CN110489869B - 一种双串防湿雪复合绝缘子的防雷击特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双串防湿雪复合绝缘子的防雷击特性分析方法，其技术特点是：建立双串防湿雪复合绝缘子先导发展模型，确定双串防湿雪复合绝缘子不同悬挂方式下k和E₀的值、雷击放电的等值电路、不同波形的雷电波，模拟得到雷电波形：确定闪络判定标准，判定是否发生闪络，得到输电线路杆塔模型；通过MATLAB多次迭代计算，计算出双II型、V型和倒V型的防冰雪复合绝缘子的雷击闪络判据。本发明设计合理，其，本发明主要对绝缘子放电的空气间隙进行了分析，简化了计算的模型，同时保证了计算的精度，得出了防冰雪绝缘子的防雷击特性，仿真时间显著减小。

Description

一种双串防湿雪复合绝缘子的防雷击特性分析方法

技术领域

本发明属于架空输电线路技术领域，尤其是一种双串防湿雪复合绝缘子的防雷击特性分析方法。

背景技术

输电线路防雷保护的根本目的就是尽可能地减少线路雷击事故发生的次数并降低雷击事故引起的损失。从各国运行经验来看，由于输电线路传输距离长，所经之处大多为旷野、丘陵或高山，长期暴露在自然界之中，故极易受到外界的影响和损害，雷击已成为威胁输电线路安全运行的主要因素，严重影响输电线路的运行安全。根据我国高压输电线路事故的统计，雷击引起的跳闸事故占输电线路跳闸事故总数的40％～70％。特别是在一些雷电活动频繁、地形复杂、雷电强度高的地区，雷击架空输电线路引起的事故率会更高。

为了提高输电线路的耐雷性能，研究者开展了大量雷击架空输电线路的研究，例如输电线路的反击、绕击、雷电防护等。在架空输电线路防雷研究中，线路的反击耐雷水平是衡量输电线路耐雷性能的基本参数之一。绝缘子雷电冲击闪络特性是计算线路雷电过电压和雷电跳闸率的基础。根据绝缘间隙的过电压，可用闪络判据来确定绝缘是否为闪络，闪络判据的准确性对输电线路过电压计算和雷击跳闸率计算的准确性有很大影响。在输电线路的实际运行中，采用绝缘子串作为输电线路过电压的绝缘支撑，绝缘子串的雷击闪络特性直接决定了输电线路在雷电作用下的防雷性能。

近年针对电网部分冰雪闪络地区的输电线路进行了防冰(雪)改造，采用具有加大伞裙的复合防湿雪绝缘子，并且保持悬垂串为双串设计，以改善线路防湿雪闪络、防风偏、掉串能力。但双串设计如II型、V型和倒V型等悬挂方式对现有外绝缘性能的影响尚无综合考虑，特别是与防湿雪复合绝缘子串在实际运行过程中密切相关的防雷击性能，尚未开展系统的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、准确可靠并能够为输电线路改造提供依据的双串防湿雪复合绝缘子的防雷击特性分析方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种双串防湿雪复合绝缘子的防雷击特性分析方法，包括以下步骤：

步骤1、建立双串防湿雪复合绝缘子先导发展模型，确定双串防湿雪复合绝缘子不同悬挂方式下k和E₀的值、雷击放电的等值电路、不同波形的雷电波，模拟得到雷电波形：

步骤2、确定闪络判定标准，判定是否发生闪络，得到输电线路杆塔模型；

步骤3、通过MATLAB多次迭代计算，计算出双II型、V型和倒V型的防冰雪复合绝缘子的雷击闪络判据。

所述双串防湿雪复合绝缘子先导发展模型为：

式中：u(t)表示施加在绝缘子上的瞬时电压，v(t)为先导发展速度，k为先导发展系数，E₀为先导发展最低平均场强，l为先导长度，E_l为先导通道最低场强，d为间隙长度，δ为相对空气密度。

所述步骤1通过枚举法和迭代法确定不同悬挂方式下对应的k和E₀值。

所述雷击放电的等值电路考虑如下两种输电线路雷电过电压：一种是雷击线路附近大地，通过空间电磁感应作用在导线上产生的感应雷过电压；另一种是雷电直接击中杆塔、避雷线或导线产生的直击雷过电压。

