性的，请参阅图7，按照110kV同塔双回输电线路的结构建立雷击杆塔模型：110kV同塔双回输电线路的架空线路1采用J.marti-模型；杆塔2分段进行波阻抗模拟，其中，主材波阻抗取150Ω，斜材波阻抗1350Ω，斜材长度设为相应主材长度的1.5倍；横担波阻抗取200Ω，门型架波阻抗则取125Ω。杆塔内冲击波的传播速度取0.85倍光速，即2.55×108m/s；雷电流的幅值取50kA；杆塔接地体模块3采用上述图6所示的时域等值电路模型。在EMTP平台建立如上雷击杆塔模型后，通过计算可获得雷击杆塔模型的雷击杆塔接地体电位，即雷击杆塔模型的雷击杆塔接地体电压波形图，如图8所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种雷击杆塔接地体电位的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤10，在电流电磁接地土壤结构分析CDEGS平台建立杆塔接地体模型，对所述杆塔接地体模型进行雷击仿真，获取所述杆塔接地体模型在频域中的雷击响应数据；

步骤20，对所述雷击响应数据进行有理函数拟合，获得所述杆塔接地体模型的频率响应函数；

步骤30，根据CDEGS平台中频域与电磁暂态仿真EMTP平台中时域的转化关系，在EMTP平台建立所述频率响应函数的时域等值电路模型；

步骤40，在所述EMTP平台建立雷击杆塔模型，并将所述时域等值电路模型作为所述雷击杆塔模型的杆塔接地体模块，计算获得所述雷击杆塔模型的雷击杆塔接地体电位，

其中，在步骤20中，所述雷击响应数据的有理函数拟合采用矢量匹配法进行，在采用所述矢量匹配法进行拟合后，获得的所述杆塔接地体模型的频率响应函数f(s)为：

其中，s为频率变量，N为有理函数分式的总个数，n为有理函数分式的序号数，a_n为第n个有理函数分式的极点，c_n为第n个有理函数分式的零点，d为常数项，h为拟合系数，

并且其中，所述频率响应函数f(s)中包括K对共轭复数极点和N-2K个实数极点时，所述频率响应函数f(s)的变形函数F(s)为：

其中，f_1n(s)为第一子函数，f_2n(s)为第二子函数，f₃(s)为第三子函数；

K对共轭复数极点包括：

K对共轭复数极点的留数包括：

其中，n＝1，2…K；p_rn、c_rn分别为共轭复数极点的实部，p_rn＞0；p_in、c_in分别为共轭复数极点的虚部，j为虚数单位；

N-2K个实数极点包括：

N-2K个实数极点的留数包括：

其中，

2.根据权利要求1所述的雷击杆塔接地体电位的计算方法，其特征在于，步骤10和步骤20之间，还包括步骤15，判断所述雷击响应数据的精度是否满足目标精度；

如果满足，则执行步骤20；

如果不满足，则返回步骤10，重新对所述杆塔接地体模型进行雷击仿真，并获取所述杆塔接地体模型在频域中的雷击响应数据。

3.根据权利要求1或2所述的雷击杆塔接地体电位的计算方法，其特征在于，步骤30中，在EMTP平台建立所述频率响应函数的时域等值电路模型，包括：

根据所述第一子函数f_1n(s)建立第一时域等值电路子模型，根据所述第二子函数f_2n(s)建立第二时域等值电路子模型，根据所述第三子函数f₃(s)建立第三时域等值电路子模型；

将K个所述第一时域等值电路子模型，N-2K个所述第二时域等值电路子模型以及一个所述第三时域等值电路子模型依序串联，在EMTP平台建立所述频率响应函数的时域等值电路模型。

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