CN115061015A - 用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及先导发展模型实验技术领域，具体地说，涉及用于输电线路上行先导发展模型的速度‑电流曲线实验方法。包括如下步骤：布置间隙实验结构；在棒电极端施加冲击电压；测量棒电极处放电的电流波形；拍摄先导放电的路径；通过两张相邻图片中先导头部的位置计算先导发展的速度；提取一次放电中的多组速度‑电流点对；大量实验获得足够数据点，对实验结果进行拟合，从而获得更大电流范围的速度‑电流曲线。本发明设计通过冲击电压发生器施加正极性标准雷电冲击电压，采用大量的数据点对实验结果进行拟合，可以获取比现有速度‑电流曲线最大电流极范围提高几个数量级的拟合曲线，扩展其适用范围，满足自然雷电下上行先导仿真模型的参数需要。
Description
技术领域
本发明涉及先导发展模型实验技术领域，具体地说，涉及用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法。
背景技术
雷击输电线路过程中，随着雷云处下行先导的发展，导地线或杆塔顶端因电场逐渐增强而产生先导向上发展，简称上行先导。在数值模拟雷击输电线路时，先导发展模型因其考虑雷电物理过程而逐渐被广泛应用。先导发展模型中，先导速度属于最主要参数之一，直接影响模型的准确性。直接计算先导速度涉及等离子体微观物理过程，难度极大，因此，现有模型不直接计算先导速度，而是基于实验室放电获得的先导速度-电流关系曲线，通过先导电流反推获得先导速度。然而，现有先导速度-电流关系曲线多基于正极性操作冲击电压下长间隙放电试验获得，最大电流不超过10A；而自然雷电的上行先导电流最大可达数百A。目前的做法是将现有曲线拟合并外推至更大电流，外推是否合理一直存疑，更大电流范围的先导速度-电流关系曲线的实验结果显得至关重要。鉴于此，我们提出了用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法。
发明内容
本发明的目的在于提供用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法，包括如下步骤：
S1、选定空旷的实验场地，采用间隙结构，在大地上布置由冲击电压发生器、高压引线、棒电极、先导电流测量元件、先导和先导图像采集装置组成的实验布置结构；
S2、通过冲击电压发生器在棒电极端施加波头时间小于或等于20μs、波尾时间小于或等于200μs的冲击电压；
S3、通过先导电流测量元件测量棒电极处放电的电流波形；
S4、通过先导图像采集装置拍摄先导放电的路径；
S5、通过两张拍摄时间相邻的光学图片中先导头部的位置，计算获得先导在拍摄间隔时间内的伸长量，再计算先导发展的速度，该速度对应的电流为相应时间段内电流的数值平均值；
S6、采用相同方法，重复进行步骤S5的操作，从而提取出一次放电中的多组速度-电流点对；
S7、重复进行步骤S2～步骤S6，开展大量的实验获得足够的数据点，再通过对实验结果进行拟合，从而获得更大电流范围的速度-电流曲线。
作为本技术方案的进一步改进，所述S5中，计算先导发展的速度的具体计算方法包括如下：
设相邻两张光学图片的拍摄间隙时间为Δt＝ti+1-ti且其为固定值，Δt为拍摄速度的倒数，即Δt＝1/拍摄速度；
设先导在Δt内的伸长量为ΔL＝Li+1-Li，其中，Li+1为相邻两张光学图片时间靠后一张中先导头部位置至尾部位置的直线间距长度，Li为相邻两张光学图片时间靠前一张中先导头部位置至尾部位置的直线间距长度；
则先导发展的速度为：v＝ΔL/Δt。
作为本技术方案的进一步改进，所述S7中，通过对实验结果进行拟合，从而获得更大电流范围的先导速度-电流曲线时采用的拟合函数为：
v＝k*ia；
其中，该函数为幂指数函数，式中，v为先导发展的速度，i为先导的电流，k和a为常数，通过拟合获得；
导入大量实验获取的足够数据点，通过计算获得k和a的值，进而可以通过拟合函数计算获取更大电流范围的速度-电流曲线。
作为本技术方案的进一步改进，所述S7中，为了获取足够的数据点，则开展的大量实现组数大于或等于50组。
本发明的目的之二在于，提供了用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验布置结构，该实现布置结构用于实现上述用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法的步骤，实验布置的具体结构为：
