CN111948430A - 一种确定试验线段阻波器参数的方法及系统 - Google Patents
一种确定试验线段阻波器参数的方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种确定试验线段阻波器参数的方法及系统，包括：建立包括阻波器、高压试验电源和试验线段的电路仿真模型；基于所述电路仿真模型，向所述试验线段的预设位置处注入幅值相等且频率不同的正弦波电流，分别获取在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值；根据在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值，分别计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量；若所述阻波器在不同工作频率下的衰减量均大于等于预设的衰减量阈值，则确定阻波器的当前的电容值为阻波器的电容最优值，确定阻波器的当前的电感值为阻波器的电感最优值。
Description
技术领域
本发明涉及电力领域中高压试验线段的阻波器设计技术领域，并且更具体地，涉及一种确定试验线段阻波器参数的方法及系统。
背景技术
在开展输电线路电磁环境特别是无线电干扰研究时，试验线段是较为常见的试验手段。在工作时，试验线段的首端需要连接高压试验电源，末端开路。但由于试验线段长度有限，高压试验电源因整流或开关通断产生的谐波电流不可避免地会传播到试验导线上，对试验线段的无线电干扰测量产生干扰。为了隔断来自高压试验电源侧的谐波干扰，便需要在试验线段和高压试验电源之间串联一个阻波器。此外，阻波器对高频电流信号表现出的高阻抗特性，还可阻断试验线段上的电晕电流流入电源侧，使试验线段首端也与末端一样在电气特性上表现为开路状态，这对于简化试验线段上的电晕电流波过程分析具有重要作用。因此，阻波器性能的优劣对于试验线段测试结果的准确具有重要的作用。
目前，国内外对于高压变电站电力载波波阻波器的研究较为深入，但对试验线段无线电干扰测量用的阻波器研究则相对较少。论文“1000kV特高压交流试验线段无线电干扰阻波器相关问题探讨”(陕西电力，2008年第12期)通过理论分析给出了阻波器在交流特高压试验线段无线电干扰测量中的作用，但未涉及阻波器参数的确定方法。实用新型专利“一种用于无线电干扰测量的宽频带阻波器”(201320609491.0)给出了一种用于无线电干扰测量的宽频带阻波器，但其缺点是该阻波器的适用频率范围较窄，仅为300kHz-2MHz，且阻波器参数并没有经过最优化论证，外形结构复杂，制作加工和现场安装不便。
因此，需要一种快速、准确地确定试验线段阻波器参数的方法。
发明内容
本发明提出一种确定试验线段阻波器参数的方法，以解决如何快速、准确地确定试验线段阻波器参数的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种确定试验线段阻波器参数的方法，所述方法包括：
建立包括阻波器、高压试验电源和试验线段的电路仿真模型；
基于所述电路仿真模型，向所述试验线段的预设位置处注入幅值相等且频率不同的正弦波电流，分别获取在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值；
根据在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值，分别计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量；
若所述阻波器在不同工作频率下的衰减量均大于等于预设的衰减量阈值，则确定阻波器的当前的电容值为阻波器的电容最优值，确定阻波器的当前的电感值为阻波器的电感最优值。
优选地，其中所述建立包含阻波器、高压试验电源和试验线段的电路仿真模型，包括：
将试验线段等效为多个串联的短线段单元，每个短线段单元均等效为电阻和电感先串联再与对地电容并联的电路结构，其中，所述对地电容的两端也并联有一个电阻；将阻波器等效为电容和电感并联的电路结构；将高压试验电源等效为电阻和电容并联的电路结构；其中，所述阻波器的一端与所述高压试验电源相连接，另一端与所述试验线段相连接。
优选地，其中所述方法利用如下公式计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量，包括：
K(fi)＝-20lg(Iout(fi)/Iin(fi))，
其中，K(fi)为阻波器在第i个阻波器工作频率fi下的衰减量；Iout(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值；Iin(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下在预设位置注入的正弦波电流的幅值。
优选地，其中所述方法还包括：
若所述阻波器在不同工作频率下的衰减量不满足均大于等于预设的衰减量阈值，则按照预设的电感变化步长增大阻波器当前的电感值，且按照预设的电容变化步长减小阻波器当前的电容值，并重新获取在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值，直至阻波器在不同工作频率下的衰减量均大于等于预设的衰减量阈值时，确定阻波器的当前的电容值为阻波器的电容最优值，确定阻波器的当前的电感值为阻波器的电感最优值。
优选地，其中所述方法还包括：
建立两个均压环平行排列的三维有限元仿真模型，并设置阻波器的均压环的圆环外径和两个均压环的环间距的初始值；
分别在两个均压环上施加幅值不同的第一电压激励和第二电压激励，以分别获取两个均压环上的第一电荷量和第二电荷量；
