CN203275542U - 一种输电线路雷电行波特性测试系统 - Google Patents

Abstract

一种输电线路雷电行波特性测试系统，由输电线路雷电电磁暂态动模装置和智能监测装置组成；以输电线与避雷线模型、杆塔及杆塔接地体模型和绝缘子模型为基础，将杆塔分为斜材段、横担段和主材段，同时考虑绝缘子以及输电线与避雷线因素，用对应的波阻抗、自阻抗、互阻抗、自导纳、互导纳以及电感等模拟构建雷击瞬态等效电路。后者由电流或电压传感器顺次级联A/D转换器、单片机以及显示器或示波器组成。本系统不同位置加入冲击电流，测量远端避雷线及导线的信号，可分析雷电波在整个输电线路的传播过程，根据分析结果，优化输电线路线路防雷薄弱段以及变电站设备防雷保护。

Description

一种输电线路雷电行波特性测试系统

技术领域

本实用新型涉及在雷击时电力输电线的电磁暂态过程模拟实验监测系统，特别是雷电直击杆塔塔顶或雷电绕击一根输电导线时的电磁暂态过程模拟试验系统。

背景技术

从各国电网实际运行情况来看，雷击仍然是输电线路安全可靠运行的主要危害，由雷击导致的线路跳闸占故障总数的比例不断上升。日本及瑞典一半以上的电力系统事故都是由于输电线路遭受雷击而引起的；埃及也曾因雷击输电干线而使全国停电；国际大电网会议公布的前苏联、美国等国家总长3.27万公里、275－500kV电压等级的输电线路，连续3年运行中，雷害事故达到总事故的60％。输电线路作为电网中最容易遭受雷击的部分，研究输电线路雷电电磁暂态过程，对保证电网安全运行具有十分重要的意义。

目前未见有输电线路雷击电磁暂态仿真实验监测系统的出现。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种输电线路雷电行波特性测试系统（或称实验平台），以在系统不同位置输入雷电冲击波电流，测量远端避雷线及导线的信号，从而准确分析雷电波在整个输电线路的传播过程，并根据测量所得波形直观识别输电线路直击或绕击闪络的模式。

本实用新型的目的是这样实现的：一种输电线路雷电行波特性测试系统，其特征是，由输电线路雷电电磁暂态动模装置和智能监测装置组成；

上述输电线路雷电电磁暂态动模装置构成为：杆塔斜材段波阻抗Z_t1另一端接于杆塔斜材段阻尼电阻R₁一端以及杆塔斜材段阻尼电感L₁一端，杆塔斜材段阻尼电阻R₁另一端以及杆塔斜材段阻尼电感L₁另一端同时接于杆塔横担段波阻抗Z_t2一端，杆塔横担段波阻抗Z_t2另一端接于杆塔横担段阻尼电阻R₂一端以及杆塔横担段阻尼电感L₂一端，杆塔横担段阻尼电阻R₂另一端以及杆塔横担段阻尼电感L₂另一端同时串接杆塔主体段波阻抗Z_t3后接于杆塔主体段阻尼电阻R₃一端以及杆塔主体段阻尼电感L₃一端，杆塔主体段阻尼电阻R₃另一端以及杆塔主体段阻尼电感L₃另一端同时串接接地体电阻R_f后接地；杆塔斜材段波阻抗Z_t1一端顺次串接第一电流互感器T₁的第一线圈、第一避雷线的自阻抗Z₁₁、第一避雷线与第二避雷线之间的互阻抗Z₁₂、第一避雷线与a相输电导线之间的互阻抗Z_1a、第一避雷线与b相输电导线之间的互阻抗Z_1b以及第一避雷线与c相输电导线之间的互阻抗Z_1c后作为第一引出端，杆塔斜材段波阻抗Z_t1一端顺次串接第一电流互感器T₁的第二线圈、第二避雷线的自阻抗Z₂₂以及第三电流互感器T₃的第二线圈后作为第二引出端，第三电流互感器T₃的第一线圈和第一避雷线与第二避雷线之间的互阻抗Z₁₂并联；第一电流互感器T₁的第三线圈以及第二电流互感器T₂的第一线圈均与第一、第二避雷线、a相、b相、c相输电导线之间互阻抗的最小值Z_mmin并联；杆塔横担段波阻抗Z_t2一端顺次串接第一绝缘子YZ1、第二电流互感器T₂的第二线圈、a相输电导线的自阻抗Z_aa以及第四电流互感器T₄的第二线圈后作为第三引出端，第四电流互感器T₄的第一线圈和第一避雷线与a相输电导线之间的互阻抗Z_1a并联；杆塔横担段波阻抗Z_t2一端顺次串接第二绝缘子YZ2和第二电流互感器T₂的第三线圈后接于b相输电导线的自阻抗Z_bb一端，自阻抗Z_bb另一端串接第五电流互感器T₅的第二线圈后作为第四引出端，第五电流互感器T₅的第一线圈和第一避雷线与b相输电导线之间的互阻抗Z_1b并联；杆塔横担段波阻抗Z_t2一端顺次串接第三绝缘子YZ3和第二电流互感器T₂的第四线圈后接于c相输电导线的自阻抗Z_cc一端，自阻抗Z_cc另一端串接第六电流互感器T₆的第二线圈后作为第五引出端，第六电流互感器T₆的第一线圈和第一避雷线与c相输电导线之间的互阻抗Z_1c并联；b相输电导线与c相输电导线之间的互导纳Y_bc连接在b相输电导线的自阻抗Z_bb另一端以及c相输电导线的自阻抗Z_cc另一端之间；c相输电导线的对地导纳Y_co连接在c相输电导线的自阻抗Z_cc另一端与地之间；