所述步骤1采用2.6/50μs双指数波和2.0/50μs的Heidler波进行计算得到不同波形的雷电波。

所述步骤1雷电波形的确定方法为：选择一个受控电流源与Z₀＝300Ω的雷电通道波阻抗并联的电路来等效雷电通道，受控电流源波形使用双指数函数波形来模拟，通过PSCAD元件库中的指数函数来完成，雷电流幅值大小通过滑动触头自行调节，从而仿真得到2.0/50μs和2.6/50μs雷电流波形。

所述步骤2闪络判定标准为：采用比较法作为绝缘子闪络判据，使用电压控制开关，把绝缘子串两端电压的绝对值作为输入电压，与开关的控制电压进行比较，且开关处于常开状态，若绝缘子串两端电压大于开关的控制电压则开关动作闭合，此时电流沿杆塔进入线路，若绝缘子串两端电压小于开关的控制电压则开关不动作处于开闸状态，电流不会沿杆塔进入线路。

所述步骤2判定是否发生闪络的方法为：当绝缘子串没有发生闪络时，开关不动作，保持1的状态，当电压变成闪络电压时，开关状态由1变成0。

所述步骤2采用PSCAD模型库中的频率相关模型，建立七基杆塔的输电线路杆塔模型，其输电线路全线水平架设双回避雷线，线路档距为500m。

附图说明

图1是雷击输电线路部位示意图；

图2是反击放电等值电路图；

图3a是幅值为300k A的2.6/50μs双指数波形；

图3b是幅值为300k A的2.0/50μs Heidler波形；

图4是雷电流仿真模型；

图5是2.0/50μs雷电流仿真波形；

图6是2.6/50μs雷电流仿真波形；

图7是绝缘子串模型图；

图8是绝缘子串闪络模型；

图9是模拟绝缘子开关闭合状态；

图10是模拟绝缘子开关断开状态；

图11是输电线路模型示意图；

图12是采用CIGRE推荐的先导模型法下伏秒特性曲线对比图；

在图2中，i--雷电冲击电流，Z₀--雷电通道波阻抗，Z₁--杆塔波阻抗，Z₂--避雷线波阻抗，R_g--接地电阻，Z--输电线路波阻抗，S--绝缘子串等值开关。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

本发明的设计思想为：

(1)分析防冰雪复合绝缘子雷击闪络现象与机理，采用理论分析与仿真计算方法分析防冰雪复合绝缘子II串的悬挂距离、V串与倒V串的悬挂角度等参数下的冲击闪络特性；

(2)基于电网的雷电活动特性，建立电磁暂态分析模型，理论分析与仿真计算不同双串防冰雪复合绝缘子悬挂方式下的防雷击特性，提出防冰雪复合绝缘子串的雷击闪络判据。

基于上述设计思想，本发明双串防湿雪复合绝缘子的防雷击特性分析方法，包括以下步骤：

步骤1、建立电磁暂态分析模型，具体包括：

(1)建立先导发展模型

根据CIGRE推荐的先导发展公式，本发明采用的先导速度公式为：

式中：u(t)表示施加在绝缘子上的瞬时电压，v(t)为先导发展速度，k为先导发展系数，E₀为先导发展最低平均场强，l为先导长度，E_l为先导通道最低场强，d为间隙长度，δ为相对空气密度。

采用前述改进的先导发展法模型可以通过仿真计算得到绝缘子的伏秒特性曲线，也可以通过试验得到II串、V串和倒V串绝缘子的伏秒特性曲线修正先导发展法的系数。

(2)确定不同悬挂方式下k和E₀的值：

当先导的长度达到一定长度时，剩余的空气间隙小于末跃长度，则认为击穿。本发明的末跃长度取间隙长度的1/3。根据先导速度公式，通过Matlab并利用梯形积分法可计算出伏秒特性曲线，在CIGRE推荐的先导发展速度公式中，考虑到上行先导和下行先导的共同作用，认为只有一端先导起始。通过枚举法和迭代法确定不同悬挂方式下对应的k和E₀值。

