CN110596462A - 基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构及高耸直立杆塔多段阻抗分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构及高耸直立杆塔多段阻抗分析方法，与现有技术相比解决了无法满足高耸直线杆塔防雷要求的缺陷。本发明中位于进线侧横向支撑管架一侧的两个塔脚分别与进线侧横向支撑管架的两个顶点通过接地引下线相连接，位于出线侧横向支撑管架一侧的两个塔脚分别与出线侧横向支撑管架的两个顶点通过接地引下线相连接。本发明通过附加引下线的设计减小了高耸直线杆塔塔身波阻抗，增加了高耸直线杆塔反击耐雷水平，降低了使用高耸直线杆塔的输电线路雷电反击跳闸率，特别适用于雷害区已使用高耸直线杆塔的输电线路。
Description
技术领域
本发明涉及杆塔防雷技术领域，具体来说是基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构及高耸直立杆塔多段阻抗分析方法。
背景技术
随着架空输电线路工程外部环境影响，架空输电线路直线塔高度不断增加。对于直线杆塔，在输电线路设计、运行时，通常将改善接地装置、架设避雷线、适当加强绝缘、架设耦合地线、加装线路避雷器等措施作为防治雷害的主要技术手段。
这些手段主要是通过增加杆塔耐雷水平以降低雷击跳闸率。但是，如图4所示，当输电线路使用杆塔全高超过100m的高耸直线杆塔时，由于杆塔结构高度增加，自身波阻抗增大，对引起杆塔耐雷水平的降低，导致雷击跳闸率增加起到了主要作用，以上防治雷害的技术手段对降低杆塔波阻抗的作用不大。另外，因耐候角钢造价高，如杆塔全高超过100m的高耸直线杆塔塔材采用耐候角钢塔，工程投资经济性较差。
杆塔高度的升高，带来的是杆塔波阻抗值的加大，对于雷击电流来说，其在高杆塔波阻抗上产生的压降也会增大，即波阻抗对线路耐雷水平的影响会随着杆塔高度的增大而加深。在此情况下，合理有效地对输电线路高杆塔的波阻抗进行分析计算也显得尤为重要。
国内外学者通过研究，建立了众多的杆塔等效模型，而对于高杆塔来说，国内尚未有统一的建模计算方案。广泛运用的杆塔模型主要分为3大类：等值电感模型、单一波阻抗模型及多波阻抗模型，等值电感模型的缺点是忽略了雷电波在杆塔中的传播过程，也无法表征雷电波传播过程中的折、反射波对杆塔各位置过电压的影响，故只适用与小型的杆塔建模；单一波阻抗模型利用直接测量法或者电磁场理论建模，测量误差较大、成本较高，且未能考虑杆塔横担斜材对波阻抗的影响。分段波阻抗模型易于利用ATP-EMTP来仿真分析，且求解各相绝缘子两端的电压都非常方便，是目前工程上广泛使用的杆塔计算模型。
综上所述，特高压杆塔的波阻抗比普通线路塔要大，在雷击杆塔时，雷电流在塔身上形成的电压降往往占据着不可忽视的比例，对杆塔波阻抗的研究，是高杆塔雷击瞬态响应特性分析的基础，更影响着实际工程中输电线路反击耐雷水平的评估，同时传统杆塔阻抗的建模方式也不适用于高杆塔。
因此，如何开发出一种适用于全高超过100m的高耸直线杆塔并通过降低杆塔波阻抗的防雷装置已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术无法满足高耸直线杆塔防雷要求的缺陷，提供一种基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构及高耸直立杆塔多段阻抗分析方法来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构，包括通过四个塔脚矗立在地面上的高耸直立杆塔，所述的高耸直立杆塔为金属材质杆塔，
所述的高耸直立杆塔位于塔身的最低横担处固定安装有进线侧横向支撑管架、出线侧横向支撑管架，进线侧横向支撑管架、出线侧横向支撑管架均为长方形，进线侧横向支撑管架与出线侧横向支撑管架分别位于塔身的横担两侧，进线侧横向支撑管架、出线侧横向支撑管架的组合与高耸直立杆塔的横担基于高耸直立杆塔的俯视角度呈“十”字交叉状，位于进线侧横向支撑管架一侧的两个塔脚分别与进线侧横向支撑管架的两个顶点通过接地引下线相连接，位于出线侧横向支撑管架一侧的两个塔脚分别与出线侧横向支撑管架的两个顶点通过接地引下线相连接。
所述的接地引下线为铜质管线，所述进线侧横向支撑管架、出线侧横向支撑管架的材质均为铜质。
所述的接地引下线与塔脚的连接处均位于地面之上。
所述的接地引下线与塔脚的连接处、进线侧横向支撑管架、出线侧横向支撑管架均位于线路输电走廊保护区间内。