智能监测装置由电流传感器和/或电压传感器顺次级联A/D转换器、单片机电路以及显示器或示波器组成；电流传感器和/或电压传感器接受来自上述输电线路雷电电磁暂态动模装置的第一～第五引出端的信号。

所述A/D转换器为12bit～16bit多通道A/D转换器。

还具有冲击波电流源，冲击波电流源从杆塔斜材段波阻抗Z_t1一端引入，或者从第三绝缘子YZ3与第二电流互感器T₂的第四线圈的结点处引入。

所述第一、第二、第三绝缘子采用模拟绝缘子的空气放电间隙。

所述第一～第六电流互感器T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆采用变比为1:1的电流互感器，上述电流互感器的铁芯均采用锰锌铁氧体。

所述参数表达如下式：

$Z_{\mathrm{ii}}=(R_{\mathrm{ii}}+\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{ii}})+j(2\mathrm{\ω}\×{10}^{-4}\ln \frac{2h_i}{{\mathrm{GMR}}_i}+\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{ii}})$

$Z_{m\min }=\min \left(Z_{\mathrm{ik}}\right)=\min \left(Z_{\mathrm{ki}}\right)=\min [\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{ik}}+j(2\mathrm{\ω}\×{10}^{-4}\ln \frac{D_{\mathrm{ik}}}{d_{\mathrm{ik}}}+\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{ik}})]$

$Z_{\mathrm{ik}}=Z_{\mathrm{ki}}=\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{ik}}+j(2\mathrm{\ω}\×{10}^{-4}\ln \frac{D_{\mathrm{ik}}}{d_{\mathrm{ik}}}+\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{ik}})-Z_{m\min }$

$Y_{\mathrm{co}}=\mathrm{j\ω}\frac{1}{18\×{10}^6\ln \frac{2h_c}{r_c}}$

$Y_{\mathrm{bc}}=\mathrm{j\ω}\frac{1}{18\×{10}^6}\ln \frac{D_{\mathrm{bc}}}{d_{\mathrm{bc}}}$

式中，j—为复数虚部符号；

r_i—线路i的半径，i为a,b,c,1,2；

R_ii—线路i的交流电阻，i为a,b,c,1,2；

h_i—线路i对地的平均悬挂高度，i为a,b,c,1,2；

D_ik—线路i与线路k镜像之间的距离，i,k为a,b,c,1,2，且i≠k；

d_ik—线路i与线路k之间的距离，i,k为a,b,c,1,2，且i≠k；

GMR_i—线路i的几何均距，i为a,b,c,1,2；

ω=2πf—频率为f时的角频率，单位为rad/s；

ΔR_ii，ΔR_ik，ΔX_ii，ΔX_ik—计及大地影响的卡送修正项，i,k为a,b,c,1,2；

Z_ii—线路i的自阻抗，i为a,b,c,1,2；

Z_mmin—各线路互阻抗的最小值；

Z_ik,Z_ki—线路i与线路k之间的互阻抗与Z_mmin的差值，i,k为a,b,c,1,2；

$Z_{\mathrm{ti}}=60[\ln \frac{2\sqrt{2}{H}_i}{2^{1/8}{\left(r_{\mathrm{ti}}^{1/3}{r}_B^{2/3}\right)}^{1/4}{\left(R_{\mathrm{ti}}^{1/3}{R}_B^{2/3}\right)}^{3/4}}-2]r_{\mathrm{ti}}{R}_{\mathrm{ti}},$ i=1,2或3;