根据所述第一电压激励、第二电压激励、第一电荷量和第二电荷量计算两个均压环之间的互电容；
若两个均压环之间的互电容小于等于预设的互电容阈值，则确定当前的圆外环直径为均压环的圆外环直径最优值，确定当前的环间距为两个均压环的环间距最优值。
优选地，其中所述方法还包括：
若两个均压环之间的互电容大于预设的电容阈值，则按照预设的圆外环直径变化步长减小阻波器均压环当前的圆外环直径，且按照预设的环间距变化步长增大两个均压环当前的环间距，并重新计算第一电荷量和第二电荷量，直至两个均压环之间的互电容小于等于预设的互电容阈值时，确定当前的圆外环直径为均压环的圆外环直径最优值，确定当前的环间距为两个均压环的环间距最优值。
优选地，其中所述方法还包括：利用如下公式确定阻波器的电感线圈的匝数：
L＝0.1D2N2/(4.5D+10l)，
其中，L为阻波器的电感最优值，单位为μH；D为电感线圈的外直径，单位为cm；N为线圈的总匝数；l为电感线圈的垂直高度，单位为cm；其中，l小于等于两个均压环的环间距；D不能大于均压环的圆外环直径。
优选地，其中所述方法还包括：
设置阻波器的均压环的管径初始值，根据当前的管径值计算均压环表面的第一电场强度值；
若所述第一电场强度值小于等于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值，则确定当前的管径值为均压环的管径最优值；若所述第一电场强度值大于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值，则根据预设的管径变化步长增大当前的管径值，并重新计算所述第一电场强度值，直至所述第一电场强度值小于等于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值时，确定当前的管径值为均压环的管径最优值。
根据本发明的另一个方面，提供了一种确定试验线段阻波器参数的系统，所述系统包括：
电路仿真模型建立单元，用于建立包括阻波器、高压试验电源和试验线段的电路仿真模型；
电流幅值获取单元，用于基于所述电路仿真模型，向所述试验线段的预设位置处注入幅值相等且频率不同的正弦波电流，分别获取在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值；
衰减量计算单元，用于根据在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值，分别计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量；
电容和电感最优值确定单元，用于若所述阻波器在不同工作频率下的衰减量均大于等于预设的衰减量阈值，则确定阻波器的当前的电容值为阻波器的电容最优值，确定阻波器的当前的电感值为阻波器的电感最优值。
优选地，其中所述电路仿真模型建立单元，建立包含阻波器、高压试验电源和试验线段的电路仿真模型，包括：
将试验线段等效为多个串联的短线段单元，每个短线段单元均等效为电阻和电感先串联再与对地电容并联的电路结构，其中，所述对地电容的两端也并联有一个电阻；将阻波器等效为电容和电感并联的电路结构；将高压试验电源等效为电阻和电容并联的电路结构；其中，所述阻波器的一端与所述高压试验电源相连接，另一端与所述试验线段相连接。
优选地，其中所述衰减量计算单元，利用如下公式计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量，包括：
K(fi)＝-20lg(Iout(fi)/Iin(fi))，
其中，K(fi)为阻波器在第i个阻波器工作频率fi下的衰减量；Iout(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值；Iin(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下在预设位置注入的正弦波电流的幅值。
优选地，其中所述电容和电感最优值确定单元，还用于：
若所述阻波器在不同工作频率下的衰减量不满足均大于等于预设的衰减量阈值，则按照预设的电感变化步长增大阻波器当前的电感值，且按照预设的电容变化步长减小阻波器当前的电容值，并进入电流幅值获取单元重新计算，直至阻波器在不同工作频率下的衰减量均大于等于预设的衰减量阈值时，确定阻波器的当前的电容值为阻波器的电容最优值，确定阻波器的当前的电感值为阻波器的电感最优值。
优选地，其中所述系统还包括：均压环的圆外环直径和环间距最优值确定单元，用于：
建立两个均压环平行排列的三维有限元仿真模型，并设置阻波器的均压环的圆环外径和两个均压环的环间距的初始值；
分别在两个均压环上施加幅值不同的第一电压激励和第二电压激励，以分别获取两个均压环上的第一电荷量和第二电荷量；
根据所述第一电压激励、第二电压激励、第一电荷量和第二电荷量计算两个均压环之间的互电容；
若两个均压环之间的互电容小于等于预设的互电容阈值，则确定当前的圆外环直径为均压环的圆外环直径最优值，确定当前的环间距为两个均压环的环间距最优值。
优选地，其中所述均压环的圆外环直径和环间距最优值确定单元，还用于：
若两个均压环之间的互电容大于预设的电容阈值，则按照预设的圆外环直径变化步长减小阻波器均压环当前的圆外环直径，且按照预设的环间距变化步长增大两个均压环当前的环间距，并重新计算第一电荷量和第二电荷量，直至两个均压环之间的互电容小于等于预设的互电容阈值时，确定当前的圆外环直径为均压环的圆外环直径最优值，确定当前的环间距为两个均压环的环间距最优值。
优选地，其中所述系统还包括：电感线圈的匝数确定单元，用于利用如下公式确定阻波器的电感线圈的匝数：
L＝0.1D2N2/(4.5D+10l)，