位于进线侧横向支撑管架一侧的两个塔脚均与其相邻的进线侧横向支撑管架顶点相连。
高耸直立杆塔多段阻抗分析方法包括以下步骤：
计算杆塔主体等效波阻抗：将高耸直立杆塔根据锥形天线的电磁场理论分析杆塔主体的阻抗；
杆塔主体等效模型的分析：将高耸直立杆塔的四根主体支柱分别近似为四支柱导体系统，计算四支柱导体的波阻抗；
对斜材进行分析：利用空间电场和磁场能量的变化来间接表征出电容和电感变化，求解出斜材导体对杆塔主体波阻抗的影响；
对横担进行分析：利用平行多导体等效阻抗理论计算横担等效阻抗。
所述的计算杆塔主体等效波阻抗包括以下步骤：
将高耸直立杆塔近似为圆锥天线，设锥形天线发射的电磁场由下式表示：
式(1)中，为磁场强度矢量，垂直于水平圆面，方向为圆周环路的方向；A0为磁矢量位，ω为角频率，μ为杆塔材料的磁导率，ε为杆塔材料的介电常数，R是微元中心在地面的垂直投影点与微段边界的距离，θ为球坐标系中微段与垂直投影点的连线与Z轴的夹角；
式(2)中，Eθ为θ方向上的电场；(3)中，ER、为R和方向上的电场，Hθ、HR为θ和R方向上的磁场强度；
假设地面电势为0，则微元段的电压由下式(4)表示：
将式(2)代入式(4)并求取积分则有：
式(5)中，θ1为二分之一倒圆锥顶角；
根据安培环路定理，dh微元的电流：
将式(1)代入式(6)得到：
联立式(5)和式(7)，可得dh微段阻抗Z：
式(8)中，h为圆锥微段距地高度，r为微段横截面半径；
得到任意对地高度、任意截面半径的垂直圆柱体的等效阻抗Z计算公式如下：
所述杆塔主体等效模型的分析包括以下步骤：
设定当发生雷击杆塔时，雷电流流经塔体泄入大地，电流流入四根主体支柱与流入单根支柱时空间内的电、磁场分布不同，引入一个波阻抗修正系数K1，从而得到杆塔四支柱导体系统的波阻抗表达式：
ZTK＝K1Z (10)
式(10)中，ZTK为等效杆塔四支柱主体模块波阻抗，Z为单根垂直导体波阻抗；
根据波阻抗的基本定义式：
式(11)中，L为电感，C为电容。
代入式(10)可得：
其中，K1L为电感修正系数；K1C为电容修正系数，分别得到杆塔主体模块的电容修正系数K1C和电感修正系数K1L可求解出K1，进而得到四支柱导体的波阻抗；
计算电容修正系数，
式(13)表征导体系统内电场能量WE与多导体系统等效电容C之间的线性关系，其中，E为电场强度；D为电通量密度，
在单根支柱和四根支柱上施加相同的电压激励，分别得到单根支柱的电场能量WE0和四支柱的电场能量WETK，代入式(14)即可求得电容修正系数K1C，
计算电感修正系数，
设电流i流经单根导体时电感储藏的磁场能量为W，假设同一电流i流过四根支柱导体，基于利用能量守恒的关系，认为四支柱系统内电感所储藏的磁场能量等于单根支柱导体自身电感所储存的磁场能量；
建立式(17)的等式关系，结合式(20)变量间的数学关系，求解出电感修正系数K1L；
根据诺以曼公式计算4支柱多导体系统中单根圆柱导体之间的互感：
当积分路径重合时，4根平行圆柱导体中的单根圆柱导体自感：
其中，l为圆柱导体i的长度，r为圆柱导体i的半径；根据式(15)得单根导体i、j的互感M：
其中，d为两个相邻圆柱导体之间的距离，D为两个对角圆柱导体之间的距离，由几何关系可知：故对角圆柱导体之间的互M1：
假设激励电流iin均匀流过四根导体柱上，记单根导体自生电感内所储存的磁场能相同，均记为W1；相邻两单根导体互感存储的能量也相同，记为W2；对角线位置的导体间互感M1存储的磁场能相同，记为W3；
由等效为单根导体前后储存能量守恒得：
W＝4W1+4W2+2W3， (19)
假设流过系统的总电流Iin，电流平均分流在每根导体上，则有：
将式(20)代入式(19)得到如下关系式：
其中，Leq为4平行导体系统的等效电感，得电感修正系数为：
式(22)中与四支柱系统的几何尺寸和系统内导体的相互位置关系相关，根据各塔段结构求解对应的K1l值。
所述的对斜材进行分析包括以下步骤：
引入修正系数K2表征斜材导体对杆塔主体波阻抗的影响度，根据波阻抗的定义式得到如(24)表达式：
其中，K2L为斜材电感修正系数；K2C为斜材电容修正系数；
计算斜材导体的电容修正系数K2C，
根据电磁场的理论，电场能量WE与电容的关系：
根据式(25)可知：当电压相同时，电容的变化通过电场能量的变化表征；分别求解出杆塔主体模块不含有斜材导体时的电场能量为WELK，和主体模块含有斜材时的电场能量为WETK；则得到斜材对杆塔主体波阻抗的影响的电容修正系数K2C：
斜材导体的电感修正系数K2l：
