CN110161304A - 一种多重雷作用下线路避雷器吸收能量和残压的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多重雷作用下线路避雷器吸收能量和残压的计算方法。目前输电线路避雷器保护有效性的计算和验证只考虑单回击雷击情形，然而实际运行中输电线路可能遭受多重雷也即多回击雷电雷击过程，各次回击均在避雷器中注入能量，此时避雷器吸收的能量极可能超过单回击情况。本发明基于线路避雷器雷击计算模型，通过计算各次回击导致的避雷器电阻片温升，更新后续回击下的避雷器吸收能量和残压计算过程中的伏安特性曲线，最后通过累加各次回击下的避雷器吸收能量并综合各次回击绝缘间隙残压，获得避雷器吸收能量和总体残压。本发明考虑了各次回击对避雷器伏安特性的影响，能够更为准确地计算得到多回击雷电作用下线路避雷器吸收能量和残压。

Description

一种多重雷作用下线路避雷器吸收能量和残压的计算方法

技术领域

本发明涉及多重雷作用下线路避雷器吸收能量和残压的计算方法，具体地说是一种对 多重雷作用下线路避雷器伏安特性曲线进行动态调整的避雷器吸收能量、残压计算方法。

背景技术

输电线路走廊条件十分恶劣，极易遭受雷电灾害威胁，输电线路安装避雷器是有效的 防雷措施。为了保证避雷器防护的有效性，有必要对避雷器的防护性能进行合理地分析。 避雷器防护性能的分析主要包括避雷器吸收能量是否超出设计、避雷器残压是否会造成被 保护的绝缘子放电。

目前单回击下的避雷器防护特性分析已经建立仿真模型。然而，在实际运行中，输电 线路遭受的雷击可能存在多次后续回击，也即多重雷击过程。多重雷击下各次序回击均会 对避雷器注入能量，可能导致避雷器吸收的能量远多于单回击雷击情况，此时避雷器吸收 能量是否会超出线路避雷器的能量限值需要进行计算和分析。由于避雷器的伏安特性受温 度的影响较大，多重回击过程中避雷器电阻片温度持续上升导致各次回击下的避雷器伏安 特性曲线发生变化，现有的雷电单回击下的避雷器吸收能量和残压的计算方法已无法适 用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种考虑多重雷击 下线路避雷器伏安特性曲线动态调整的避雷器吸收能量、残压计算方法，其基于线路避雷 器雷击计算模型，通过计算各次回击导致的避雷器电阻片温升，更新后续回击下的避雷器 吸收能量和残压计算过程中的伏安特性曲线，最后通过累加各次回击下的避雷器吸收能量 并综合各次回击绝缘间隙残压，获得多重回击下的避雷器吸收能量和总体残压。

为此，本发明采用的技术方案如下：一种多重雷作用下线路避雷器吸收能量和残压的 计算方法，其包括如下步骤：

a)获取目标杆塔和线路参数，利用EMTP(电磁暂态程序)软件建立线路避雷器雷击计算模型；

b)利用不同温度下的避雷器电阻片雷电冲击伏安特性试验，得到目标杆塔线路避雷器 伏安特性与电阻片温度之间的关系；

c)确定某次多重回击雷电的主放电及历次后续回击的雷电流幅值、时间间隔参数，以 及对应环境温度；

d)以室温条件下避雷器伏安特性曲线为基础，利用步骤b)得到的避雷器伏安特性与电 阻片温度的关系，得到该次多重回击雷电环境温度下的避雷器伏安特性；

e)基于步骤a)建立的线路避雷器雷击计算模型，以环境温度下的避雷器伏安特性和主 放电雷电流幅值参数进行雷击仿真，计算主放电下避雷器吸收能量和避雷器两端残压峰 值；