其中，L为阻波器的电感最优值，单位为μH；D为电感线圈的外直径，单位为cm；N为线圈的总匝数；l为电感线圈的垂直高度，单位为cm；其中，l小于等于两个均压环的环间距；D不能大于均压环的圆外环直径。
优选地，其中所述系统还包括：均压环的管径最优值确定单元，用于：
设置阻波器的均压环的管径初始值，根据当前的管径值计算均压环表面的第一电场强度值；
若所述第一电场强度值小于等于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值，则确定当前的管径值为均压环的管径最优值；若所述第一电场强度值大于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值，则根据预设的管径变化步长增大当前的管径值，并重新计算所述第一电场强度值，直至所述第一电场强度值小于等于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值时，确定当前的管径值为均压环的管径最优值。
本发明提供了一种确定试验线段阻波器参数的方法及系统，通过仿真建模，可实现阻波器参数的最优匹配，且在参数确定过程中还同时考虑了试验线段和高压试验电源的对电晕电流分流的影响，更符合现场实际情况；阻波频率范围更宽，可在0.15-10MHz的频率范围内实现不少于30-35dB的衰减量，具有宽频带阻波的特点；阻波器的设计还同时考虑了在高电压作用下均压环表面满足电晕控制要求，避免了因自身电晕对试验线段测量结果造成干扰。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的确定试验线段阻波器参数的方法100的流程图；
图2为根据本发明实施方式的阻波器外形结构示意图；
图3为根据本发明实施方式的电路仿真模型的示意图；
图4为根据本发明实施方式的确定试验线段阻波器参数的总体流程图；
图5为根据本发明实施方式的阻波器电容参数固定，电感变化时阻波器输出电流衰减量变化曲线图；
图6为根据本发明实施方式的阻波器电感参数固定，电容变化时阻波器输出电流衰减量变化曲线图；
图7为根据本发明实施方式的阻波器三维仿真模型的示意图；
图8为根据本发明实施方式的阻波器的均压环表面电场强度分布云图；
图9为根据本发明实施方式的试验线段首端有无阻波器的无线电干扰频谱曲线对比图；
图10为根据本发明实施方式的确定试验线段阻波器参数的系统1000的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的确定试验线段阻波器参数的方法100的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的确定试验线段阻波器参数的方法，通过仿真建模，可实现阻波器参数的最优匹配，且在参数确定过程中还同时考虑了试验线段和高压试验电源的对电晕电流分流的影响，更符合现场实际情况；阻波频率范围更宽，可在0.15-10MHz的频率范围内实现不少于30-35dB的衰减量，具有宽频带阻波的特点；阻波器的设计还同时考虑了在高电压作用下均压环表面满足电晕控制要求，避免了因自身电晕对试验线段测量结果造成干扰。本发明实施方式提供的确定试验线段阻波器参数的方法100，从步骤101处开始，在步骤101建立包括阻波器、高压试验电源和试验线段的电路仿真模型。
优选地，其中所述建立包含阻波器、高压试验电源和试验线段的电路仿真模型，包括：
将试验线段等效为多个串联的短线段单元，每个短线段单元均等效为电阻和电感先串联再与对地电容并联的电路结构，其中，所述对地电容的两端也并联有一个电阻；将阻波器等效为电容和电感并联的电路结构；将高压试验电源等效为电阻和电容并联的电路结构；其中，所述阻波器的一端与所述高压试验电源相连接，另一端与所述试验线段相连接。
图2为根据本发明实施方式的阻波器外形结构示意图。如图2所示，阻波器由两个均压环和电感线圈组成，电感线圈缠绕与绝缘套筒上。
图3为根据本发明实施方式的电路仿真模型的示意图。如图3所示，在本发明的实施方式中，利用电磁暂态分析程序(Electro-Magnetic Transient Program,EMTP)仿真建立包含试验线段、高压试验电源和阻波器的电路仿真模型。其中，试验线段采用分布参数模型，即每一个短线段均等效为电阻、电感先串联再与对地电容并联的电路结构，且对地电容两端也并联有一个电阻；阻波器等效电路模型为电容和电感并联的电路结构；高压试验电源等效电路模型为电阻和电容并联的电路结构。
在步骤102，基于所述电路仿真模型，向所述试验线段的预设位置处注入幅值相等且频率不同的正弦波电流，分别获取在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值。
在步骤103，根据在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值，分别计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量。
优选地，其中所述方法利用如下公式计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量，包括：
K(fi)＝-20lg(Iout(fi)/Iin(fi))，
其中，K(fi)为阻波器在第i个阻波器工作频率fi下的衰减量；Iout(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值；Iin(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下在预设位置注入的正弦波电流的幅值。