根据电磁场的理论，磁场能量WM与电感的关系式为：
由根据式(27)可知：相同的激励电流下，电感的变化通过磁场能量变化体现；
导体的电感只与导体自身的几何尺寸和空气介质的相对相对磁导率有关，保证相同的计算域和边界条件下，对有无斜材导体的塔段分别求解出杆塔主体模块不含有斜材导体时的磁场能量为WMLK和主体模块含有斜材时的磁场能量为WMTK；则得到斜材对杆塔主体波阻抗的影响的电感修正系数K2l：
所述的对横担进行分析包括以下步骤：
平行多导体系统电压方程如式(29)所示：
U＝ZI， (29)
其中，U＝[U1,U2,…Un]T为各导体电压向量矩阵，I＝[i1,i2…in]T为各导体电流向量矩阵，Z为波阻抗向量矩阵，
其中波阻抗矩阵由各自波阻抗及互波阻抗组成，各自的波阻抗值由公式(30～31)计算求得：
其中，dkm是相邻导体k与m之间距离，hKK是导体与其镜像之间的距离，hkm为k导体与相邻m导体镜像间距离，rKK为导体半径；
设横担各导体均为等电位，即U1＝U2＝U3＝U4＝U，横担各导体支架组成的多导体系统内流入的总电流为i，由于横担各导体支架的结构近似相同，近似认为每根支架上流过的电流i1＝i2＝i3＝i4＝i/4，则有：
即：
等式两边同时乘上I-1，则横担等效阻抗ZAK：
其矩阵表达式为：
有益效果
本发明的基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构及高耸直立杆塔多段阻抗分析方法，与现有技术相比通过附加引下线的设计减小了高耸直线杆塔塔身波阻抗，增加了高耸直线杆塔反击耐雷水平，降低了使用高耸直线杆塔的输电线路雷电反击跳闸率，特别适用于雷害区已使用高耸直线杆塔的输电线路。
在本发明涉及的高耸直立杆塔多段阻抗分析方法中，将高杆塔分成主体、斜材和横担三个模块并再度往下细分，建立了完整的分段波阻抗计算公式；在利用圆锥模型理论和电磁场能量关系获得了单根垂直导体波阻抗和四支柱系统的波阻抗计算公式的基础上，考虑了杆塔主支架的倾斜对波阻抗的影响，利用有限元软件数值计算得到了斜材模块的等效波阻抗，为实际线路高杆塔防雷提供了参考依据。并且此分析方法易于利用ATP-EMTP来仿真实现，且求解各相绝缘子两端的电压都非常方便。
本发明在不影响高耸直线杆塔占地范围的前提下，在高耸直线杆塔塔身及塔腿处安装附加引下线装置，通过降低杆塔波阻抗，从而提高耐雷水平。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视图；
图3是图1的左侧视图；
图4是现有技术的结构示意图；
其中，1-高耸直立杆塔、2-塔脚、3-塔身、4-进线侧横向支撑管架、5-出线侧横向支撑管架、6-横担、7-接地引下线。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1、图2和图3所示，本发明所述的一种基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构，包括通过四个塔脚2矗立在地面上的高耸直立杆塔1，高耸直立杆塔1的杆塔全高超过100m，同时传统的高耸直立杆塔1多为金属材质杆塔，属于金属材质(非耐候钢材质)。
高耸直立杆塔1位于塔身3的最低横担处固定安装有进线侧横向支撑管架4、出线侧横向支撑管架5，进线侧横向支撑管架4、出线侧横向支撑管架5分别位于高耸直立杆塔1的进线方向和出线方向，即进线侧横向支撑管架4与出线侧横向支撑管架5分别位于塔身3的横担6两侧，进线侧横向支撑管架4、出线侧横向支撑管架5的组合与高耸直立杆塔1的横担6基于高耸直立杆塔1的俯视角度呈“十”字交叉状。进线侧横向支撑管架4、出线侧横向支撑管架5均用于安装接地引下线而设计，进线侧横向支撑管架4、出线侧横向支撑管架5均为长方形，其位于塔身3的最低横担处，使得其不对线路的走向产生影响。
如图2所示，位于进线侧横向支撑管架4一侧的两个塔脚2分别与进线侧横向支撑管架4的两个顶点通过接地引下线7相连接，塔脚2与其相邻的进线侧横向支撑管架4的顶点通过接地引下线7相连接，即位于进线侧横向支撑管架4一侧的两个塔脚2均与其相近的进线侧横向支撑管架4顶点相连，从引下线角度避免同一侧两根引下线的交叉布置。与此同理，位于出线侧横向支撑管架5一侧的两个塔脚2分别与出线侧横向支撑管架5两个顶点通过接地引下线7相连接。
正由于高耸直立杆塔1为金属材质杆塔、非耐候钢杆塔，其雷击时产生的雷电流经金属材质杆塔自身引导至进线侧横向支撑管架4、出线侧横向支撑管架5，再经引下线(接地引下线7)引流接地。
