CN114462195A - 防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法 - Google Patents

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CN114462195A CN202111618042.8A CN202111618042A CN114462195A CN 114462195 A CN114462195 A CN 114462195A CN 202111618042 A CN202111618042 A CN 202111618042A CN 114462195 A CN114462195 A CN 114462195A
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胡建平
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蒋兴良
张瑞何
张志劲
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Chongqing University
Disaster Prevention and Mitigation Center of State Grid Hunan Electric Power Co Ltd
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Disaster Prevention and Mitigation Center of State Grid Hunan Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法，步骤为：1)获取伏安特性曲线；2)得到电阻片电压与电流的函数关系；3)计算避雷器的通流能量w；4)确定电阻片在冲击耐受大电流下的最大吸收能量W0；5)建立无避雷线输电线路的电磁暂态模型以及防雷防冰绝缘子的仿真模型；6)得到避雷器在通流能量为W0时流过防雷段模型的雷电流幅值I1；7)根据伏安特性曲线，确定雷电流幅值I1对应的避雷器最大残压值U1；8)由闪络电压与间隙距离的关系得到并联保护间隙距离。本发明对防雷防冰绝缘子的并联保护间隙进行优化，通过避雷器和并联间隙两者的相互配合，以保证避雷段的氧化锌电阻片在通过较大的雷电能量不被破坏。

Description

防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法
技术领域
本发明涉及电力架空线路的防雷保护装置技术领域，具体是防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法。
背景技术
随着近年来我国电网事业的发展，输电线路的覆盖区域越来越广，这也导致许多输电线路要经过一些地形复杂、气候高寒的山丘地区。尤其是南方受气象和地形等因素影响，容易出现输电线路覆冰。由于避雷线无电流的热效应，覆冰相对导线更为严重，重覆冰情况下容易发生断线事故。避雷线断线后掉落在导线上，造成线路跳闸，引起线路停运,严重影响用户的正常供电。而当下对于覆冰闪络与雷击闪络问题的处理存在功能单一的缺陷，要么只能防冰，要么只能防雷。
发明内容
本发明的目的是提供防雷防冰绝缘子并联保护间隙的优化方法，包括以下步骤：
1)获取防雷防冰复合绝缘子避雷器段中氧化锌电阻片的伏安特性曲线、避雷器的4/10μs冲击耐受大电流。冲击耐受大电流的幅值记为I0。
获取避雷器伏安特性数据的步骤包括：
1.1)将冲击电流单独作用于避雷器上，测量氧化锌电阻片在当前电流下的残压。
1.2)改变冲击电流幅值，并返回步骤1.1)，直至测量得到氧化锌电阻片在不同冲击电流下的残压，并根据冲击电流幅值和残压建立伏安特性曲线。
2)对氧化锌电阻片伏安特性数据进行函数拟合，得到电阻片电压与电流的函数关系。
氧化锌电阻片电压与电流的函数关系如下所示：
u＝Cia (1)
式中，C、a为函数拟合得到的常数。