$R_i=-2Z_{\mathrm{ti}}[H_i/(H_1+H_2+H_3)]\ln \sqrt{\mathrm{\γ}},$ i=1,2或3;

L_i=αR_i2H_i/υ_t；

H_i每段杆塔高度，i为1,2,3；

R_ti杆塔主支架半径，i为1,2,3；

r_ti杆塔支架半径，i为1,2,3；

Z_ti每段杆塔波阻抗，i为1,2,3；

r_B,R_B—上下塔基部分的半径；

R_i每段杆塔的阻尼电阻，i为1,2,3；

L_i每段杆塔的阻尼电感，i为1,2,3；

α为阻尼系数；

υ_t为光速；

γ为衰减系数。

本实验系统具有以下特点和优点：

1、在模型台不同位置加入冲击电流，测量远端避雷线及导线的信号，可分析雷电波在整个输电线路的传播过程，根据分析结果，优化输电线路线路防雷薄弱段以及变电站设备防雷保护。根据测量所得波形进行特性量分析，可提出输电线路直击与绕击闪络的模式识别方法。

2、动模试验台电路板参数可调，可在动模实验台上得到有效的差异化防雷措施，对并联间隙等疏导型防雷装置进行实验分析。

雷击杆塔反击的主要影响因素：避雷线分流，杆塔高度，杆塔接地电阻，导线工作电压；雷电绕击导线的主要影响因素：避雷线保护角，杆塔线路所处地形，导线工作电压，杆塔高度。在动模实验台对模型元件参数在可调范围内调节来改变雷害影响因素，通过反复的调节得到差异化防雷的最优模型。在动模实验台对并联间隙等疏导型防雷装置的配置方式的最优研究，降低雷击跳闸率

改进防雷保护措施和绝缘配合水平，是实现大幅度提高互联电网运行可靠性目标的重要保证。

3、动模实验台可对输电线路沿线雷电流及雷电过电压数据采集提供物理试验台。

雷电的参数特性对探讨电力系统绝缘配合，防雷对策，提高防雷设施性能，评价防雷设施对各种设备及变电站、发电厂和建筑物的保护范围以及分析雷害事故，区分事故责任，都有十分重要的意义。目前发电厂和变电站对于雷电流的监测大多使用录波器和避雷器，但避雷器只能记录雷电发生的次数，不能记录雷电流的极性和幅值等信息，不能为雷电防护提供准确的信息；雷电流发生时幅值和频率都比较高，变电站内的录波器由于受自身采样频率的限制，不能够准确记录雷电流波形，且雷电流波形进入变电站之前，波形会发生畸变，因此所测到的波形并非真实的雷电流波形，不能准确反映雷电真实参数特性。因此对雷电参数的研究很有必要。

由于雷电的随机性，在实际线路上直接对雷电参数采集实验，由于雷电的随机性，将会面临采集周期长，每次线路实验中都线路必须停电，并且雷电频发的输电线路大多处在山区，反复调整监测装置会很不方便。通过在输电线路雷电电磁暂态动模实验台雷电参数的采集实验，可验证雷电监测装置的有效性与稳定性，并确定雷电监测装置安装位置及安装距离。

附图说明

图1是第一、第二避雷线以及a相、b相、c相输电导线的自阻抗和互阻抗的电路图。

图2是第一避雷线的对地导纳及与a、b、c相输电导线之间的互导纳的电路图。

图3是雷电直击塔顶时一个间隔输电线路（两杆塔之间）模型的电路单元的结构图。

图4是雷电绕击一相导线时一个间隔输电线路模型的电路单元的结构图。

图5是杆塔波阻抗模拟框图。

图6、图7、图8、图9分别是模拟杆塔的平行多导体系统的对应参数示意图。

图10是杆塔及杆塔接地体的模型图。

图11是本系统硬件结构框图。

具体实施方式

A/D转换器和单片机处理器可采用HR6100测试仪。测试仪数据采集部分采用并行采集技术，采集速率高达20Msps每通道。特别适合高速动态数据测量分析。HR6100测试系统内置大容量存储器，含有多种触发模式，保证精确捕获符合条件的数据，特别是捕获冲击电流发生前后发生的状态数据。负延时长度可以设置，最长可以长达512K字长。采用12bit～16bitAD转换器保证足够的幅值精度。采集部分技术指标：数据采集采用高速、并行采集、采集通道数为多通道；每通道最高采样率为20Msps；采集具有手动及内触发方式；每通道的数据存储长度为512k数据字。