同样，接地引下线7也应为4根铜质管线。进线侧横向支撑管架4、出线侧横向支撑管架5的材质均为铜质，即为铜质支撑管架。同时，接地引下线7与塔脚2的连接处均位于地面之上，以确保接地引下线7与塔脚2的连接。并且，接地引下线7与塔脚2的连接处、进线侧横向支撑管架4、出线侧横向支撑管架5均位于线路输电走廊保护区间内，塔基永久占地范围不变，并通过附加引下线装置减小了高耸直线杆塔塔身波阻抗，增加了高耸直线杆塔反击耐雷水平，降低了使用高耸直线杆塔的输电线路雷电反击跳闸率。
现有技术中提出了新的无损线路模型杆塔，将杆塔分解为主体、斜材和横担。其中各模块计算公式均是通过对垂直多导体系统进行大量实测，根据数据总结的经验公式，该公式与杆塔的自身尺寸和几何形状有关。同时通过在主体杆塔波阻抗模型上以并联支路的方式来等效模拟斜材对杆塔主体波阻抗影响，同时在模型中将斜材长度设为对应主体长度的1.5倍。
在此还提供，基于本发明所述高耸直立杆塔以此防雷接地结构为基础的高耸直立杆塔多段阻抗分析方法，利用此方法可有效分析此防雷接地结构应用在高耸直立杆塔上的阻抗水平，分析实际工程中基于高耸直立杆塔以此防雷接地结构的输电线路反击耐雷水平的评估。其包括以下步骤：
第一步，计算杆塔主体等效波阻抗：将高耸直立杆塔根据锥形天线的电磁场理论分析杆塔主体的阻抗。输电杆塔高杆塔的主体支柱的高度远远大于杆塔的横截面积，雷电流流经杆塔的波过程可以看成以球面波形式传播，类似圆锥天线。考虑到杆塔的实际结构，根据锥形天线的电磁场理论，分析杆塔主体的阻抗。其具体步骤如下：
(1)将高耸直立杆塔近似为圆锥天线，设锥形天线发射的电磁场由下式表示：
假设地面电势为0，则微元段的电压由下式(4)表示：
将式(2)代入式(4)并求取积分则有：
(2)根据安培环路定理，dh微元的电流：
将式(1)代入式(6)得到：
联立式(5)和式(7)，可得dh微段阻抗Z：
(3)得到任意对地高度、任意截面半径的垂直圆柱体的等效阻抗Z计算公式如下：
其中，h为对地高度，r为支柱等效半径，μ为空气介质的磁导率，ε为空气介质的介电常数。
第二步，杆塔主体等效模型的分析：将高耸直立杆塔的四根主体支柱分别近似为四支柱导体系统，计算四支柱导体的波阻抗。实际输电杆塔共有四根主体支柱，采用分段处理后，可将每一段杆段近似看成四支柱导体系统。其具体步骤如下：
(1)设定当发生雷击杆塔时，雷电流流经塔体泄入大地，电流流入四根主体支柱与流入单根支柱时空间内的电、磁场分布不同，引入一个波阻抗修正系数K1，从而得到杆塔四支柱导体系统的波阻抗表达式：
ZTK＝K1Z (10)
其中，ZTK为等效杆塔四支柱主体模块波阻抗，Z为单根垂直导体波阻抗；
根据波阻抗的基本定义式：
代入式(10)可得：
其中，K1L为电感修正系数；K1C为电容修正系数，分别得到杆塔主体模块的电容修正系数k1C和电感修正系数k1L便可求解出K1，进而得到四支柱导体的波阻抗；
(2)计算电容修正系数，通过电磁场理论求解四支柱多导体系统的电容十分困难，因此通过能量法求解电容修正系数。
式(13)表征导体系统内电场能量WE与多导体系统等效电容C之间的线性关系，其中，E为电场强度；D为电通量密度，
在单根支柱和四根支柱上施加相同的电压激励，分别得到单根支柱的电场能量WE0和四支柱的电场能量WETK，代入式(14)即可求得电容修正系数K1C，
(3)计算电感修正系数，四支柱多导体系统的电感的直接求解较为复杂，杆塔主体模块的电感修正系数K1L根据磁场能量守恒的关系间接求出。
设电流i流经单根导体时电感储藏的磁场能量为W，假设同一电流i流过四根支柱导体，基于利用能量守恒的关系，认为四支柱系统内电感所储藏的磁场能量等于单根支柱导体自身电感所储存的磁场能量；
建立式(17)的等式关系，结合式(20)变量间的数学关系，求解出电感修正系数K1L；
根据诺以曼公式计算4支柱多导体系统中单根圆柱导体之间的互感：
当积分路径重合时，4根平行圆柱导体中的单根圆柱导体自感：
其中，l为圆柱导体i的长度，r为圆柱导体i的半径；根据式(15)得单根导体i、j的互感M：
其中，d为两个相邻圆柱导体之间的距离，D为两个对角圆柱导体之间的距离，由几何关系可知：故对角圆柱导体之间的互M1：
假设激励电流iin均匀流过四根导体柱上，记单根导体自生电感内所储存的磁场能相同，均记为W1；相邻两单根导体互感存储的能量也相同，记为W2；对角线位置的导体间互感M1存储的磁场能相同，记为W3；
由等效为单根导体前后储存能量守恒得：
W＝4W1+4W2+2W3， (19)
假设流过系统的总电流Iin，电流平均分流在每根导体上，则有：