其中，幅值为I0的4/10μs冲击大电流i是关于时间t的函数，即：
Figure BDA0003437109850000011
式中，a、b、c、d为函数拟合得到的常数。常数b＝I0/4，u为避雷器残压。I0为电流幅值。
3)计算避雷器的通流能量w。
避雷器的最大能量耐受能力w如下所示：
w＝∫uidt (3)
式中，u、i分别表示避雷器残压和电流。t为时间。根据氧化锌电阻片电压与电流的函数关系和电阻片的伏安特性数据，即可确定电阻片在冲击耐受大电流下的最大吸收能量W0。
4)在ATP仿真软件中建立无避雷线输电线路的电磁暂态模型以及防雷防冰绝缘子的仿真模型。
5)将雷电流注入到的仿真模型中，改变雷电流幅值，得到避雷器在通流能量为W0时流过防雷段的雷电流幅值为I1。
6)根据伏安特性曲线，确定雷电流幅值I1对应的避雷器最大残压值U1。
7)以残压值U1为基准点，进行并联保护间隙的击穿电压试验，得到闪络电压与间隙距离的关系。
并联保护间隙的击穿电压试验的方法包括：冲击电压发生器向防雷防冰绝缘子中的并联保护间隙结构器输出脉冲电压，进行闪络电压试验，测量冲击闪络电压与间隙距离的关系曲线，进而得到并联保护间隙距离。所述并联保护间隙距离增加了裕度ΔD。
闪络电压与间隙距离的关系如下所示：
u'＝MD+N (4)
式中，u'为闪络电压，D为间隙距离，M、N为拟合得到的常数。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，针对现有防雷防冰复合绝缘子的结构，本发明对避雷器段并联保护间隙的距离进行优化。相比于其他普通绝缘子，本发明的防雷防冰绝缘子在避雷器段新增了并联保护间隙，并从避雷器的最大能量耐受能力的角度进行优化设计，实现对防雷防冰绝缘子避雷段的氧化锌电阻片的保护，保证其正常工作。
本发明既可以最大限度的使避雷器吸收冲击能量，在安全范围内通过雷电流，又可以有效保护避雷器氧化锌阀片，使其免遭高幅值雷电流的损害，保证复合绝缘子的正常运行。本发明在确定并联保护间隙距离之后可以得到防雷防冰复合绝缘子通流能力与雷击跳闸率的对应关系。
本发明对防雷防冰绝缘子的并联保护间隙进行优化，通过避雷器和并联间隙两者的相互配合，以保证避雷段的氧化锌电阻片在通过较大的雷电能量不被破坏。在通流能量较低时，通过避雷器的雷电能量被氧化锌电阻片吸收，并联间隙不会击穿，当防雷段通流能量超过避雷器的最大能量耐受能力时，雷电流在防雷段两端产生较高的残压，并联间隙击穿保护避雷器。
附图说明
图1为防雷防冰复合绝缘子模型。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1，防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法，具体包括以下步骤：
1)获取防雷防冰复合绝缘子避雷器段中氧化锌电阻片的伏安特性曲线、避雷器的4/10μs冲击耐受大电流。冲击耐受大电流的幅值记为I0。
获取避雷器伏安特性数据的步骤包括：
1.1)将冲击电流单独作用于避雷器上，测量氧化锌电阻片在当前电流下的残压。
1.2)改变冲击电流幅值，并返回步骤1.1)，直至测量得到氧化锌电阻片在不同冲击电流下的残压，并根据冲击电流幅值和残压建立伏安特性曲线。
2)对氧化锌电阻片伏安特性数据进行函数拟合，得到电阻片电压与电流的函数关系。
氧化锌电阻片电压与电流的函数关系如下所示：
u＝Cia (1)
式中，C、a为函数拟合得到的常数。
其中，幅值为I0的4/10μs冲击大电流i是关于时间t的函数，即：
Figure BDA0003437109850000041
式中，a、b、c、d为函数拟合得到的常数。常数b＝I0/4，u为避雷器残压。I0为电流幅值。
3)计算避雷器的最大通流能量w。
避雷器的最大能量耐受能力w如下所示：
w＝∫uidt (3)
式中，u、i分别表示避雷器残压和电流。t为时间。通过上式即可确定氧化锌电阻片在冲击耐受大电流下的最大吸收能量记为W0。
4)建立无地线输电线路的电磁暂态仿真模型，雷电流选取标准雷电波，波头波尾取2.6/50μs。