在本发明的实施方式中，仿真前需要设置阻波器的电容值和电感。其中，阻波器的电感的初始值L0的取值范围为5-10mH，变化步长值ΔL为5mH；电容的初始值C0的取值范围为50-100pF，变化步长值ΔC为5pF。设置阻波器工作频率范围为0.15-10MHz，并在该频率范围内选取多个频率点作为测量点，测量点包括0.15MHz和10MHz。若共设置了1000个测量点，则i＝1000。然后，基于所述电路仿真模型，向试验线段预设的位置处注入幅值相等、频率不同的正弦波电流，以获取不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值。在本发明的实施方式职工，预设的位置为试验线段距两端距离相等的中间位置，注入的正弦波电流频率范围为0.15-10MHz。然后，根据在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值，利用如下公式计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量，包括：
K(fi)＝-20lg(Iout(fi)/Iin(fi))，
其中，K(fi)为阻波器在第i个阻波器工作频率fi下的衰减量；Iout(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值；Iin(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下在预设位置注入的正弦波电流的幅值。
在步骤104，若所述阻波器在不同工作频率下的衰减量均大于等于预设的衰减量阈值，则确定阻波器的当前的电容值为阻波器的电容最优值，确定阻波器的当前的电感值为阻波器的电感最优值。
优选地，其中所述方法还包括：
若所述阻波器在不同工作频率下的衰减量不满足均大于等于预设的衰减量阈值，则按照预设的电感变化步长增大阻波器当前的电感值，且按照预设的电容变化步长减小阻波器当前的电容值，并重新获取在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值，直至阻波器在不同工作频率下的衰减量均大于等于预设的衰减量阈值时，确定阻波器的当前的电容值为阻波器的电容最优值，确定阻波器的当前的电感值为阻波器的电感最优值。
在本发明的实施方式中，预设的衰减量阈值K0根据最小允许衰减量设置，通过比较阻波器在不同工作频率下的衰减量K与预设的衰减量阈值K0的大小，来确定电容最优值和电感最优值。其中，若K≥K0，则停止计算，确定阻波器的当前的电容值C0为阻波器的电容最优值C终，确定阻波器的当前的电感值L0为阻波器的电感最优值L终；若K＜K0，则根据变化步长值ΔL适当增大当前的电感值，同时根据变化步长值ΔC减小当前的电容值，并返回步骤102重新计算，直至K≥K0，确定阻波器的当前的电容值C0为阻波器的电容最优值C终，确定阻波器的当前的电感值L0为阻波器的电感最优值L终。L终和C终为满足阻波器最小允许衰减量要求的阻波器的电感参数值和电容参数值。
优选地，其中所述方法还包括：
建立两个均压环平行排列的三维有限元仿真模型，并设置阻波器的均压环的圆环外径和两个均压环的环间距的初始值；
分别在两个均压环上施加幅值不同的第一电压激励和第二电压激励，以分别获取两个均压环上的第一电荷量和第二电荷量；
根据所述第一电压激励、第二电压激励、第一电荷量和第二电荷量计算两个均压环之间的互电容；
若两个均压环之间的互电容小于等于预设的互电容阈值，则确定当前的圆外环直径为均压环的圆外环直径最优值，确定当前的环间距为两个均压环的环间距最优值。
优选地，其中所述方法还包括：
若两个均压环之间的互电容大于预设的电容阈值，则按照预设的圆外环直径变化步长减小阻波器均压环当前的圆外环直径，且按照预设的环间距变化步长增大两个均压环当前的环间距，并重新计算第一电荷量和第二电荷量，直至两个均压环之间的互电容小于等于预设的互电容阈值时，确定当前的圆外环直径为均压环的圆外环直径最优值，确定当前的环间距为两个均压环的环间距最优值。
在本发明的实施方式中，根据确定的电容最优值C终确定实体阻波器的均压环的圆外环直径和两个均压环的环间距。具体地计算方法包括：
(1)基于ANSYS、COMSOL等软件，建立两个均压环平行排列的三维有限元仿真模型，设置均压环的圆环外径初值设定为d1，两个均压环的环间距设定为d2；
(2)在两个均压环上施加幅值不同的电压激励，分别为第一电压激励U1和第二电压激励U2；
(3)通过计算，获得两个均压环上的电荷量，分别为第一电荷量Q1和第二电荷量Q2；
(4)计算两个均压环之间的互电容，计算公式为：
其中，C11和C22为两个均压环的自电容，C12为两个均压环的互电容。
(5)比较计算得到的两均压环间互电容C12与预设的互电容阈值C的大小，若C12≤C，则停止计算，此时的d1和d2即为满足要求的均压环的圆外环直径和环间距；若C12＞C，则按照预设的圆外环直径变化步长减小阻波器均压环当前的圆外环直径d1，且按照预设的环间距变化步长增大两个均压环当前的环间距d2，并返回步骤(2)重新计算，直至C12≤C，确定当前的d1和d2即为满足要求的均压环的圆外环直径和间距。
优选地，其中所述方法还包括：利用如下公式确定阻波器的电感线圈的匝数：
L＝0.1D2N2/(4.5D+10l)，
其中，L为阻波器的电感最优值，单位为μH；D为电感线圈的外直径，单位为cm；N为线圈的总匝数；l为电感线圈的垂直高度，单位为cm；其中，l小于等于两个均压环的环间距；D不能大于均压环的圆外环直径。
在本发明的实施方式中，根据电感最终值L终，利用经验公式确定阻波器的电感线圈的匝数、外径和垂直高度。其中，电感线圈的匝数的计算公式为：
L＝0.1D2N2/(4.5D+10l)，