将式(20)代入式(19)得到如下关系式：
其中，Leq为4平行导体系统的等效电感，得电感修正系数为：
式(22)中与四支柱系统的几何尺寸和系统内导体的相互位置关系相关，因此根据各塔段结构求解对应的K1l值。
第三步，对斜材进行分析：利用空间电场和磁场能量的变化来间接表征出电容和电感变化，求解出斜材导体对杆塔主体波阻抗的影响。
通过实际测量发现考虑斜材导体后杆塔的主体波阻抗值降低约10％；因此，需要考虑斜材导体对杆塔主体波阻抗的影响。从电磁场理论上分析，由于斜材与主体结构上相互交错，雷电流流经斜材导体时会引起杆塔周围空间的电场、磁场能量密度的改变。从波阻抗的表达式来看，即为斜材对杆塔主体的电感和电容影响。电感与磁场能量具有线性关系，电容也与空间电场能量正相关，这样便可利用空间电场和磁场能量的变化来间接表征出电容和电感变化，进而求解出斜材导体结构对杆塔主体波阻抗的的影响，在此通过引入修正系数K2来表征斜材导体对杆塔主体波阻抗的影响程度。具体步骤如下：
(1)引入修正系数K2表征斜材导体对杆塔主体波阻抗的影响度，根据波阻抗的定义式得到如(24)表达式：
(2)计算斜材导体的电容修正系数K2C，
根据电磁场的理论，电场能量WE与电容的关系：
根据式(25)可知：当电压相同时，电容的变化通过电场能量的变化表征；分别求解出杆塔主体模块不含有斜材导体时的电场能量为WELK，和主体模块含有斜材时的电场能量为WETK；则得到斜材对杆塔主体波阻抗的影响的电容修正系数K2C：
(3)斜材导体的电感修正系数K2l：
根据电磁场的理论，磁场能量WM与电感的关系式为：
由根据式(27)可知：相同的激励电流下，电感的变化通过磁场能量变化体现；
导体的电感只与导体自身的几何尺寸和空气介质的相对相对磁导率有关，保证相同的计算域和边界条件下，对有无斜材导体的塔段分别求解出杆塔主体模块不含有斜材导体时的磁场能量为WMLK和主体模块含有斜材时的磁场能量为WMTK；则可以得到斜材对杆塔主体波阻抗的影响的电感修正系数K2l：
第四步，对横担进行分析：利用平行多导体等效阻抗理论计算横担等效阻抗。杆塔的横担可以近似看成平行多导体系统，横担尺寸相对整个杆塔较小，可将横担结构进行简化，阻抗可以利用平行多导体等效阻抗的相关理论来计算。其具体步骤如下：
(1)平行多导体系统电压方程如式(29)所示：
U＝ZI， (29)
其中，U＝[U1,U2,…Un]T为各导体电压向量矩阵，I＝[i1,i2…in]T为各导体电流向量矩阵，Z为波阻抗向量矩阵，
其中波阻抗矩阵由各自波阻抗及互波阻抗组成，各自的波阻抗值由公式(30～31)计算求得[20]：
其中，dkm是相邻导体k与m之间距离，hKK是导体与其镜像之间的距离，hkm为k导体与相邻m导体镜像间距离，rKK为导体半径；
(2)设横担各导体均为等电位，即U1＝U2＝U3＝U4＝U，横担各导体支架组成的多导体系统内流入的总电流为i，由于横担各导体支架的结构近似相同，近似认为每根支架上流过的电流i1＝i2＝i3＝i4＝i/4，则有：
即：
等式两边同时乘上I-1，则横担等效阻抗ZAK：
其矩阵表达式为：
在此，以某环网1000kV同塔双回直线塔SZK27102J为实际算例。对其进行分段有限元仿真和实例算例求解。杆塔高度139m，呼称高度为96m，整体结构为圆钢管塔身。将SZK27102J杆塔主体分成8段，通过在体波阻抗模块两端并联一个等效的斜材模块，来反映斜材导体对杆塔主体模块波阻抗的影响。利用并联电路拓扑模型来表征斜材结构下的波传播过程。
经过对比研究发现，利用本发明所涉及方法求解的波阻抗整体上小于利用传统Hara经验公式得到的波阻抗。现有技术中，对高度120m的双回路直线塔进行了有限元仿真求解杆塔的对地电容，利用电容法得到的杆塔波阻抗为125Ω，这也与本次计算所得杆塔最大波阻抗值接近。
同时，还可以发现现有的Hara模型中将横担以下塔身部分整体等效成一段，用一个恒定的波阻抗值代替。同时提出的波阻抗计算经验公式中，若想计算塔腿位置处的波阻抗，按照公式应该以RT4来取值，使得等效半径rek偏小，造成波阻抗取值偏大，显然这种分段方式并不合理。
因此，经过与实际测量和其他模型的对比，提出的考虑斜材影响的多波阻抗计算方法能够较精准的反映高杆塔的实际波阻抗情况，对高杆塔防雷设计具有借鉴价值。同时电流流过斜材导体会对杆塔周围的电磁场影响，进而降低了杆塔主体的波阻抗，在对分段杆塔建模时，向主体并联斜材模块可以使模型更贴近真实情况。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构，包括通过四个塔脚(2)矗立在地面上的高耸直立杆塔(1)，所述的高耸直立杆塔(1)为金属材质杆塔，其特征在于：