冲击电压发生器安装于大地的地面上；冲击电压发生器通过高压引线与棒电极电性连接；棒电极悬空设置在其底面端部与大地垂直距离大于或等于3m的正上方高度处；先导电流测量元件安装于棒电极；冲击电压发生器向棒电极施加冲击电压则棒电极的底面端部与大地之间产生先导电流；先导图像采集装置架设在先导的一侧面正前方处，且先导图像采集装置的拍摄视野范围大于或等于先导的放电路径范围。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中的实验场地可以但不限于为高海拔地区和平原地区。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中的间隙结构可以但不限于为棒-板结构和棒-棒结构；其中，棒-板间隙结构或棒-棒间隙结构的间隙距离均大于或等于3m。
作为本技术方案的进一步改进，所述S2中的冲击电压发生器在棒电极端施加的冲击电压可以但不限于为波头和波尾时间分别为1.2μs和50μs的正极性标准雷电冲击电压。
作为本技术方案的进一步改进，所述S3中的先导电流测量元件可以但不限于为采样电阻和罗氏线圈传感器；其中，当采用采样电阻测量棒电极处放电的电流波形时，采样电阻的阻值小于或等于0.1Ω。
作为本技术方案的进一步改进，所述S4中的先导图像采集装置可以但不限于为高速摄影仪、条纹相机和多幅超高速照相机；当采用高速摄影仪拍摄先导放电的路径时，拍摄速度大于或等于200000帧/秒。
本发明的目的之三在于，提供了一种实验数据分析处理系统及其运行平台装置，包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序，处理器用于执行计算机程序时实现上述的用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法的数据处理步骤。
本发明的目的之四在于，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法的数据处理步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.该用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法不同于传统做法中通过操作冲击电压的方法，通过在高海拔地区布置采用间隙结构的实验条件，通过冲击电压发生器施加模拟的正极性标准雷电冲击电压，通过大量实验获取大量的数据点，采用大量的数据点对实验结果进行拟合，从而获得更大电流范围下的先导速度-电流关系曲线；
2.该用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法中，先导电流可以高达几百至数kA，可以获取比现有速度-电流曲线最大电流极范围提高几个数量级的拟合曲线，适用于输电线路的上行先导发展模型，极大扩展先导速度-电流曲线的适用范围，真正满足自然雷电下上行先导仿真模型中先导发展速度的参数计算需要。
附图说明
图1为本发明中示例性的实验布置结构示意图；
图2为本发明中示例性的典型先导放电的先导图片示意图；
图3为本发明中示例性的典型先导放电的先导电流示意图；
图4为本发明中示例性的电子计算机平台装置结构图。
图中：
1、冲击电压发生器；2、高压引线；3、棒电极；4、先导电流测量元件；5、先导；6、先导图像采集装置；7、大地。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-图4所示，本实施例提供了用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法，包括如下步骤：
S1、选定空旷的实验场地，采用间隙结构，在大地7上布置由冲击电压发生器1、高压引线2、棒电极3、先导电流测量元件4、先导5和先导图像采集装置6组成的实验布置结构；
S2、通过冲击电压发生器1在棒电极3端施加波头时间小于或等于20μs、波尾时间小于或等于200μs的冲击电压；
S3、通过先导电流测量元件4测量棒电极3处放电的电流波形；
S4、通过先导图像采集装置6拍摄先导放电的路径；
S5、通过两张拍摄时间相邻的光学图片中先导5头部的位置，计算获得先导5在拍摄间隔时间内的伸长量，再计算先导5发展的速度，该速度对应的电流为相应时间段内电流的数值平均值；
S6、采用相同方法，重复进行步骤S5的操作，从而提取出一次放电中的多组速度-电流点对；
S7、重复进行步骤S2～步骤S6，开展大量的实验获得足够的数据点，再通过对实验结果进行拟合，从而获得更大电流范围的速度-电流曲线。
其中，本实验方法的理论基础为：先导速度-电流关系曲线与实验条件(例如电极结构、间隙距离、湿度、气压、电压波形等)无关，因此对实验场地的要求条件不高，户内和户外均可。
本实施例中，通过上述实验步骤S2～步骤S4的方法获得的典型放电图片和放电电流分别如图2和图3所示，则S5中，计算先导5发展的速度的具体计算方法包括如下：
设相邻两张光学图片的拍摄间隙时间为Δt＝ti+1-ti且其为固定值，Δt为拍摄速度的倒数，即Δt＝1/拍摄速度；