f)根据计算得到的主放电下避雷器吸收能量，基于避雷器电阻片质量和比热参数计算 电阻片温升；

g)基于不同温度下的避雷器伏安特性，并根据电阻片温升调整避雷器的伏安特性；

h)根据步骤b)得到的避雷器伏安特性与电阻片温度的关系，计算随后一次后续回击下 的避雷器吸收能量、避雷器两端残压以及电阻片温升；

i)重复g)、h)步骤，依次完成历次后续回击下的避雷器吸收能量和残压计算；

j)累加主放电和各次后续回击下避雷器吸收能量，获得避雷器总的吸收能量，并综合 主放电和各次后续回击对应避雷器两端残压，获得多回击过程中避雷器总体残压最大值。

本发明基于单回击下的避雷器吸收能量和残压计算模型，考虑各次回击下避雷器电阻 片温升引起的伏安特性变化，对多重雷作用下的线路避雷器吸收能量和残压进行计算。

进一步的，步骤a)中，获取的目标杆塔参数包括杆塔型号、呼高、波阻抗和接地电阻， 线路参数包括导线半径或子导线半径、直流电阻、分裂数及分裂子导线间隔距离、导线空 间位置；线路避雷器雷击计算模型由铁塔、架空线、直流电源或三相交流电源、雷电流通道组成，仿真时雷电绕击导线。

进一步的，步骤b)中，线路避雷器伏安特性与电阻片温度T_r的关系为：

U＝f(I,T_r)，

具体表达式由不同温度下的避雷器电阻片伏安特性试验得到，其中U为通过雷电流时 避雷器两端电压峰值，I为雷电冲击电流幅值。

进一步的，步骤c)中，多重回击雷电的主放电雷电流幅值、各次后续回击雷电流幅值、 主放电及历次后续回击之间的时间间隔参数由雷电监测系统观测得到。

进一步的，步骤e)中，雷电流的波形选取基于双指数函数的Heilder type模型，雷电 流波头时间采用2.6μs，雷电流波尾时间采用50μs；主放电下避雷器吸收能量的计算公式 如下所示：

式中，Q为吸收热量，U(t)为避雷器整体电压随时间变化函数，利用线路避雷器雷击 计算模型计算得到，I(t)为避雷器电流随时间变化函数，利用线路避雷器雷击计算模型计算 得到，T为避雷器电阻片通流持续时间。

进一步的，步骤f)中，基于步骤e)计算得到的避雷器吸收能量，避雷器电阻片的温升 计算公式如下所示：

式中，Q为吸收热量，n为避雷器中电阻片数量，c为电阻片比热容，m为单片电阻片质量，Δt为电阻片温升。

与传统技术相比，本发明能够对多重雷作用下的线路避雷器吸收能量、残压进行计算， 且计算中考虑了各次回击对避雷器伏安特性的影响，保证了多回击雷电作用下线路避雷器 吸收能量和残压计算的精度。

附图说明

图1为本发明实施例中的计算流程图；

图2为本发明应用例中某杆塔结构图；

图3为本发明计算涉及的线路避雷器20℃下的伏安特性曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示的一种多重雷作用下线路避雷器吸收能量和残压的计算方法，其包括如下 步骤：

a)获取目标杆塔和线路参数，利用EMTP软件建立线路避雷器雷击计算模型；

b)利用不同温度下的避雷器电阻片雷电冲击伏安特性试验，得到目标杆塔线路避雷器 伏安特性与电阻片温度之间的关系；

c)确定某次多重回击雷电的主放电及历次后续回击的雷电流幅值、时间间隔参数，以 及对应环境温度；

d)以室温条件下避雷器伏安特性曲线为基础，利用步骤b)得到的避雷器伏安特性与电 阻片温度的关系，得到该次多重回击雷电环境温度下的避雷器伏安特性；

e)基于步骤a)建立的线路避雷器雷击计算模型，以环境温度下的避雷器伏安特性和主 放电雷电流幅值参数进行雷击仿真，计算主放电下避雷器吸收能量和避雷器两端残压峰 值；

f)根据计算得到的主放电下避雷器吸收能量，基于避雷器电阻片质量和比热参数计算 电阻片温升；

g)基于不同温度下的避雷器伏安特性，并根据电阻片温升调整避雷器的伏安特性；

h)根据步骤b)得到的避雷器伏安特性与电阻片温度的关系，计算随后一次后续回击下 的避雷器吸收能量、避雷器两端残压以及电阻片温升；

i)重复g)、h)步骤，依次完成历次后续回击下的避雷器吸收能量和残压计算；

j)累加主放电和各次后续回击下避雷器吸收能量，获得避雷器总的吸收能量，并综合 主放电和各次后续回击对应避雷器两端残压，获得多回击过程中避雷器总体残压最大值。

步骤a)中，获取的目标杆塔参数包括杆塔型号、呼高、波阻抗和接地电阻，线路参数 包括导线半径或子导线半径、直流电阻、分裂数及分裂子导线间隔距离、导线空间位置；线路避雷器雷击计算模型由铁塔、架空线、直流电源或三相交流电源、雷电流通道组成， 仿真时雷电绕击导线。