所述的高耸直立杆塔(1)位于塔身(3)的最低横担处固定安装有进线侧横向支撑管架(4)、出线侧横向支撑管架(5)，进线侧横向支撑管架(4)、出线侧横向支撑管架(5)均为长方形，进线侧横向支撑管架(4)与出线侧横向支撑管架(5)分别位于塔身(3)的横担(6)两侧，进线侧横向支撑管架(4)、出线侧横向支撑管架(5)的组合与高耸直立杆塔(1)的横担(6)基于高耸直立杆塔(1)的俯视角度呈“十”字交叉状，位于进线侧横向支撑管架(4)一侧的两个塔脚(2)分别与进线侧横向支撑管架(4)的两个顶点通过接地引下线(7)相连接，位于出线侧横向支撑管架(5)一侧的两个塔脚(2)分别与出线侧横向支撑管架(5)的两个顶点通过接地引下线(7)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构，其特征在于：所述的接地引下线(7)为铜质管线，所述进线侧横向支撑管架(4)、出线侧横向支撑管架(5)的材质均为铜质。
3.根据权利要求1所述的基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构，其特征在于：所述的接地引下线(7)与塔脚(2)的连接处均位于地面之上。
4.根据权利要求1所述的基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构，其特征在于：所述的接地引下线(7)与塔脚(2)的连接处、进线侧横向支撑管架(4)、出线侧横向支撑管架(5)均位于线路输电走廊保护区间内。
5.根据权利要求1所述的基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构，其特征在于：位于进线侧横向支撑管架(4)一侧的两个塔脚(2)均与其相邻的进线侧横向支撑管架(4)顶点相连。
6.根据权利要求1所述的高耸直立杆塔多段阻抗分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
61)计算杆塔主体等效波阻抗：将高耸直立杆塔根据锥形天线的电磁场理论分析杆塔主体的阻抗；
62)杆塔主体等效模型的分析：将高耸直立杆塔的四根主体支柱分别近似为四支柱导体系统，计算四支柱导体的波阻抗；
63)对斜材进行分析：利用空间电场和磁场能量的变化来间接表征出电容和电感变化，求解出斜材导体对杆塔主体波阻抗的影响；
64)对横担进行分析：利用平行多导体等效阻抗理论计算横担等效阻抗。
7.根据权利要求6所述的高耸直立杆塔多段阻抗分析方法，其特征在于，所述的计算杆塔主体等效波阻抗包括以下步骤：
71)将高耸直立杆塔近似为圆锥天线，设锥形天线发射的电磁场由下式表示：
式(1)中，为磁场强度矢量，垂直于水平圆面，方向为圆周环路的方向；A0为磁矢量位，ω为角频率，μ为杆塔材料的磁导率，ε为杆塔材料的介电常数，R是微元中心在地面的垂直投影点与微段边界的距离，θ为球坐标系中微段与垂直投影点的连线与Z轴的夹角；
式(2)中，Eθ为θ方向上的电场；式(3)中，ER、为R和方向上的电场，Hθ、HR为θ和R方向上的磁场强度；
假设地面电势为0，则微元段的电压由下式(4)表示：
将式(2)代入式(4)并求取积分则有：
式(5)中，θ1为二分之一倒圆锥顶角；
72)根据安培环路定理，dh微元的电流：
将式(1)代入式(6)得到：
联立式(5)和式(7)，可得dh微段阻抗Z：
式(8)中，h为圆锥微段距地高度，r为微段横截面半径；
73)得到任意对地高度、任意截面半径的垂直圆柱体的等效阻抗Z计算公式如下：
8.根据权利要求6所述的高耸直立杆塔多段阻抗分析方法，其特征在于，所述杆塔主体等效模型的分析包括以下步骤：
81)设定当发生雷击杆塔时，雷电流流经塔体泄入大地，电流流入四根主体支柱与流入单根支柱时空间内的电、磁场分布不同，引入一个波阻抗修正系数K1，从而得到杆塔四支柱导体系统的波阻抗表达式：
ZTK＝K1Z (10)
式(10)中，ZTK为等效杆塔四支柱主体模块波阻抗，Z为单根垂直导体波阻抗；
根据波阻抗的基本定义式：
式(11)中，L为电感，C为电容。
代入式(10)可得：
其中，K1L为电感修正系数；K1C为电容修正系数，分别得到杆塔主体模块的电容修正系数K1C和电感修正系数K1L可求解出K1，进而得到四支柱导体的波阻抗；
82)计算电容修正系数，