动模型实验台（即实验系统）结构：

1、输电线与避雷线模型；

2、杆塔及杆塔接地体模型；

3、绝缘子模型。

输电线与避雷线模型：

本实用新型线路π型等值模型选段长度为L=λ/10，其中λ为作用于线路上雷电暂态电流傅里叶变换后频谱最大频率分量，线路周围介质中电磁波的波长。因此，分段线路元件相对于雷电波满足静态场假设。

本实用新型提供了精确的雷击输电线路及杆塔时，雷电通道的物理模型的搭建方法。与传统的输电线路模型不同，此模型台加入了地线的物理模型，精确考虑到地线与输电线的电磁耦合。用多段等值π型等值电路模拟地线与输电线的自阻抗与互阻抗（图1），自导纳与互导纳（图2），直接用互感器模拟线路的互阻抗，并在各段杆塔地线上安装了电流，电压监测装置，首次提出在地线与输电线上同时采集雷电波数据。相比于只在输电线上采集的雷电波数据，能双通道综合分析能有效排除干扰，以及对雷击故障模式（反击和绕击）有直观的识别等优势。

图1中为各线路自阻抗，其余为线路间互阻抗。图2中各线路端点处自导纳，其余为线路间的互导纳。

图1系统总阻抗Z为：

$Z=\left[\begin{array}{ccccc}{Z}_{11}& Z_{12}& Z_{1a}& Z_{1b}& Z_{1c}\\ Z_{21}& Z_{22}& Z_{2a}& Z_{2b}& Z_{2c}\\ Z_{a1}& Z_{a2}& Z_{\mathrm{aa}}& Z_{\mathrm{ab}}& Z_{\mathrm{ac}}\\ Z_{b1}& Z_{b2}& Z_{\mathrm{ba}}& Z_{\mathrm{bb}}& Z_{\mathrm{bc}}\\ Z_{c1}& Z_{c2}& Z_{\mathrm{ca}}& Z_{\mathrm{cb}}& Z_{\mathrm{cc}}\end{array}\right]$

图2系统杆塔对地线总导纳Y_shunt/2为：

$\frac{Y_{\mathrm{shunt}}}{2}=\left[\begin{array}{ccccc}{Y}_{10}/2& Y_{12}/2& Y_{1a}/2& Y_{1b}/2& Y_{1c}/2\\ Y_{12}/2& Y_{20}/2& Y_{a2}/2& Y_{b2}/2& Y_{c2}/2\\ Y_{1a}/2& Y_{2a}/2& Y_{\mathrm{aa}}/2& Y_{\mathrm{ba}}/2& Y_{\mathrm{ca}}/2\\ Y_{1b}/2& Y_{2b}/2& Y_{\mathrm{ab}}/2& Y_{\mathrm{bb}}/2& Y_{\mathrm{cb}}/2\\ Y_{1c}/2& Y_{2c}/2& Y_{\mathrm{ac}}/2& Y_{\mathrm{bc}}/2& Y_{\mathrm{cc}}/2\end{array}\right]$

其中Z₁₁,Z₂₂,Z_aa,Z_bb,Z_cc为各线路自阻抗，其余为线路间互阻抗。Y₁₀/2,Y₂₀/2,Y_ao/2,Y_bo/2,Y_co/2为各线路端点处自导纳，其余为线路间的互导纳。

其分量模型如下式：

$\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\\ I_4\\ I_a\\ I_b\\ I_c\\ I_d\\ I_e\\ I_f\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}Y+\frac{1}{2}{Y}_{\mathrm{shunt}}& -Y\\ -Y& Y+\frac{1}{2}{Y}_{\mathrm{shunt}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ U_2\\ U_3\\ U_4\\ U_a\\ U_b\\ U_c\\ U_d\\ U_e\\ U_f\end{array}\right]$

其中Y=Z^-1。

图3、图4中，T₁，T₂，T₃，T₄，T₅，T₆为变比为1:1的电流互感器，其中T₁铁芯上绕了三个绕组，T₂铁芯上绕上四个绕组。电流互感器的铁芯采用锰锌铁氧体，锰锌铁氧体的最高使用频率为3MHz，R_f为杆塔接地体冲击电阻。