其中，L为线圈电感值，单位为μH；D为电感线圈的外直径，单位为cm；N为线圈的总匝数；l为电感线圈的垂直高度，单位为cm；电感线圈的垂直高度l根据两个均压环的环间距决定，垂直高度l不能大于两个均压环的环间距d2；电感线圈的外径D根据均压环的圆外环直径决定，外径D不能大于均压环的圆外环直径d1。
优选地，其中所述方法还包括：
设置阻波器的均压环的管径初始值，根据当前的管径值计算均压环表面的第一电场强度值；
若所述第一电场强度值小于等于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值，则确定当前的管径值为均压环的管径最优值；若所述第一电场强度值大于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值，则根据预设的管径变化步长增大当前的管径值，并重新计算所述第一电场强度值，直至所述第一电场强度值小于等于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值时，确定当前的管径值为均压环的管径最优值。
在本发明的实施方式中，电感线圈的材质为耐热漆包圆铜线，设置均压环表面临界起晕电场强度阈值E0为20kV/cm，设定均压环的管径初值为R0。利用有限元法计算阻波器的均压环表面的电场强度E，若E≤E0，则说明均压环表面电场强度满足电晕控制要求，停止计算，确定当前的管径值为均压环的管径最优值；若E＞E0，则说明均压环表面电场强度不满足电晕控制要求，根据预设的管径变化步长增大当前的管径值，并重新计算阻波器的均压环表面的电场强度，直至E≤E0，确定当前的管径值即为管径最优值。
图4为根据本发明实施方式的确定试验线段阻波器参数的总体流程图。如图4所示，本发明实施方式的确定试验线段阻波器的参数的过程包括如下步骤：
(1)设定阻波器的工作频率范围f和最小允许衰减量K0；
(2)利用EMTP仿真软件，建立包含试验线段、高压试验电源和阻波器的电路仿真模型；
(3)设定阻波器的电感和电容初值和变化步长，电感初值为L0，电感变化步长值为ΔL，电容初值为C0，电容变化步长值为ΔC；
(4)在仿真模型中，向试验线段指定位置处注入幅值相等、频率不同的正弦波电流，计算从阻波器流出至高压试验电源的电流幅值；
(5)计算阻波器在工作频率范围内的衰减量K；
(6)比较计算得到的衰减量K与最小允许衰减量K0的大小，若K≥K0，则停止计算，L0和C0即为满足阻波器最小允许衰减量要求的电阻和电感参数值，分别记作L终和C终；若K＜K0，则适当增大电感值，同时减小电容值，重复步骤(4)-(5)，直至K≥K0，此时的电感和电容值即为满足阻波器最小允许衰减量要求的阻波器参数值，分别记作L终和C终。
(7)根据步骤(6)计算确定的电容值C终，确定阻波器均压环的圆环整体直径和两个均压环的间距。
(8)根据步骤(6)计算确定的电感值L终，利用经验公式确定阻波器电感线圈的匝数、外径和垂直高度。
(9)设定均压环的管径初值R0，设定均压环表面临界起晕电场强度E0，计算阻波器均压环表面的电场强度E，若E≤E0，则说明均压环表面电场强度满足电晕控制要求，停止计算；若E＞E0，，则说明均压环表面电场强度不满足电晕控制要求，适当增大均压环的管径，重新计算阻波器均压环表面的电场强度，直至E≤E0，该管径即为最终推荐的管径值。
以下以安装于北京特高压直流试验基地的直流试验线段上的阻波器为例来说明本发明的详细实施过程。
在本发明的实施方式中，直流试验线段长度为100m，两端挂线塔采用自立式钢管门型架，线路极间距6m，导线对地最小高度为7m，架设导线型式为4×LGJ-95/15，分裂间距45cm。线段末端开路，首端连接高压直流试验电源，试验电源最高输出电压为400kV。阻波器主要结构元件为电感线圈，电感线圈实际上是由耐热漆包圆铜线缠绕在绝缘套筒上形成。此外，由于阻波器串联在高压试验回路上，为避免自身发生电晕放电，在电感线圈两侧安装均压环用来改善电场强度分布。阻波器外形结构图如图2所示。阻波器在物理上可等效为电感和电容并联的电气元件，电感由电感线圈产生，电容则主要取决于两个均压环之间的互电容。当试验线段正常运行时，线段导线会发生电晕放电，电晕放电产生的电流将沿着导线流动，此时阻波器与试验线段、高压直流试验电源共同组成了一个滤波电路，避免电晕电流通过阻波器流入高压试验电源侧。线路发生电晕放电时，阻波器、试验线段、高压试验电源组成的等值电路图如图3所示。
首先，采用EMTP软件对图3的等效电路进行建模，计算模型中试验线段采用JMarti分布参数模型，直流高压试验电源可等效为阻容并联结构元件，其等效电容值约为0.478μF，电阻值约为400MΩ。计算时，设定试验线段中间位置发生电晕，即在线路中间位置注入不同频率、幅值相同的正弦波电流，通过求解从阻波器流入电源端的电流大小，即可得到阻波器对不同频率电晕电流的衰减特性。如图5所示，为阻波器的电容为20μF，电感取不同值时阻波器对高频电流的衰减特性曲线。如图6所示，为阻波器电感为20mH，电容取不同值时阻波器对高频电流的衰减特性曲线。
然后，设定阻波器在工频频率范围(0.15-10MHz)内最小运行衰减量为35dB。表1中给出了阻波器取不同电容和电感值时，工频频率内阻波器衰减量的最小值。对于阻波器而言，增大电感较为容易，但减小电容则较为困难，因此，阻波器的电容数值选取不宜过小。综合考虑技术性和经济性，对于直流试验线段，确定阻波器的电容值为不大于15pF，电感值不小于20mH。
表1阻波器取不同参数时阻波器衰减量
然后，建立了三维有限元仿真模型，根据电容值的要求，确定阻波器的两个均压环的环间距为1.2m，均压环的圆外环直径为0.8m。根据电感线圈的电感计算公式确定阻波器电感线圈的参数为：电感线圈的外径为0.4m，电感线圈的垂直高度为0.8m，匝数为350匝，阻波器电感值约为20mH。