步骤b)中，所述的线路避雷器伏安特性与电阻片温度T_r的关系为：

U＝f(I,T_r)

具体表达式由不同温度下的避雷器电阻片伏安特性试验得到，其中U为通过雷电流时 避雷器两端电压峰值，I为雷电冲击电流幅值。

步骤c)中，多重回击雷电的主放电雷电流幅值、各次后续回击雷电流幅值、主放电及 历次后续回击之间的时间间隔参数由雷电监测系统观测得到。

步骤e)中，雷电流的波形选取基于双指数函数的Heilder type模型，雷电流波头时间 采用2.6μs，雷电流波尾时间采用50μs；主放电下避雷器吸收能量的计算公式如下所示：

式中，Q为吸收热量，U(t)为避雷器整体电压随时间变化函数，I(t)为避雷器电流随时 间变化函数，T为避雷器电阻片通流持续时间。

步骤f)中，基于步骤e)计算得到的避雷器吸收能量，避雷器电阻片的温升计算公式如 下所示：

式中，Q为吸收热量，n为避雷器中电阻片数量，c为电阻片比热容，m为单片电阻片质量，Δt为电阻片温升。

应用例

以某特高压直流线路一次典型的多重雷击为例，对多重雷击下线路避雷器吸收能量和 残压进行计算，具体步骤如下：

①获取杆塔及线路参数，杆塔结构形式见图2，在EMTP软件中搭建线路避雷器雷击计 算模型，电源选择±800kV运行电压源模型，线路选择LCC线路模型，杆塔选择多波阻抗模型，并设置各模型参数。

②对目标线路避雷器进行不同电阻片温度下的雷电冲击伏安特性测试，得到20摄氏 度下避雷器伏安特性曲线如图3所示，其余温度下避雷器伏安特性曲线在图3所示曲线基 础上进行校正，避雷器电阻片电压温度系数为﹢0.119％/℃，即电阻片温度每增加1℃，避 雷器通过相同幅值雷电流时，两端电压增加0.119％。

③在雷电监测系统中查得主放电及后续回击雷电流幅值、对应时刻如表1所示。同时 根据气象数据，得到故障杆塔环境温度为20℃。

表1特高压直流某次典型多重雷击参数

时间	幅值	描述
			2017-06-11 12:51:23.663	-66.1	主放电(含4次后续回击)
2017-06-11 12:51:23.685	-41.4	后续第1次回击
			2017-06-11 12:51:23.914	-36.3	后续第2次回击
2017-06-11 12:51:23.967	-13.4	后续第3次回击
			2017-06-11 12:51:24.006	-10.4	后续第4次回击

④线路避雷器所处环境温度下，其伏安特性直接采用图3数据。

⑤基于线路避雷器雷击计算模型，以环境温度下的避雷器伏安特性、主放电雷电流 参数进行雷击仿真计算，计算避雷器电阻片通过的雷电流峰值、避雷器吸收能量、避雷器两端残压。其中主放电雷电流波形为2.6/50μs，避雷器电阻片直径0.078m、厚度0.0225m。计算结果如表2所示。

表2多重雷击主放电仿真结果

⑥根据计算得到的避雷器吸收能量，基于避雷器电阻片质量、比热参数，按照式(1) 计算电阻片温升，其中电阻片密度为5.57×103kg/m³，比热容为0.5kJ/(kg·℃)，经计算 主放电雷电流下的电阻片温升为56.6℃。

⑦基于不同温度下的避雷器伏安特性，并根据电阻片温升调整避雷器的伏安特性，得 到电阻片76.6℃下的伏安特性曲线如图3所示。

⑧根据调整后的伏安特性曲线，计算后续第一次回击时的避雷器电阻片通流、吸收能 量、绝缘间隙过电压以及电阻片温升。

⑨重复步骤⑦-步骤⑧，依次完成历次后续回击下的避雷器吸收能量和残压计算。主 放电、各次后续回击对应的避雷器吸收能量、电阻片温升、避雷器残压结果如表3所示。

表3典型多重雷击仿真结果(伏安特性温度系数﹢0.119％/℃)