图3、图4示出一种输电线路雷电行波特性测试系统，杆塔斜材段波阻抗Z_t1另一端接于杆塔斜材段阻尼电阻R₁一端以及杆塔斜材段阻尼电感L₁一端，杆塔斜材段阻尼电阻R₁另一端以及杆塔斜材段阻尼电感L₁另一端同时接于杆塔横担段波阻抗Z_t2一端，杆塔横担段波阻抗Z_t2另一端接于杆塔横担段阻尼电阻R₂一端以及杆塔横担段阻尼电感L₂一端，杆塔横担段阻尼电阻R₂另一端以及杆塔横担段阻尼电感L₂另一端同时串接杆塔主体段波阻抗Z_t3后接于杆塔主体段阻尼电阻R₃一端以及杆塔主体段阻尼电感L₃一端，杆塔主体段阻尼电阻R₃另一端以及杆塔主体段阻尼电感L₃另一端同时串接接地体电阻R_f后接地；杆塔斜材段波阻抗Z_t1一端顺次串接第一电流互感器T₁的第一线圈、第一避雷线的自阻抗Z₁₁、第一避雷线与第二避雷线之间的互阻抗Z₁₂、第一避雷线与a相输电导线之间的互阻抗Z_1a、第一避雷线与b相输电导线之间的互阻抗Z_1b以及第一避雷线与c相输电导线之间的互阻抗Z_1c后作为第一引出端，杆塔斜材段波阻抗Z_t1一端顺次串接第一电流互感器T₁的第二线圈、第二避雷线的自阻抗Z₂₂以及第三电流互感器T₃的第二线圈后作为第二引出端，第三电流互感器T₃的第一线圈和第一避雷线与第二避雷线之间的互阻抗Z₁₂并联；第一电流互感器T₁的第三线圈以及第二电流互感器T₂的第一线圈均与第一、第二避雷线、a相、b相、c相输电导线之间互阻抗的最小值Z_mmin并联；杆塔横担段波阻抗Z_t2一端顺次串接第一绝缘子YZ1、第二电流互感器T₂的第二线圈、a相输电导线的自阻抗Z_aa以及第四电流互感器T₄的第二线圈后作为第三引出端，第四电流互感器T₄的第一线圈和第一避雷线与a相输电导线之间的互阻抗Z_1a并联；杆塔横担段波阻抗Z_t2一端顺次串接第二绝缘子YZ2和第二电流互感器T₂的第三线圈后接于b相输电导线的自阻抗Z_bb一端，自阻抗Z_bb另一端串接第五电流互感器T₅的第二线圈后作为第四引出端，第五电流互感器T₅的第一线圈和第一避雷线与b相输电导线之间的互阻抗Z_1b并联；杆塔横担段波阻抗Z_t2一端顺次串接第三绝缘子YZ3和第二电流互感器T₂的第四线圈后接于c相输电导线的自阻抗Z_cc一端，自阻抗Z_cc另一端串接第六电流互感器T₆的第二线圈后作为第五引出端，第六电流互感器T₆的第一线圈和第一避雷线与c相输电导线之间的互阻抗Z_1c并联；b相输电导线与c相输电导线之间的互导纳Y_bc连接在b相输电导线的自阻抗Z_bb另一端以及c相输电导线的自阻抗Z_cc另一端之间；c相输电导线的对地导纳Y_co连接在c相输电导线的自阻抗Z_cc另一端与地之间。

还具有冲击波电流源，冲击波电流源从杆塔斜材段波阻抗Z_t1一端引入，或者从第三绝缘子YZ3与第二电流互感器T₂的第四线圈的结点处引入。第一、第二、第三绝缘子采用模拟绝缘子的空气放电间隙，或采用模拟等效绝缘子。参数表达如下式：

$Z_{\mathrm{ii}}=(R_{\mathrm{ii}}+\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{ii}})+j(2\mathrm{\ω}\×{10}^{-4}\ln \frac{2h_i}{{\mathrm{GMR}}_i}+\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{ii}})$

$Z_{m\min }=\min \left(Z_{\mathrm{ik}}\right)=\min \left(Z_{\mathrm{ki}}\right)=\min [\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{ik}}+j(2\mathrm{\ω}\×{10}^{-4}\ln \frac{D_{\mathrm{ik}}}{d_{\mathrm{ik}}}+\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{ik}})]$

$Z_{\mathrm{ik}}=Z_{\mathrm{ki}}=\mathrm{\Δ}R+j(2\mathrm{\ω}\×{10}^{-4}\ln \frac{D_{\mathrm{ik}}}{d_{\mathrm{ik}}}+\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{ik}})-Z_{m\min }$

$Y_{\mathrm{co}}=\mathrm{j\ω}\frac{1}{18\×{10}^6\ln \frac{2h_c}{r_c}},$ 一般地， $Y_{\mathrm{io}}=\mathrm{j\ω}\frac{1}{18\×{10}^6\ln \frac{2h_i}{r_i}}$ （i为a,b,c,1,2）

