CN112380808B - 一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法 - Google Patents

一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法 Download PDF

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Abstract

一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法，根据带长连续电流多重回击的特征参数，确定雷电流仿真波形；根据输电线路及避雷器的参数，在ATP‑EMTP中建立雷击线路暂态计算模型；利用ATP‑EMTP进行雷击暂态仿真，依次计算各回击及其长连续电流作用下避雷器的吸收功率P n；依据避雷器结构参数及材料属性，在ANSYS中搭建避雷器有限元温度场计算模型；将避雷器的吸收功率P n数据存入ANSYS根目录，利用语言程序APDL命令流按回击次序进行调用，分段加载作为输入热源P therm ，实现ATP‑EMTP与ANSYS的数据交换；进行场‑路耦合的温度场计算，求解带长连续电流多重回击作用下避雷器温升。本发明得到的避雷器功率与实际工况下较为接近，弥补了试验对避雷器雷击耐受能力评估的局限性。

Description

一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法
技术领域
本发明涉及避雷器温升特性研究技术领域，具体涉及一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法。
背景技术
随着输电线路电压等级的提高，输送容量的增大，杆塔高度和线路走廊尺寸也随之增加；加上线路沿途地面状况复杂，气候多变，使输电线路遭受自然雷害的几率大幅度增加。统计数据表明：80％的雷电活动存在多重回击现象，地闪多重回击的回击间也可能会出现连续电流，而以往在线路雷击风险评估中仅考虑了年平均地闪密度和首次回击(主放电)，这可能会低估电网雷害风险，造成线路耐雷能力设计不足。目前，针对地闪长连续电流过程的防雷计算较少，而地闪回击后出现的长连续电流过程是雷云转移电荷的主要过程，其释放的电荷占雷击总电荷量的75％以上，产生的热效应经常造成严重的雷击事故。
基于上述背景，亟待提出了一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法。
发明内容
针对目前地闪长连续电流过程对避雷器温升特性研究存在的不足，本发明根据带长连续电流多重回击的特征，而提出了一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法，从而可为长连续电流的防护及避雷器的优化设计提供参考。
本发明采取的技术方案为：
一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法，包括以下步骤：
步骤一：根据带长连续电流多重回击的特征参数，确定雷电流仿真波形；
步骤二：在ATP-EMTP中根据输电线路、杆塔及避雷器的参数，建立相应的等效电路元件，并搭建输电线路暂态电路模型；
步骤三：利用ATP-EMTP进行雷击暂态仿真，依次计算各回击及其长连续电流作用下避雷器的吸收功率Pn；
步骤四：在ANSYS中根据避雷器结构参数及材料属性，建立避雷器几何模型，并设置各材料的热性能参数；
步骤五：将避雷器的吸收功率Pn数据存入ANSYS根目录，利用参数化语言程序APDL命令流按回击次序进行调用，分段加载作为输入热源Ptherm，实现ATP-EMTP与ANSYS的数据交换；
步骤六：在ANSYS中设置避雷器外表面对流换热系数及边界条件，将热源功率Ptherm作为载荷施加在电阻片上，进行温度场计算，获得带长连续电流多重回击作用下避雷器的温升W。
本发明一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法，利用ATP-EMTP建立了雷击线路暂态计算模型，并在ANSYS中搭建了避雷器温度场计算模型，通过场-路耦合求解获得避雷器的温升特性。本发明将多回击暂态过程分解成带长连续电流的单回击过程，分别计算带长连续电流的单回击作用下避雷器的发热功率Pn，分段载入ANSYS中获得输入热源Ptherm，求解带长连续电流多重回击作用下避雷器的温升。此方法可根据地闪带长连续电流多重回击的实际参数，设置回击及连续电流过程的参数值，在线路暂态电路中进行雷击计算，得到的避雷器功率与实际工况下较为接近，弥补了试验对避雷器雷击耐受能力评估的局限性。
附图说明
图1为本发明的计算流程图。
图2为雷电流仿真波形图。
图3为雷击线路暂态模型图。
图4(1)为避雷器温度场计算模型图；
图4(2)为图4(1)简化后的模型图；
图4(3)为图4(2)上部分模型示意图；
图4(1)～图4(3)中：1-法兰，2-电阻片，3-套管，4-环氧管，5-伞裙。
图5为多重回击及长连续电流波形示意图。
图6为多重回击及长连续电流作用下避雷器温升图。
具体实施方式
一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法，包括以下步骤：
步骤一：根据带长连续电流多重回击的特征参数，特征参数包括回击的峰值I1、波头时间t1、波尾时间t2、波形陡度x、修正系数k、回击的作用时间Tr，长连续电流的幅值I2、以及持续时间tcc。在ATP-EMTP中回击阶段用Heidler模型模拟，长连续电流阶段采用平角波模拟，具体函数如下式：
Figure BDA0002756413970000031
在ATP-EMTP中确定雷电流仿真波形，雷电流仿真波形示意如图2所示。
步骤二：在ATP-EMTP中根据输电线路、杆塔及避雷器的参数，建立相应的等效电路元件，并构建成输电线路暂态电路模型，如图3所示。以分析雷击线路的电磁暂态过程。需要获得的输电线路参数包括导线以及地线型号、空间位置；杆塔参数包括杆塔型号、呼高、波阻抗和接地电阻；避雷器参数包括避雷器型号、伏安特性。
步骤三：利用ATP-EMTP进行雷击暂态仿真，依次计算各回击及其长连续电流作用下避雷器的吸收功率Pn，计算公式如下所示：
Pn＝Un×In，(n＝1、2、……N)
式中，Un、In分别为第n次回击及其长连续电流作用下避雷器的放电电压和电流，N为最大回击次数。
步骤四：在ANSYS中根据避雷器结构参数及材料属性，建立避雷器几何模型，并设置各材料的热性能参数。需要获得避雷器结构参数的部位包括：氧化锌电阻片、套管、环氧管、硅橡胶伞裙及法兰；材料属性包括导热率、密度、比热容。
由于避雷器为几何对称结构，故可以简化几何模型，从而减少计算量和求解时间。图4(1)～图4(3)为避雷器有限元温度场计算模型，其温度场求解域具有对称性，因此采用二维轴对称模型进行分析。
步骤五：将避雷器的吸收功率Pn数据存入ANSYS根目录，利用参数化语言程序APDL命令流按回击次序进行调用，分段加载作为输入热源Ptherm，实现ATP-EMTP与ANSYS的数据交换；输入热源Ptherm计算公式如下所示：
Figure BDA0002756413970000032
式中，(Pn,tn)表示为各回击的功率与时间数值。
步骤六：在ANSYS中设置避雷器外表对流换热系数及边界条件，将热源功率Ptherm作为载荷施加在电阻片上，进行温度场计算，获得带长连续电流多重回击作用下避雷器的温升W。
W＝f(Ptherm)。
具体算例：
以地闪长连续电流多重回击绕击某高压直流线路为例，建立了图3所示雷击线路暂态模型，其中包括：带连续电流及单次回击的雷电流模块、杆塔多段波阻抗模型、500kV输电线路模型、绝缘子串先导发展模型、带串联间隙的避雷器模型。
导线双极平行排列，导线型号为4×JL/LB1A-720/50，弧垂fc＝9m，地线型号为GJ-70。输电线路采用J.Marti模型模拟，档距为450m，全长20km。塔型为GV23单回直线塔，塔呼高39m，采用避雷器为复合外套带串联间隙金属氧化物避雷器，其标称放电电流为20kA，串联间隙为1.5m，间隙击穿电压为1275kV。并搭建了如图4(1)～图4(3)所示避雷器温度场计算模型，采用二维轴对称模型进行分析，其主要包括：氧化锌电阻片、套管、环氧管、硅橡胶伞裙及法兰等，各材料参数如表1所示，初始环境温度设为25℃，外表面对流换热系数取10W/(m2·k)。
表1避雷器各材料参数
伞裙 法兰 电阻片 环氧管 套管 空气
材料 硅橡胶 铁 ZnO 环氧树脂 硅橡胶
导热率W·(m·℃)<sup>-1</sup> 0.25 79 5.69 0.2 0.27 0.84
密度kg/m<sup>3</sup> 1500 7870 5500 980 1200 1.25
比热容J/(kg·℃) 880 447 487 1000 1700 21
多重回击及长连续电流波形示意如图5所示，参数设置为：首次回击电流峰值I1取30～90kA，后续回击峰值为首次回击的0.5倍，波形参数均为2.6/50μs，回击间的长连续电流幅值I2恒定为1000A，持续时间为100ms，得到不同带长连续电流多重回击作用下避雷器温升计算结果如图6所示。由图6可知：随着回击电流幅值与次数的增加，避雷器整体温升明显上升，首次回击电流幅值为90kA时，10次回击作用下避雷器的最大温升可达到150.7℃。