设先导5在Δt内的伸长量为ΔL＝Li+1-Li，其中，Li+1为相邻两张光学图片时间靠后一张中先导头部位置至尾部位置的直线间距长度，Li为相邻两张光学图片时间靠前一张中先导头部位置至尾部位置的直线间距长度；
则先导5发展的速度为：v＝ΔL/Δt。
本实施例中，S7中，通过对实验结果进行拟合，从而获得更大电流范围的先导速度-电流曲线时采用的拟合函数为：
v＝k*ia；
其中，该函数为幂指数函数，式中，v为先导发展的速度，i为先导的电流，k和a为常数，通过拟合获得；
导入大量实验获取的足够数据点，通过计算获得k和a的值，进而可以通过拟合函数计算获取更大电流范围的速度-电流曲线。
具体地，S7中，为了获取足够的数据点，则开展的大量实现组数大于或等于50组。
此外，在本实施例的实验条件下，先导电流可以高达几百至数kA，相较于传统的先导速度-电流曲线，可以比现有曲线最大电流范围(不大于10A)提高2～3个数量级，从而扩展先导速度-电流曲线的适用范围，满足自然雷电下上行先导仿真模型的参数需要。
如图1所示，本实施例提供了用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验布置结构，该实现布置结构用于实现上述用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法的步骤，实验布置的具体结构为：
冲击电压发生器1安装于大地7的地面上；冲击电压发生器1通过高压引线2与棒电极3电性连接；棒电极3悬空设置在其底面端部与大地7垂直距离大于或等于3m的正上方高度处；先导电流测量元件4安装于棒电极3；冲击电压发生器1向棒电极3施加冲击电压则棒电极3的底面端部与大地7之间产生先导5电流；先导图像采集装置6架设在先导5的一侧面正前方处，且先导图像采集装置6的拍摄视野范围大于或等于先导5的放电路径范围。
本实施例中，S1中的实验场地可以但不限于为高海拔地区和平原地区，本实施例中试验场地优选为高海拔地区，从而可以进一步增大电流范围。
进一步地，S1中的间隙结构可以但不限于为棒-板结构和棒-棒结构；其中，棒-板间隙结构或棒-棒间隙结构的间隙距离均大于或等于3m。
具体地，本实施例中的间隙结构优选为棒-板结构，棒-板结构中的棒体为棒电极3、板体为大地7，还可以在大地7位于棒电极3正下方的地面上铺设钢板作为板电极。
本实施例中，S2中冲击电压发生器1在棒电极3端施加的冲击电压优选为波头和波尾时间分别为1.2μs和50μs的正极性标准雷电冲击电压。
进一步地，S3中的先导电流测量元件4可以但不限于为采样电阻和罗氏线圈传感器，其中，本实施例中优选为采样电阻；当采用采样电阻测量棒电极3处放电的电流波形时，采样电阻的阻值小于或等于0.1Ω。
进一步地，S4中的先导图像采集装置6可以但不限于为高速摄影仪、条纹相机和多幅超高速照相机，其中，本实施例中优选为高速摄影仪；当采用高速摄影仪拍摄先导放电的路径时，拍摄速度大于或等于200000帧/秒。
如图4所示，本实施例还提供了一种实验数据分析处理系统及其运行平台装置，该装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序。
处理器包括一个或一个以上处理核心，处理器通过总线与存储器相连，存储器用于存储程序指令，处理器执行存储器中的程序指令时实现上述的用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法的数据处理步骤。
可选的，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随时存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法的数据处理步骤。
可选的，本发明还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法的数据处理步骤。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤的过程可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
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仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，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范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、选定空旷的实验场地，采用间隙结构，在大地(7)上布置由冲击电压发生器(1)、高压引线(2)、棒电极(3)、先导电流测量元件(4)、先导(5)和先导图像采集装置(6)组成的实验布置结构；