(3)确定雷击放电的等值电路图

本专利考虑两种输电线路雷电过电压：一种是雷击线路附近大地，通过空间电磁感应作用在导线上产生的感应雷过电压，另一种是雷电直接击中杆塔、避雷线或导线产生的直击雷过电压，如图1所示。

反击雷过电压是雷击线路杆塔或者避雷线时，因为接地电阻以及杆塔波阻抗的作用产生的过电压。绕击雷电过电压是雷击中导线产生的过电压。当反击发生时，先导通道中的负电荷与杆塔、避雷线和大地中的正电荷中和，形成了雷电冲击电流i，反击时的等值电路见图2。

由于塔顶电位受雷电流i幅值与杆塔波阻抗Z、接地电阻R的影响，当塔顶电位超过绝缘子的闪络电压时，雷电流注入输电线路通道，即发生反击，此时表现为绝缘子串等值开关S闭合。

(4)确定不同波形的雷电波

为了进行定量分析，对雷电防护工程施工中的雷电波形进行了仔细分析和总结，即双指数函数波，Heidler波、等值斜角波、等值余弦形和幂指数波等。本专利采用2.6/50μs双指数波和2.0/50μs的Heidler波进行计算，波形如图3a及图3b所示。

(5)模拟得到雷电波形

雷电流主放电是沿着波阻抗为Z₀的雷电放电通道传播，选择一个受控电流源与Z₀＝300Ω的雷电通道波阻抗并联的电路来等效雷电通道。受控电流源波形可用双指数函数波形来模拟，通过PSCAD元件库中的指数函数等基本元件来完成，雷电流幅值大小可以通过滑动触头自行调节。雷电流仿真模型如图4所示，根据此模型仿真得到2.0/50μs和2.6/50μs雷电流波形如图5、图6所示。

步骤2、建立绝缘子串闪络模型，具体方法为：

(1)闪络判定标准

本专利采用比较法作为仿真研究的绝缘子闪络判据。用电压控制开关，把绝缘子串两端电压的绝对值作为输入电压，与开关的控制电压进行比较，且开关处于常开状态。若绝缘子串两端电压大于开关的控制电压则开关动作闭合，此时电流沿杆塔进入线路。若绝缘子串两端电压小于开关的控制电压则开关不动作处于开闸状态，电流不会沿杆塔进入线路，如图7所示，仿真线路模型如图8所示。

(2)判定是否发生闪络

当绝缘子串没有发生闪络时，开关不动作，保持1的状态，如图9所示：

当绝缘子串闪络时，开关动作如图10所示，当电压变成闪络电压时，开关状态由1变成0。

(3)输电线路杆塔模型

架空线路采用PSCAD模型库中的频率相关模型，据此建立七基杆塔的线路模型如图11。线路全线水平架设双回避雷线，线路档距为500m。计算时避雷线不做消去处理，来考虑避雷线对雷电流传播过程的影响。输电导线末端选用5km的长线模拟，用以消除雷电流在输电线路末端的折反射。鉴于雷击过程短暂，线路终端采用冲击阻抗模拟，避雷线通过该阻抗接地，平均土壤电阻率取为100Ωm。

步骤3、通过MATLAB多次迭代计算，计算出双II型、V型和倒V型的防冰雪复合绝缘子的雷击闪络判据。

本发明基于CIGRE推荐先导发展模型对双串绝缘子的闪络判据进行了分析和改进，对于先导法的改进主要是在于对k和E₀值的确定，通过MATLAB多次迭代计算，计算出双II型、V型和倒V型的防冰雪复合绝缘子的闪络判据，其各自的伏秒特性曲线如图12所示。

下面结合现场试验，说明本专利的有益效果：

(1)采用CIGRE推荐的先导发展模型和系数(k＝0.8×10^-6，E₀＝600)，其中E_l＝0、h_f＝0和δ＝1.0。计算得出的II串、V串和倒V串伏秒特性曲线，如图12所示。从图12可知，根据CIGRE推荐先导发展模型和系数计算得到的伏秒特性曲线与试验所得伏秒特性曲线相差较大，k和E₀的取值需要进一步校正。