$Y_{\mathrm{bc}}=\mathrm{j\ω}\frac{1}{18\×{10}^6}\ln \frac{D_{\mathrm{bc}}}{d_{\mathrm{bc}}},$ 一般地， $Y_{\mathrm{ik}}=\mathrm{j\ω}\frac{1}{18\×{10}^6}\ln \frac{D_{\mathrm{ik}}}{d_{\mathrm{ik}}}$ （i为a,b,c,1,2）

式中，r_i—线路i的半径，i为a,b,c,1,2；

R_ii—线路i的交流电阻，i为a,b,c,1,2；

h_i—线路i对地的平均悬挂高度，i为a,b,c,1,2；

D_ik—线路i与线路k镜像之间的距离，i,k为a,b,c,1,2，且i≠k；

d_ik—线路i与线路k之间的距离，i,k为a,b,c,1,2，且i≠k；

GMR_i—线路i的几何均距，i为a,b,c,1,2；

ω=2πf—频率为f时的角频率，单位为rad/s；

ΔR_ii，ΔR_ik，ΔX_ii，ΔX_ik—计及大地影响的卡送修正项，i,k为a,b,c,1,2；

Z_ii—线路i的自阻抗，i为a,b,c,1,2；

Z_mmin—各线路互阻抗的最小值；

Z_ik,Z_ki—线路i与线路k之间的互阻抗与Z_mmin的差值，i,k为a,b,c,1,2； $Z_{\mathrm{ti}}=60[\ln \frac{2\sqrt{2}{H}_i}{2^{1/8}{\left(r_{\mathrm{ti}}^{1/3}{r}_B^{2/3}\right)}^{1/4}{\left(R_{\mathrm{ti}}^{1/3}{R}_B^{2/3}\right)}^{3/4}}-2]r_{\mathrm{ti}}{R}_{\mathrm{ti}},$ i=1,2或3；

$R_i=-2Z_{\mathrm{ti}}[H_i/(H_1+H_2+H_3)]\ln \sqrt{\mathrm{\γ}},$ i=1,2或3；

L_i=αR_i2H_i/υ_t；

H_i每段杆塔高度，i为1,2,3；

R_ti杆塔主支架半径，i为1,2,3；

r_ti杆塔支架半径，i为1,2,3；

Z_ti每段杆塔波阻抗，i为1,2,3；

r_B,R_B—上下塔基部分的半径；

R_i每段杆塔的阻尼电阻，i为1,2,3；

L_i每段杆塔的阻尼电感，i为1,2,3；

α为阻尼系数；

υ_t为光速；

γ为衰减系数。

图3、图4所示本线路模型不从线路正序、负序、零序阻抗入手，而是按实际情况分别模拟各线路之间的互感，当各线路之间的互感完全被模拟时，其对外的特性（正序、负序和零序阻抗）也就与实际线路一致了。模型能完全模拟各相间的互感，可以全面地反映输电线路的电气量特征，导线与避雷线的电感参数采用阻抗元件模拟，模型的实现和参数调整方便。

通过在杆塔地线支架和绝缘子串支路安装雷电流传感器。可区分线路的雷击点，当线路发生绕击事故时，对应绝缘子串支路的传感器测到的雷电流幅值比杆塔地线支架上传感器记录的信号大得多；当发生反击事故时，除绝缘子串闪络相有信号记录外，杆塔地线支架传感器也有对应的记录波形。

通过对沿线的地线与输电线路杆塔位置处电压波形的监测，当发生雷击事故，可利用监测到的雷电过电压波形，利用时差定位及雷电通道衰减特性进行反推，确定事故点雷电过电压波形。

杆塔及杆塔接地体模型（参见图5图10）：

超特高压输电线路杆塔高度较高，杆塔各处宽度均有较大的差别，对于雷电流在塔身上的传播有着较大的影响，对雷电流在杆塔上传播过程的准确模拟，依赖于杆塔波阻抗模拟的精度。

规程法中的集中电感和单一波阻抗不适用于高度较高、结构复杂的杆塔。

采用平行多导体系统（参见图6-图9）和不平行多导体系统下多波阻抗模型，可准确模拟杆塔上雷电流的传播过程。

在防雷计算中，雷电冲击波作用下塔顶呈现的电位与塔顶注入的冲击电流的比值，即杆塔的冲击响应波阻抗，它直接影响到塔顶电位的计算结果。我国现行规程的防雷计算方法采用的集中电感来模拟线路杆塔，就忽略了杆塔对地电容的影响，由此得出的结果误差较大，并且计算时杆塔的冲击接地电阻影响被夸大，精度不高。实际上，雷电波沿杆塔传播时，不同高度杆塔部分的单位长度的电感和电容都不相同，这就使得沿杆塔分布的波阻抗是变化的，在实际的工程计算中，杆塔的计算时采用多波阻抗模型，将杆塔分成几部分模拟，计算结果比集中电感更符合实际。