5)建立包括防雷防冰绝缘子防雷段和绝缘段的仿真模型。
所述防雷段包括氧化锌电阻片和一对金具，所述一对金具为位于所述防雷段两端的两个弯折的金属球状电极，两个所述球状电极之间构成防雷段的并联保护间隙。该保护间隙的作用是通过避雷器和并联间隙两者的相互配合，保护避雷器阀片在通过较大的雷电能量时不被破坏。
6)将雷电流注入到仿真模型中，按照能量等效原理，仿真计算避雷器在2.6/50μs电流波形下通流能量为W0时流过防雷段模型的雷电流幅值I1。
7)根据伏安特性曲线，确定雷电流幅值I1对应的避雷器最大残压值U1。
8)以残压值U1为基准点，进行并联保护间隙的击穿电压试验，得到闪络电压与间隙距离的关系。
并联保护间隙的击穿电压试验的方法包括：冲击电压发生器向防雷防冰绝缘子中的并联保护间隙结构器输出脉冲电压，进行闪络电压试验，测量冲击闪络电压与间隙距离的关系曲线，进而得到并联保护间隙距离。所述并联保护间隙距离增加了裕度ΔD。
闪络电压与间隙距离的关系如下所示：
u'＝MD+N (4)
式中，u'为闪络电压，D为间隙距离，M、N为拟合得到的常数。
9)对间隙距离进行优化，得到并联保护间隙的优化距离。
对间隙距离进行优化的方法包括：为间隙距离增加裕度ΔD。
本发明让线路采无避雷线运行的方式，同时为了提高取消避雷线输电线路的耐雷性能，将线路绝缘子改为具有防雷功能的防冰闪合成绝缘子，参见图1，该绝缘子既可防雷亦可防冰闪，且应安装简便,无需改变杆塔原结构，从而可以节省设备选型和电网建设的开支。运行经验表明，防雷防冰绝缘子可以改善取消避雷线输电线路的耐雷性能。
实施例2：
参见图1，防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法，具体包括以下步骤：
1)保证防雷防冰绝缘子对无避雷线输电线路的有效防护，同时基于经济行考虑，首先针对不同电压等级线路的防雷需求来设置相对应的防雷防冰绝缘子的最大通流能力，即设置防雷段的避雷器4/10μs大电流冲击耐受为100kA、150kA、175kA、200kA等。
2)避雷器伏安特性数据的获取。将冲击电流单独作用于所述步骤一中选定的避雷器上，改变冲击电流幅值，测量氧化锌电阻片在不同电流下的残压，得到避雷器氧化锌电阻片的伏安特性曲线。
3)将步骤2中得到的避雷器伏安特性曲线进行函数拟合，可以得到氧化锌电阻片电压与电流的函数关系，表达式为：u＝Cia；同时将幅值为I0的4/10μs大电流的波形简化为时间t的函数为：
Figure BDA0003437109850000051
上式中：abcd为函数拟合得到的常数，其中b＝I0/4，u为避雷器残压。
4)基于步骤3中得到的伏秒特性曲线和4/10μs大电流的拟合函数，计算避雷器的氧化锌电阻片在通过冲击电流时的吸能能量w，其计算公式为：
w＝∫uidt
考虑到μs级的放电时间与周围物质的热量消散时间常数对比可以忽略。吸收能量计算方面忽略热量消散作用，认为放电过程为绝热过程。结合冲击电流波形函数和伏安特性曲线，得到氧化锌电阻片在幅值为I0的4/10μs冲击电流下的最大吸收能量W0。
5)基于步骤4得到的在不损坏氧化锌电阻片前提下的避雷器最大通流能量W0。在仿真软件中，建立无地线输电线路的电磁暂态仿真模型，利用避雷器的伏安特性数据，建立防雷防冰绝缘子防雷段和绝缘段的仿真模型。雷电流选取标准雷电波，波头波尾取2.6/50μs，雷电击中防雷防冰绝缘子与导线连接处时，所承受的雷电流最大。按照能量等效原理，仿真计算避雷器在2.6/50μs电流波形下通流能量为W0时流过防雷段模型对应的雷电流幅值I1，然后利用步骤2的避雷器伏安特性曲线计算得到避雷器的最大残压值U1。
6)将步骤5得到的电压U1作为基准点，开展并联保护间隙的击穿电压试验。防雷防冰绝缘子中的并联保护间隙结构属于棒-棒结构，通过冲击电压发生器输出脉冲电压，进行闪络电压试验，测量冲击闪络电压与间隙距离的关系曲线。
所述步骤6的具体包括：由于正极性的闪络电压较低，对棒-棒间隙结构施加2.6/50μs的正极性下冲击电压，得到正极性下的闪络电压随棒-棒间隙距离变化的相关数据，拟合得到正极性冲击闪络电压与间隙距离的关系曲线：