然后，利用ANSYS Maxwell软件，建立阻波器的三维有限元仿真模型，如图7所示，并对均压环表面的电场强度进行了计算，直流电压400kV下阻波器均压环表面的电场计算结果如图8所示。由计算结果可以看出，均压罩表面的最大电场强度出现在均压罩的外侧，最大值约为18kV/cm，满足不大于临界起晕电场强度的要求，因此，满足电晕控制要求。
最后，将研制的阻波器安装于直流试验线段上，阻波器顶端与试验线段耐张绝缘子串均压环直接相连，末端与直流高压试验电源相连。在阻波器连接到线路前后，对试验线段中间位置处的无线电干扰进行了测试，得到了有无阻波器时的无线电干扰频谱特性曲线对比，如图9所示。由图中结果可以看出，未安装阻波器前，无线电干扰的频谱特性杂乱无章没有规律，安装阻波器后，无线电干扰频谱的波峰-波谷交替出现的趋势更清晰，且波峰与波峰之间频率间隔相等，与两端开路情况下的计算结果基本一致，可以说明本实施方式中设计的阻波器的有效性。
图10为根据本发明实施方式的确定试验线段阻波器参数的系统1000的结构示意图。如图10所示，本发明实施方式提供的确定试验线段阻波器参数的系统100，包括：电路仿真模型建立单元1001、电流幅值获取单元1002、衰减量计算单元1003和电容和电感最优值确定单元1004。
优选地，所述电路仿真模型建立单元1001，用于建立包括阻波器、高压试验电源和试验线段的电路仿真模型；其中，所述阻波器的一端与所述高压试验电源相连接，另一端与所述试验线段相连接。
优选地，其中所述电路仿真模型建立单元1001，建立包含阻波器、高压试验电源和试验线段的电路仿真模型，包括：
将试验线段等效为多个串联的短线段单元，每个短线段单元均等效为电阻和电感先串联再与对地电容并联的电路结构，其中，所述对地电容的两端也并联有一个电阻；将阻波器等效为电容和电感并联的电路结构；将高压试验电源等效为电阻和电容并联的电路结构。
优选地，所述电流幅值获取单元1002，用于基于所述电路仿真模型，向所述试验线段的预设位置处注入幅值相等且频率不同的正弦波电流，分别获取在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值。
优选地，所述衰减量计算单元1003，用于根据在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值，分别计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量。
优选地，其中所述衰减量计算单元1003，利用如下公式计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量，包括：
K(fi)＝-20lg(Iout(fi)/Iin(fi))，
其中，K(fi)为阻波器在第i个阻波器工作频率fi下的衰减量；Iout(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值；Iin(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下在预设位置注入的正弦波电流的幅值。
优选地，所述电容和电感最优值确定单元1004，用于若所述阻波器在不同工作频率下的衰减量均大于等于预设的衰减量阈值，则确定阻波器的当前的电容值为阻波器的电容最优值，确定阻波器的当前的电感值为阻波器的电感最优值。
优选地，其中所述电容和电感最优值确定单元1004，还用于：若所述阻波器在不同工作频率下的衰减量不满足均大于等于预设的衰减量阈值，则按照预设的电感变化步长增大阻波器当前的电感值，且按照预设的电容变化步长减小阻波器当前的电容值，并进入电流幅值获取单元重新计算，直至阻波器在不同工作频率下的衰减量均大于等于预设的衰减量阈值时，确定阻波器的当前的电容值为阻波器的电容最优值，确定阻波器的当前的电感值为阻波器的电感最优值。
优选地，其中所述系统还包括：均压环的圆外环直径和环间距最优值确定单元，用于：
建立两个均压环平行排列的三维有限元仿真模型，并设置阻波器的均压环的圆环外径和两个均压环的环间距的初始值；
分别在两个均压环上施加幅值不同的第一电压激励和第二电压激励，以分别获取两个均压环上的第一电荷量和第二电荷量；
根据所述第一电压激励、第二电压激励、第一电荷量和第二电荷量计算两个均压环之间的互电容；
若两个均压环之间的互电容小于等于预设的互电容阈值，则确定当前的圆外环直径为均压环的圆外环直径最优值，确定当前的环间距为两个均压环的环间距最优值。
优选地，其中所述均压环的圆外环直径和环间距最优值确定单元，还用于：
若两个均压环之间的互电容大于预设的电容阈值，则按照预设的圆外环直径变化步长减小阻波器均压环当前的圆外环直径，且按照预设的环间距变化步长增大两个均压环当前的环间距，并重新计算第一电荷量和第二电荷量，直至两个均压环之间的互电容小于等于预设的互电容阈值时，确定当前的圆外环直径为均压环的圆外环直径最优值，确定当前的环间距为两个均压环的环间距最优值。
优选地，其中所述系统还包括：电感线圈的匝数确定单元，用于利用如下公式确定阻波器的电感线圈的匝数：
L＝0.1D2N2/(4.5D+10l)，
其中，L为阻波器的电感最优值，单位为μH；D为电感线圈的外直径，单位为cm；N为线圈的总匝数；l为电感线圈的垂直高度，单位为cm；其中，l小于等于两个均压环的环间距；D不能大于均压环的圆外环直径。
优选地，其中所述系统还包括：均压环的管径最优值确定单元，用于：
设置阻波器的均压环的管径初始值，根据当前的管径值计算均压环表面的第一电场强度值；