(2)根据上述方法通过多次计算，对校正后的伏秒特性曲线进行计算，得到k和E₀如表1：

(3)综合上述分析和计算，将表1的数据带入到式中得到雷电冲击下，Ⅱ串和V串绝缘子先导发展速度公式分别为：

表1 k和E₀最优解

串型	极性	<![CDATA[k(m<sup>2</sup>v<sup>-2</sup>s<sup>-1</sup>)]]>	<![CDATA[E<sub>0</sub>(KVm<sup>-1</sup>)]]>	<![CDATA[R<sup>2</sup>]]>
					V串	负极性	0.64	580	0.9976
倒V串	负极性	0.58	589	0.9975
					Ⅱ串	负极性	0.53	595	0.9978

(4)表2列出了500kV输电线路在双指数波形下，II串、V串和倒V串悬挂方式下复

合绝缘子的线路反击耐雷水平仿真计算结果。

表2 500kV输电线路反击耐雷水平(kA)

串型	修正的先导发展法下反击耐雷水平
		V串	262
倒V串	283
		Ⅱ串	305

(5)从上述结果可知，在冲击电压的作用下，II串绝缘子的电场分布更接近于棒-棒间隙，而V串和倒V串的绝缘子电场分布更接近于棒-板空气间隙。

(6)通过上述方法对绝缘子防雷击特性进行分析，可以大大节约计算时间，原有对于绝缘子防雷击特性的分析主要是对绝缘子表面的放电路径进行分析，得出了相应的绝缘子的防雷击特性，本发明主要对绝缘子放电的空气间隙进行了分析，简化了计算的模型，同时保证了计算的精度，得出了防冰雪绝缘子的防雷击特性，仿真时间显著减小。

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种双串防湿雪复合绝缘子的防雷击特性分析方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、建立双串防湿雪复合绝缘子先导发展模型，确定双串防湿雪复合绝缘子不同悬挂方式下k和E₀的值、雷击放电的等值电路、不同波形的雷电波，模拟得到雷电波形：

步骤2、确定闪络判定标准，判定是否发生闪络，得到输电线路杆塔模型；

步骤3、通过MATLAB多次迭代计算，计算出双II型、V型和倒V型的防湿雪复合绝缘子的雷击闪络判据；

所述双串防湿雪复合绝缘子先导发展模型为：

式中：u(t)表示施加在绝缘子上的瞬时电压，v(t)为先导发展速度，k为先导发展系数，E₀为先导发展最低平均场强，l为先导长度，E_l为先导通道最低场强，d为间隙长度，δ为相对空气密度；

所述步骤1通过枚举法和迭代法确定不同悬挂方式下对应的k和E₀值；

所述雷击放电的等值电路考虑如下两种输电线路雷电过电压：一种是雷击线路附近大地，通过空间电磁感应作用在导线上产生的感应雷过电压；另一种是雷电直接击中杆塔、避雷线或导线产生的直击雷过电压；

所述步骤1采用2.6/50μs双指数波和2.0/50μs的Heidler波进行计算得到不同波形的雷电波；

所述步骤1雷电波形的确定方法为：选择一个受控电流源与Z₀＝300Ω的雷电通道波阻抗并联的电路来等效雷电通道，受控电流源波形使用双指数函数波形来模拟，通过PSCAD元件库中的指数函数来完成，雷电流幅值大小通过滑动触头自行调节，从而仿真得到2.0/50μs和2.6/50μs雷电流波形；

所述步骤2闪络判定标准为：采用比较法作为绝缘子闪络判据，使用电压控制开关，把绝缘子串两端电压的绝对值作为输入电压，与开关的控制电压进行比较，且开关处于常开状态，若绝缘子串两端电压大于开关的控制电压则开关动作闭合，此时电流沿杆塔进入线路，若绝缘子串两端电压小于开关的控制电压则开关不动作处于开闸状态，电流不会沿杆塔进入线路；

所述步骤2判定是否发生闪络的方法为：当绝缘子串没有发生闪络时，开关不动作，保持1的状态，当电压变成闪络电压时，开关状态由1变成0；

所述步骤2采用PSCAD模型库中的频率相关模型，建立七基杆塔的输电线路杆塔模型，其输电线路全线水平架设双回避雷线，线路档距为500m。

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