u'＝MD+N
上式中：u'为闪络电压，D为间隙距离，M、N为拟合得到的常数。
7)优化保护间隙距离，根据雷击冲击闪络试验结果得到的正极性冲击闪络电压与间隙距离的关系曲线以及步骤5的残压值U1，计算防雷段并联保护间隙的距离。同时为了实现对避雷器的完全保护，可根据防雷需求允许并联间隙距离保留一定裕度ΔD，由此确定最终并联保护间隙的距离。

Claims (9)

1.防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取防雷防冰复合绝缘子避雷器段中氧化锌电阻片的伏安特性曲线、避雷器的冲击耐受大电流；冲击耐受大电流的幅值记为I0；
2)对电阻片伏安特性数据进行函数拟合，得到氧化锌电阻片电压与电流的函数关系。
3)计算避雷器的通流能量w；
4)根据氧化锌电阻片电压与电流的函数关系，确定电阻片在冲击耐受大电流下的最大吸收能量W0；
5)建立无避雷线输电线路的电磁暂态模型以及防雷防冰绝缘子的仿真模型；
6)将雷电流注入到的仿真模型中，改变雷电流幅值，得到避雷器在通流能量为W0时流过防雷段的雷电流幅值为I1；
7)根据氧化锌电阻片的伏安特性曲线，确定雷电流幅值I1对应的避雷器最大残压值U1；
8)以残压值U1为基准点，进行并联保护间隙的击穿电压试验，得到闪络电压与间隙距离的关系，进而得到并联保护间隙距离。
2.根据权利要求1所述的防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法，其特征在于：所述电流为4/10μs冲击耐受大电流。
3.根据权利要求1所述的防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法，其特征在于：避雷器的最大能量耐受能力w如下所示：
w＝∫uidt (1)
式中，u、i分别表示避雷器残压和电流；t为时间。
4.根据权利要求1所述的防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法，其特征在于：获取避雷器伏安特性数据的步骤包括：
1)将冲击电流单独作用于避雷器上，测量电阻片在当前电流下的残压；
2)改变冲击电流幅值，并返回步骤1)，直至测量得到电阻片在不同冲击电流下的残压，并根据冲击电流幅值和残压建立伏安特性曲线。
5.根据权利要求1所述的防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法，其特征在于：电阻片电压与电流的函数关系如下所示：
u＝Cia (2)
式中，C、a为函数拟合得到的常数；
其中，幅值为I0的4/10μs冲击大电流i是关于时间t的函数，即：
Figure FDA0003437109840000021
式中，a、b、c、d为函数拟合得到的常数；常数b＝I0/4，u为避雷器残压；I0为电流幅值。
6.根据权利要求1所述的防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法，其特征在于，并联保护间隙的击穿电压试验的方法包括：冲击电压发生器向防雷防冰绝缘子中的并联保护间隙结构器输出脉冲电压，进行闪络电压试验，测量冲击闪络电压与间隙距离的关系曲线。
7.根据权利要求1所述的防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法，其特征在于，闪络电压与间隙距离的关系如下所示：
u'＝MD+N (4)
式中，u'为闪络电压，D为间隙距离，M、N为拟合得到的常数。
8.根据权利要求1所述的防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法，其特征在于，所述并联保护间隙距离增加了裕度ΔD。
9.根据权利要求1所述的防雷防冰绝缘子并联保护间隙优化方法，其特征在于，建立无避雷线输电线路的电磁暂态模型以及防雷防冰绝缘子的仿真模型的工具包括ATP仿真软件。
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