根据杆塔接地体的散流作用和集肤效应，分析冲击散流过程中土壤参数时变特性随空间电场分布变化规律；

杆塔接地体的冲击阻抗受流过冲击电流的幅值及频率影响，表现出较强的非线性特性。

$I_g=\frac{E_0\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\π}{R}_0^2}$ $R_T=\frac{R_0}{\sqrt{1+I/I_g}}.$

绝缘子模型：

新型防雷并联间隙的绝缘子模型——具有灭弧能力的并联间隙

通过调节绝缘子串长度，并联间隙的大小和灭弧装置的结构，改变闪络电压，及建弧率，对雷击跳闸率进行分析研究，模拟真实线路上的绝缘子特性，得到并联间隙等疏导型防雷装置的配置方式。

Claims (6)

1.一种输电线路雷电行波特性测试系统，其特征是，由输电线路雷电电磁暂态动模装置和智能监测装置组成；

上述输电线路雷电电磁暂态动模装置构成为：杆塔斜材段波阻抗Z_t1另一端接于杆塔斜材段阻尼电阻R₁一端以及杆塔斜材段阻尼电感L₁一端，杆塔斜材段阻尼电阻R₁另一端以及杆塔斜材段阻尼电感L₁另一端同时接于杆塔横担段波阻抗Z_t2一端，杆塔横担段波阻抗Z_t2另一端接于杆塔横担段阻尼电阻R₂一端以及杆塔横担段阻尼电感L₂一端，杆塔横担段阻尼电阻R₂另一端以及杆塔横担段阻尼电感L₂另一端同时串接杆塔主体段波阻抗Z_t3后接于杆塔主体段阻尼电阻R₃一端以及杆塔主体段阻尼电感L₃一端，杆塔主体段阻尼电阻R₃另一端以及杆塔主体段阻尼电感L₃另一端同时串接接地体电阻R_f后接地；杆塔斜材段波阻抗Zt1一端顺次串接第一电流互感器T₁的第一线圈、第一避雷线的自阻抗Z₁₁、第一避雷线与第二避雷线之间的互阻抗Z₁₂、第一避雷线与a相输电导线之间的互阻抗Z_1a、第一避雷线与b相输电导线之间的互阻抗Z_1b以及第一避雷线与c相输电导线之间的互阻抗Z_1c后作为第一引出端，杆塔斜材段波阻抗Z_t1一端顺次串接第一电流互感器T₁的第二线圈、第二避雷线的自阻抗Z₂₂以及第三电流互感器T₃的第二线圈后作为第二引出端，第三电流互感器T₃的第一线圈和第一避雷线与第二避雷线之间的互阻抗Z₁₂并联；第一电流互感器T₁的第三线圈以及第二电流互感器T₂的第一线圈均与第一、第二避雷线、a相、b相、c相输电导线之间互阻抗的最小值Z_mmin并联；杆塔横担段波阻抗Z_t2一端顺次串接第一绝缘子YZ1、第二电流互感器T₂的第二线圈、a相输电导线的自阻抗Z_aa以及第四电流互感器T₄的第二线圈后作为第三引出端，第四电流互感器T₄的第一线圈和第一避雷线与a相输电导线之间的互阻抗Z_1a并联；杆塔横担段波阻抗Z_t2一端顺次串接第二绝缘子YZ2和第二电流互感器T₂的第三线圈后接于b相输电导线的自阻抗Z_bb一端，自阻抗Z_bb另一端串接第五电流互感器T₅的第二线圈后作为第四引出端，第五电流互感器T₅的第一线圈和第一避雷线与b相输电导线之间的互阻抗Z_1b并联；杆塔横担段波阻抗Z_t2一端顺次串接第三绝缘子YZ3和第二电流互感器T₂的第四线圈后接于c相输电导线的自阻抗Z_cc一端，自阻抗Z_cc另一端串接第六电流互感器T₆的第二线圈后作为第五引出端，第六电流互感器T₆的第一线圈和第一避雷线与c相输电导线之间的互阻抗Z_1c并联；b相输电导线与c相输电导线之间的互导纳Y_bc连接在b相输电导线的自阻抗Z_bb另一端以及c相输电导线的自阻抗Z_cc另一端之间；c相输电导线的对地导纳Y_co连接在c相输电导线的自阻抗Z_cc另一端与地之间；