若所述第一电场强度值小于等于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值，则确定当前的管径值为均压环的管径最优值；若所述第一电场强度值大于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值，则根据预设的管径变化步长增大当前的管径值，并重新计算所述第一电场强度值，直至所述第一电场强度值小于等于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值时，确定当前的管径值为均压环的管径最优值。
本发明的实施例的确定试验线段阻波器参数的系统1000的与本发明的另一个实施例的确定试验线段阻波器参数的方法100相对应，在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (16)
1.一种确定试验线段阻波器参数的方法，其特征在于，所述方法包括：
建立包括阻波器、高压试验电源和试验线段的电路仿真模型；
基于所述电路仿真模型，向所述试验线段的预设位置处注入幅值相等且频率不同的正弦波电流，分别获取在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值；
根据在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值，分别计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量；
若所述阻波器在不同工作频率下的衰减量均大于等于预设的衰减量阈值，则确定阻波器的当前的电容值为阻波器的电容最优值，确定阻波器的当前的电感值为阻波器的电感最优值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立包含阻波器、高压试验电源和试验线段的电路仿真模型，包括：
将试验线段等效为多个串联的短线段单元，每个短线段单元均等效为电阻和电感先串联再与对地电容并联的电路结构，其中，所述对地电容的两端也并联有一个电阻；将阻波器等效为电容和电感并联的电路结构；将高压试验电源等效为电阻和电容并联的电路结构；其中，所述阻波器的一端与所述高压试验电源相连接，另一端与所述试验线段相连接。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法利用如下公式计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量，包括：
K(fi)＝-20lg(Iout(fi)/Iin(fi))，
其中，K(fi)为阻波器在第i个阻波器工作频率fi下的衰减量；Iout(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值；Iin(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下在预设位置注入的正弦波电流的幅值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若所述阻波器在不同工作频率下的衰减量不满足均大于等于预设的衰减量阈值，则按照预设的电感变化步长增大阻波器当前的电感值，且按照预设的电容变化步长减小阻波器当前的电容值，并重新获取在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值，直至阻波器在不同工作频率下的衰减量均大于等于预设的衰减量阈值时，确定阻波器的当前的电容值为阻波器的电容最优值，确定阻波器的当前的电感值为阻波器的电感最优值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
建立两个均压环平行排列的三维有限元仿真模型，并设置阻波器的均压环的圆环外径和两个均压环的环间距的初始值；
分别在两个均压环上施加幅值不同的第一电压激励和第二电压激励，以分别获取两个均压环上的第一电荷量和第二电荷量；
根据所述第一电压激励、第二电压激励、第一电荷量和第二电荷量计算两个均压环之间的互电容；
若两个均压环之间的互电容小于等于预设的互电容阈值，则确定当前的圆外环直径为均压环的圆外环直径最优值，确定当前的环间距为两个均压环的环间距最优值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若两个均压环之间的互电容大于预设的电容阈值，则按照预设的圆外环直径变化步长减小阻波器均压环当前的圆外环直径，且按照预设的环间距变化步长增大两个均压环当前的环间距，并重新计算第一电荷量和第二电荷量，直至两个均压环之间的互电容小于等于预设的互电容阈值时，确定当前的圆外环直径为均压环的圆外环直径最优值，确定当前的环间距为两个均压环的环间距最优值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：利用如下公式确定阻波器的电感线圈的匝数：
L＝0.1D2N2/(4.5D+10l)，
其中，L为阻波器的电感最优值，单位为μH；D为电感线圈的外直径，单位为cm；N为线圈的总匝数；l为电感线圈的垂直高度，单位为cm；其中，l小于等于两个均压环的环间距；D不能大于均压环的圆外环直径。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
设置阻波器的均压环的管径初始值，根据当前的管径值计算均压环表面的第一电场强度值；
若所述第一电场强度值小于等于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值，则确定当前的管径值为均压环的管径最优值；若所述第一电场强度值大于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值，则根据预设的管径变化步长增大当前的管径值，并重新计算所述第一电场强度值，直至所述第一电场强度值小于等于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值时，确定当前的管径值为均压环的管径最优值。