⑩累加历次雷击下避雷器吸收能量，获得该次多重雷作用下线路避雷器总的吸收能量 为6079kJ，综合主放电和各次序后续回击下避雷器两端残压，得到该次多重雷作用下线路 避雷器残压最大值为1930kV。

上述实施方式已经对本发明的一些细节进行了描述，但是不能理解为对本发明的限 制，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对其 进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种多重雷作用下线路避雷器吸收能量和残压的计算方法，其特征在于，包括步骤：

a)获取目标杆塔和线路参数，利用EMTP软件建立线路避雷器雷击计算模型；

b)利用不同温度下的避雷器电阻片雷电冲击伏安特性试验，得到目标杆塔线路避雷器伏安特性与电阻片温度之间的关系；

c)确定某次多重回击雷电的主放电及历次后续回击的雷电流幅值、时间间隔参数，以及对应环境温度；

d)以室温条件下避雷器伏安特性曲线为基础，利用步骤b)得到的避雷器伏安特性与电阻片温度的关系，得到该次多重回击雷电环境温度下的避雷器伏安特性；

e)基于步骤a)建立的线路避雷器雷击计算模型，以环境温度下的避雷器伏安特性和主放电雷电流幅值参数进行雷击仿真，计算主放电下避雷器吸收能量和避雷器两端残压峰值；

f)根据计算得到的主放电下避雷器吸收能量，基于避雷器电阻片质量和比热参数计算电阻片温升；

g)基于不同温度下的避雷器伏安特性，并根据电阻片温升调整避雷器的伏安特性；

h)根据步骤b)得到的避雷器伏安特性与电阻片温度的关系，计算随后一次后续回击下的避雷器吸收能量、避雷器两端残压以及电阻片温升；

i)重复g)、h)步骤，依次完成历次后续回击下的避雷器吸收能量和残压计算；

j)累加主放电和各次后续回击下避雷器吸收能量，获得避雷器总的吸收能量，并综合主放电和各次后续回击对应避雷器两端残压，获得多回击过程中避雷器总体残压最大值。

2.根据权利要求1所述的多重雷作用下线路避雷器吸收能量和残压的计算方法，其特征在于，步骤a)中，获取的目标杆塔参数包括杆塔型号、呼高、波阻抗和接地电阻，线路参数包括导线半径或子导线半径、直流电阻、分裂数及分裂子导线间隔距离、导线空间位置；线路避雷器雷击计算模型由铁塔、架空线、直流电源或三相交流电源、雷电流通道组成，仿真时雷电绕击导线。

3.根据权利要求1所述的多重雷作用下线路避雷器吸收能量和残压的计算方法，其特征在于，步骤b)中，所述的线路避雷器伏安特性与电阻片温度T_r的关系为：

U＝f(I,T_r)

具体表达式由不同温度下的避雷器电阻片伏安特性试验得到，其中U为通过雷电流时避雷器两端电压峰值，I为雷电冲击电流幅值。

4.根据权利要求1所述的多重雷作用下线路避雷器吸收能量和残压的计算方法，其特征在于，步骤c)中，多重回击雷电的主放电雷电流幅值、各次后续回击雷电流幅值、主放电及历次后续回击之间的时间间隔参数由雷电监测系统观测得到。

5.根据权利要求1所述的多重雷作用下线路避雷器吸收能量和残压的计算方法，其特征在于，步骤e)中，雷电流的波形选取基于双指数函数的Heilder type模型，雷电流波头时间采用2.6μs，雷电流波尾时间采用50μs；主放电下避雷器吸收能量的计算公式如下所示：

式中，Q为吸收热量，U(t)为避雷器整体电压随时间变化函数，I(t)为避雷器电流随时间变化函数，T为避雷器电阻片通流持续时间。

6.根据权利要求1所述的多重雷作用下线路避雷器吸收能量和残压的计算方法，其特征在于，步骤f)中，基于步骤e)计算得到的避雷器吸收能量，避雷器电阻片的温升计算公式如下所示：

式中，Q为吸收热量，n为避雷器中电阻片数量，c为电阻片比热容，m为单片电阻片质量，Δt为电阻片温升。