智能监测装置由电流传感器和/或电压传感器顺次级联A/D转换器、单片机电路以及显示器或示波器组成；电流传感器和/或电压传感器接受来自上述输电线路雷电电磁暂态动模装置的第一～第五引出端的信号。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路雷电行波特性测试系统，其特征是，所述A/D转换器为12bit～16bit多通道A/D转换器。

3.根据权利要求1所述的一种输电线路雷电行波特性测试系统，其特征是，还具有冲击波电流源，冲击波电流源从杆塔斜材段波阻抗Z_t1一端引入，或者从第三绝缘子YZ3与第二电流互感器T₂的第四线圈的结点处引入。

4.根据权利要求3所述的一种输电线路雷电行波特性测试系统，其特征是，所述第一、第二、第三绝缘子采用模拟绝缘子的空气放电间隙。

5.根据权利要求4所述的一种输电线路雷电行波特性测试系统，其特征是，所述第一～第六电流互感器T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆采用变比为1:1的电流互感器，上述电流互感器的铁芯均采用锰锌铁氧体。

6.根据权利要求5所述的一种输电线路雷电行波特性测试系统，其特征是，所述参数表达如下式：

$Z_{\mathrm{ii}}=(R_{\mathrm{ii}}+\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{ii}})+j(2\mathrm{\ω}\×{10}^{-4}\ln \frac{2h_i}{{\mathrm{GMR}}_i}+\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{ii}})$

$Z_{m\min }=\min \left(Z_{\mathrm{ik}}\right)=\min \left(Z_{\mathrm{ki}}\right)=\min [\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{ik}}+j(2\mathrm{\ω}\×{10}^{-4}\ln \frac{D_{\mathrm{ik}}}{d_{\mathrm{ik}}}+\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{ik}})]$

$Z_{\mathrm{ik}}=Z_{\mathrm{ki}}=\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{ik}}+j(2\mathrm{\ω}\×{10}^{-4}\ln \frac{D_{\mathrm{ik}}}{d_{\mathrm{ik}}}+\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{ik}})-Z_{m\min }$

$Y_{\mathrm{co}}=\mathrm{j\ω}\frac{1}{18\×{10}^6\ln \frac{2h_c}{r_c}}$

$Y_{\mathrm{bc}}=\mathrm{j\ω}\frac{1}{18\×{10}^6}\ln \frac{D_{\mathrm{bc}}}{d_{\mathrm{bc}}}$

式中，j—为复数虚部符号；

r_i—线路i的半径，i为a,b,c,1,2；

R_ii—线路i的交流电阻，i为a,b,c,1,2；

h_i—线路i对地的平均悬挂高度，i为a,b,c,1,2；

D_ik—线路i与线路k镜像之间的距离，i,k为a,b,c,1,2，且i≠k；

d_ik—线路i与线路k之间的距离，i,k为a,b,c,1,2，且i≠k；

GMR_i—线路i的几何均距，i为a,b,c,1,2；

ω=2πf—频率为f时的角频率，单位为rad/s；

ΔR_ii，ΔR_ik，ΔX_ii，ΔX_ik—计及大地影响的卡送修正项，i,k为a,b,c,1,2；Z_ii—线路i的自阻抗，i为a,b,c,1,2；

Z_mmin—各线路互阻抗的最小值；

Z_ik,Z_ki—线路i与线路k之间的互阻抗与Z_mmin的差值，i,k为a,b,c,1,2；

$Z_{\mathrm{ti}}=60[\ln \frac{2\sqrt{2}{H}_i}{2^{1/8}{\left(r_{\mathrm{ti}}^{1/3}{r}_B^{2/3}\right)}^{1/4}{\left(R_{\mathrm{ti}}^{1/3}{R}_B^{2/3}\right)}^{3/4}}-2]r_{\mathrm{ti}}{R}_{\mathrm{ti}},$ i=1,2或3;

$R_i=-2Z_{\mathrm{ti}}[H_i/(H_1+H_2+H_3)]\ln \sqrt{\mathrm{\γ}},$ i=1,2或3;

L_i=αR_i2H_i/υ_t；

H_i每段杆塔高度，i为1,2,3；

R_ti杆塔主支架半径，i为1,2,3；

r_ti杆塔支架半径，i为1,2,3；

Z_ti每段杆塔波阻抗，i为1,2,3；

r_B，R_B—上下塔基部分的半径；

R_i每段杆塔的阻尼电阻，i为1,2,3；

L_i每段杆塔的阻尼电感，i为1,2,3；

α为阻尼系数；

υ_t为光速；

γ为衰减系数。

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