式(13)表征导体系统内电场能量WE与多导体系统等效电容C之间的线性关系，其中，E为电场强度；D为电通量密度，
在单根支柱和四根支柱上施加相同的电压激励，分别得到单根支柱的电场能量WE0和四支柱的电场能量WETK，代入式(14)即可求得电容修正系数K1C，
83)计算电感修正系数，
设电流i流经单根导体时电感储藏的磁场能量为W，假设同一电流i流过四根支柱导体，基于利用能量守恒的关系，认为四支柱系统内电感所储藏的磁场能量等于单根支柱导体自身电感所储存的磁场能量；
建立式(17)的等式关系，结合式(20)变量间的数学关系，求解出电感修正系数K1L；
根据诺以曼公式计算4支柱多导体系统中单根圆柱导体之间的互感：
当积分路径重合时，4根平行圆柱导体中的单根圆柱导体自感：
其中，l为圆柱导体i的长度，r为圆柱导体i的半径；根据式(15)得单根导体i、j的互感M：
其中，d为两个相邻圆柱导体之间的距离，D为两个对角圆柱导体之间的距离，由几何关系可知：故对角圆柱导体之间的互M1：
假设激励电流iin均匀流过四根导体柱上，记单根导体自生电感内所储存的磁场能相同，均记为W1；相邻两单根导体互感存储的能量也相同，记为W2；对角线位置的导体间互感M1存储的磁场能相同，记为W3；
由等效为单根导体前后储存能量守恒得：
W＝4W1+4W2+2W3，(19)
假设流过系统的总电流Iin，电流平均分流在每根导体上，则有：
将式(20)代入式(19)得到如下关系式：
其中，Leq为4平行导体系统的等效电感，得电感修正系数为：
式(22)中与四支柱系统的几何尺寸和系统内导体的相互位置关系相关，根据各塔段结构求解对应的K1l值。
9.根据权利要求6所述的高耸直立杆塔多段阻抗分析方法，其特征在于，所述的对斜材进行分析包括以下步骤：
91)引入修正系数K2表征斜材导体对杆塔主体波阻抗的影响度，根据波阻抗的定义式得到如(24)表达式：
其中，K2L为斜材电感修正系数；K2C为斜材电容修正系数；
92)计算斜材导体的电容修正系数K2C，
根据电磁场的理论，电场能量WE与电容的关系：
根据式(25)可知：当电压相同时，电容的变化通过电场能量的变化表征；分别求解出杆塔主体模块不含有斜材导体时的电场能量为WELK，和主体模块含有斜材时的电场能量为WETK；则得到斜材对杆塔主体波阻抗的影响的电容修正系数K2C：
93)斜材导体的电感修正系数K2l：
根据电磁场的理论，磁场能量WM与电感的关系式为：
由根据式(27)可知：相同的激励电流下，电感的变化通过磁场能量变化体现；
导体的电感只与导体自身的几何尺寸和空气介质的相对相对磁导率有关，保证相同的计算域和边界条件下，对有无斜材导体的塔段分别求解出杆塔主体模块不含有斜材导体时的磁场能量为WMLK和主体模块含有斜材时的磁场能量为WMTK；则得到斜材对杆塔主体波阻抗的影响的电感修正系数K2l：
10.根据权利要求6所述的高耸直立杆塔多段阻抗分析方法，其特征在于，所述的对横担进行分析包括以下步骤：
101)平行多导体系统电压方程如式(29)所示：
U＝ZI，(29)
其中，U＝[U1,U2,…Un]T为各导体电压向量矩阵，I＝[i1,i2…in]T为各导体电流向量矩阵，Z为波阻抗向量矩阵，
其中波阻抗矩阵由各自波阻抗及互波阻抗组成，各自的波阻抗值由公式(30～31)计算求得：
其中，dkm是相邻导体k与m之间距离，hKK是导体与其镜像之间的距离，hkm为k导体与相邻m导体镜像间距离，rKK为导体半径；
102)设横担各导体均为等电位，即U1＝U2＝U3＝U4＝U，横担各导体支架组成的多导体系统内流入的总电流为i，由于横担各导体支架的结构近似相同，近似认为每根支架上流过的电流i1＝i2＝i3＝i4＝i/4，则有：
即：
等式两边同时乘上I-1，则横担等效阻抗ZAK：
其矩阵表达式为：
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|---|---|---|---|---|
| GB1151412A (en) * | 1966-06-07 | 1969-05-07 | British Insulated Callenders | Improvements in or relating to Overhead Electric Transmission Systems |
| CN104141406A (zh) * | 2014-07-09 | 2014-11-12 | 国家电网公司 | 一种可安装4g天线的电力铁塔 |