S2、通过冲击电压发生器(1)在棒电极(3)端施加波头时间小于或等于20μs、波尾时间小于或等于200μs的冲击电压；
S3、通过先导电流测量元件(4)测量棒电极(3)处放电的电流波形；
S4、通过先导图像采集装置(6)拍摄先导放电的路径；
S5、通过两张拍摄时间相邻的光学图片中先导(5)头部的位置，计算获得先导(5)在拍摄间隔时间内的伸长量，再计算先导(5)发展的速度，该速度对应的电流为相应时间段内电流的数值平均值；
S6、采用相同方法，重复进行步骤S5的操作，从而提取出一次放电中的多组速度-电流点对；
S7、重复进行步骤S2～步骤S6，开展大量的实验获得足够的数据点，再通过对实验结果进行拟合，从而获得更大电流范围的速度-电流曲线。
2.根据权利要求1所述的用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法，其特征在于：所述S1中，实验场地可以但不限于为高海拔地区和平原地区。
3.根据权利要求2所述的用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法，其特征在于：所述S1中，间隙结构可以但不限于为棒-板结构和棒-棒结构；其中，棒-板间隙结构或棒-棒间隙结构的间隙距离均大于或等于3m。
4.根据权利要求3所述的用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法，其特征在于：所述S1中，实验布置的具体结构为：冲击电压发生器(1)安装于大地(7)的地面上；冲击电压发生器(1)通过高压引线(2)与棒电极(3)电性连接；棒电极(3)悬空设置在其底面端部与大地(7)垂直距离大于或等于3m的正上方高度处；先导电流测量元件(4)安装于棒电极(3)；冲击电压发生器(1)向棒电极(3)施加冲击电压则棒电极(3)的底面端部与大地(7)之间产生先导(5)电流；先导图像采集装置(6)架设在先导(5)的一侧面正前方处，且先导图像采集装置(6)的拍摄视野范围大于或等于先导(5)的放电路径范围。
5.根据权利要求1所述的用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法，其特征在于：所述S2中，冲击电压发生器(1)在棒电极(3)端施加的冲击电压可以但不限于为波头和波尾时间分别为1.2μs和50μs的正极性标准雷电冲击电压。
6.根据权利要求1所述的用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法，其特征在于：所述S3中，先导电流测量元件(4)可以但不限于为采样电阻和罗氏线圈传感器；其中，当采用采样电阻测量棒电极(3)处放电的电流波形时，采样电阻的阻值小于或等于0.1Ω。
7.根据权利要求1所述的用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法，其特征在于：所述S4中，先导图像采集装置(6)可以但不限于为高速摄影仪、条纹相机和多幅超高速照相机；当采用高速摄影仪拍摄先导放电的路径时，拍摄速度大于或等于200000帧/秒。
8.根据权利要求1所述的用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法，其特征在于：所述S5中，计算先导(5)发展的速度的具体计算方法包括如下：
设相邻两张光学图片的拍摄间隙时间为Δt＝ti+1-ti且其为固定值，Δt为拍摄速度的倒数，即Δt＝1/拍摄速度；
设先导(5)在Δt内的伸长量为ΔL＝Li+1-Li，其中，Li+1为相邻两张光学图片时间靠后一张中先导头部位置至尾部位置的直线间距长度，Li为相邻两张光学图片时间靠前一张中先导头部位置至尾部位置的直线间距长度；
则先导(5)发展的速度为：v＝ΔL/Δt。
9.根据权利要求1所述的用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法，其特征在于：所述S7中，通过对实验结果进行拟合，从而获得更大电流范围的先导速度-电流曲线时采用的拟合函数为：
v＝k*ia；
其中，该函数为幂指数函数，式中，v为先导发展的速度，i为先导的电流，k和a为常数，通过拟合获得；
导入大量实验获取的足够数据点，通过计算获得k和a的值，进而可以通过拟合函数计算获取更大电流范围的速度-电流曲线。
10.根据权利要求9所述的用于输电线路上行先导发展模型的速度-电流曲线实验方法，其特征在于：所述S7中，为了获取足够的数据点，则开展的大量实现组数大于或等于50组。
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