Claims (6)

1.一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：根据带长连续电流多重回击的特征参数，确定雷电流仿真波形；
所述步骤一中，特征参数包括回击的峰值I1、波头时间t1、波尾时间t2、波形陡度x、修正系数k、回击的作用时间Tr；长连续电流的幅值I2、以及持续时间tcc；回击阶段用Heidler模型模拟，长连续电流阶段采用平角波模拟，具体函数如下式：
Figure FDA0003634804380000011
步骤二：在ATP-EMTP中根据输电线路、杆塔及避雷器的参数，建立相应的等效电路元件，并搭建输电线路暂态电路模型；
步骤三：利用ATP-EMTP进行雷击暂态仿真，依次计算各回击及其长连续电流作用下避雷器的吸收功率Pn；
步骤四：在ANSYS中根据避雷器结构参数及材料属性，建立避雷器几何模型，并设置各材料的热性能参数；
步骤五：将避雷器的吸收功率Pn数据存入ANSYS根目录，利用参数化语言程序APDL命令流按回击次序进行调用，分段加载作为输入热源Ptherm，实现ATP-EMTP与ANSYS的数据交换；
步骤六：在ANSYS中设置避雷器外表面对流换热系数及边界条件，将热源功率Ptherm作为载荷施加在电阻片上，进行温度场计算，获得带长连续电流多重回击作用下避雷器的温升W。
2.根据权利要求1所述一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法，其特征在于：所述步骤二中，输电线路参数包括导线以及地线型号、空间位置；杆塔参数包括杆塔型号、呼高、波阻抗和接地电阻；避雷器参数包括避雷器型号、伏安特性。
3.根据权利要求1所述一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法，其特征在于：所述步骤三中，避雷器的吸收功率Pn，计算公式如下所示：
Pn＝Un×In，(n＝1、2、……N)
式中，Un、In分别为第n次回击及其长连续电流作用下避雷器的放电电压和电流，N为最大回击次数。
4.根据权利要求1所述一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法，其特征在于：所述步骤四中，需要获得避雷器结构参数的部位包括：氧化锌电阻片、套管、环氧管、硅橡胶伞裙及法兰；材料属性包括导热率、密度、比热容。
5.根据权利要求1所述一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法，其特征在于：所述步骤四中，由于避雷器为几何对称结构，因此采用二维轴对称模型进行分析。
6.根据权利要求1所述一种带长连续电流多重回击作用下避雷器温升的计算方法，其特征在于：所述步骤五中，输入热源Ptherm计算公式如下所示：
Figure FDA0003634804380000021
式中，(Pn,tn)表示为各回击的功率与时间数值。
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