| CN203977959U (zh) * | 2014-08-02 | 2014-12-03 | 枣庄力源电力设计有限公司 | 一种四回路十字形角钢塔“t”接结构 |
| CN205509438U (zh) * | 2016-04-08 | 2016-08-24 | 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司 | 四回路电缆终端引下装置 |
| CN206452082U (zh) * | 2016-12-31 | 2017-08-29 | 中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司 | 变电站出线架构上的光纤复合架空地线的接地机构 |
| CN207530502U (zh) * | 2017-12-13 | 2018-06-22 | 贵州电力设计研究院 | 一种铁塔电缆终端导线接地结构 |
| CN109586235A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-04-05 | 安徽华电工程咨询设计有限公司 | 一种用于空旷区和多雷区环境的耐候角钢塔外引式避雷线接地结构 |
| CN211123035U (zh) * | 2019-10-28 | 2020-07-28 | 中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司 | 基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构 |
-
2019
- 2019-10-28 CN CN201911028053.3A patent/CN110596462A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1151412A (en) * | 1966-06-07 | 1969-05-07 | British Insulated Callenders | Improvements in or relating to Overhead Electric Transmission Systems |
| CN104141406A (zh) * | 2014-07-09 | 2014-11-12 | 国家电网公司 | 一种可安装4g天线的电力铁塔 |
| CN203977959U (zh) * | 2014-08-02 | 2014-12-03 | 枣庄力源电力设计有限公司 | 一种四回路十字形角钢塔“t”接结构 |
| CN205509438U (zh) * | 2016-04-08 | 2016-08-24 | 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司 | 四回路电缆终端引下装置 |
| CN206452082U (zh) * | 2016-12-31 | 2017-08-29 | 中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司 | 变电站出线架构上的光纤复合架空地线的接地机构 |
| CN207530502U (zh) * | 2017-12-13 | 2018-06-22 | 贵州电力设计研究院 | 一种铁塔电缆终端导线接地结构 |
| CN109586235A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-04-05 | 安徽华电工程咨询设计有限公司 | 一种用于空旷区和多雷区环境的耐候角钢塔外引式避雷线接地结构 |
| CN211123035U (zh) * | 2019-10-28 | 2020-07-28 | 中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司 | 基于雷击时杆塔波阻抗分析的高耸直立杆塔防雷接地结构 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 杨勇: "架空输电线路雷电监测及雷击杆塔暂态特性分析", 中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑, no. 05, 15 May 2013 (2013-05-15), pages 042 - 61 * |
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