9.一种确定试验线段阻波器参数的系统，其特征在于，所述系统包括：
电路仿真模型建立单元，用于建立包括阻波器、高压试验电源和试验线段的电路仿真模型；
电流幅值获取单元，用于基于所述电路仿真模型，向所述试验线段的预设位置处注入幅值相等且频率不同的正弦波电流，分别获取在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值；
衰减量计算单元，用于根据在不同的阻波器工作频率下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值，分别计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量；
电容和电感最优值确定单元，用于若所述阻波器在不同工作频率下的衰减量均大于等于预设的衰减量阈值，则确定阻波器的当前的电容值为阻波器的电容最优值，确定阻波器的当前的电感值为阻波器的电感最优值。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述电路仿真模型建立单元，建立包含阻波器、高压试验电源和试验线段的电路仿真模型，包括：
将试验线段等效为多个串联的短线段单元，每个短线段单元均等效为电阻和电感先串联再与对地电容并联的电路结构，其中，所述对地电容的两端也并联有一个电阻；将阻波器等效为电容和电感并联的电路结构；将高压试验电源等效为电阻和电容并联的电路结构；其中，所述阻波器的一端与所述高压试验电源相连接，另一端与所述试验线段相连接。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述衰减量计算单元，利用如下公式计算所述阻波器在不同的阻波器工作频率下的衰减量，包括：
K(fi)＝-20lg(Iout(fi)/Iin(fi))，
其中，K(fi)为阻波器在第i个阻波器工作频率fi下的衰减量；Iout(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下从所述阻波器流出至高压试验电源的电流幅值；Iin(fi)为在第i个阻波器工作频率fi下在预设位置注入的正弦波电流的幅值。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述电容和电感最优值确定单元，还用于：
若所述阻波器在不同工作频率下的衰减量不满足均大于等于预设的衰减量阈值，则按照预设的电感变化步长增大阻波器当前的电感值，且按照预设的电容变化步长减小阻波器当前的电容值，并进入电流幅值获取单元重新计算，直至阻波器在不同工作频率下的衰减量均大于等于预设的衰减量阈值时，确定阻波器的当前的电容值为阻波器的电容最优值，确定阻波器的当前的电感值为阻波器的电感最优值。
13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：均压环的圆外环直径和环间距最优值确定单元，用于：
建立两个均压环平行排列的三维有限元仿真模型，并设置阻波器的均压环的圆环外径和两个均压环的环间距的初始值；
分别在两个均压环上施加幅值不同的第一电压激励和第二电压激励，以分别获取两个均压环上的第一电荷量和第二电荷量；
根据所述第一电压激励、第二电压激励、第一电荷量和第二电荷量计算两个均压环之间的互电容；
若两个均压环之间的互电容小于等于预设的互电容阈值，则确定当前的圆外环直径为均压环的圆外环直径最优值，确定当前的环间距为两个均压环的环间距最优值。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述均压环的圆外环直径和环间距最优值确定单元，还用于：
若两个均压环之间的互电容大于预设的电容阈值，则按照预设的圆外环直径变化步长减小阻波器均压环当前的圆外环直径，且按照预设的环间距变化步长增大两个均压环当前的环间距，并重新计算第一电荷量和第二电荷量，直至两个均压环之间的互电容小于等于预设的互电容阈值时，确定当前的圆外环直径为均压环的圆外环直径最优值，确定当前的环间距为两个均压环的环间距最优值。
15.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：电感线圈的匝数确定单元，用于利用如下公式确定阻波器的电感线圈的匝数：
L＝0.1D2N2/(4.5D+10l)，
其中，L为阻波器的电感最优值，单位为μH；D为电感线圈的外直径，单位为cm；N为线圈的总匝数；l为电感线圈的垂直高度，单位为cm；其中，l小于等于两个均压环的环间距；D不能大于均压环的圆外环直径。
16.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：均压环的管径最优值确定单元，用于：
设置阻波器的均压环的管径初始值，根据当前的管径值计算均压环表面的第一电场强度值；
若所述第一电场强度值小于等于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值，则确定当前的管径值为均压环的管径最优值；若所述第一电场强度值大于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值，则根据预设的管径变化步长增大当前的管径值，并重新计算所述第一电场强度值，直至所述第一电场强度值小于等于预设的均压环表面临界起晕电场强度阈值时，确定当前的管径值为均压环的管径最优值。
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