本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)防雷接地技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于全波電磁暫態(tài)模型的雷電過電壓計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

雷擊輸電線路是一個(gè)復(fù)雜的電磁暫態(tài)過程，但由于受計(jì)算方法及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平的限制，在理論研究方法上進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化，使得雷電過電壓的計(jì)算精度難以滿足工程需要。降低雷擊時(shí)的雷電過電壓是電力系統(tǒng)防雷改造的主要目標(biāo)之一，全國電力行業(yè)每年投資數(shù)十億元用于防雷改造，雖然起到一定的效果，但并不理想。究其原因，一方面是由于雷電自身的復(fù)雜性和不確定性，給研究工作帶來極大困難；另一方面，由于受試驗(yàn)條件、計(jì)算機(jī)技術(shù)及電磁場(chǎng)計(jì)算技術(shù)發(fā)展水平的限制，難以開展精細(xì)深入的研究。雷電作用下輸電線路防雷技術(shù)的研究主要以“路”模型的形式，而以“場(chǎng)”模型開展的研究工作主要局限于對(duì)獨(dú)立的線路，或桿塔，或地網(wǎng)方面，采用電磁場(chǎng)模型對(duì)線路、桿塔、地網(wǎng)統(tǒng)一模型的研究工作還有待進(jìn)一步深入。建立符合工程實(shí)際的輸電線路、桿塔、接地極數(shù)學(xué)模型是輸電線路防雷技術(shù)理論研究的基礎(chǔ)，也是準(zhǔn)確計(jì)算雷電過電壓的基礎(chǔ)。電位概念只使用于靜電場(chǎng)，在工頻等似穩(wěn)電場(chǎng)中只能近似成立，但在雷電環(huán)境中這一概念不再嚴(yán)格成立。

目前在輸電線路雷電過電壓研究中，大多采用電路模型進(jìn)行研究，絕緣子串兩端電壓一般定義為桿塔橫擔(dān)電壓與線路電壓之差。雷電沖擊下絕緣子串兩端的電壓應(yīng)等于電場(chǎng)強(qiáng)度沿絕緣子串上下點(diǎn)的積分，但是靜態(tài)場(chǎng)忽略了電場(chǎng)或磁場(chǎng)隨時(shí)間變化及電、磁之間的相互轉(zhuǎn)換；似穩(wěn)場(chǎng)忽略了電磁場(chǎng)的推遲勢(shì)效應(yīng)，似穩(wěn)場(chǎng)也常稱為低頻場(chǎng)；電磁波問題研究的是無源場(chǎng)，忽略了激勵(lì)電流源或電壓源，一般研究單一頻率的問題；電磁輻射問題往往研究的是在電流密度分布及其變化規(guī)律已知條件下的單一頻率的電磁問題；瞬態(tài)電磁場(chǎng)問題研究包括激勵(lì)源、電磁相互轉(zhuǎn)化、推遲勢(shì)、頻率豐富的電磁問題，是電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算中最為復(fù)雜的問題之一。

在關(guān)于桿塔沖擊響應(yīng)的特性分析中，雷擊時(shí)產(chǎn)生的電流沿著傳輸桿塔和雷擊放電路徑傳播，一部分從桿塔頂端流至底端然后經(jīng)過接地體裝置向土壤散流，并且塔頂電壓還會(huì)受到避雷線分流影響，然而，還很少有人在電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上來分析電流傳播與電磁場(chǎng)之間的關(guān)系，使得模型的建立并不準(zhǔn)確。并且實(shí)際的累積過程中有電流的反射回?fù)?，反射電流的傳播速度?duì)雷擊電流引起的電磁場(chǎng)也有著重要的影響。但是，關(guān)于這方面的理論模型并沒有考慮到雷擊電流反射波的傳播速度對(duì)桿塔周圍電磁場(chǎng)以及桿塔阻抗的影響。考慮到輸電線路遭受雷擊時(shí)，雷電過電壓不僅受到桿塔自身的電阻影響，還與接地網(wǎng)沖擊接地電阻與避雷線分流的影響，因此對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，建立輸電線路、桿塔和接地極一體化模型，準(zhǔn)確分析計(jì)算雷電沖擊下的雷電過電壓。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種精度更高的基于全波電磁暫態(tài)模型的雷電過電壓計(jì)算方法。

為了輸電線路雷電過電壓研究中采用電路模型所導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確問題，同時(shí)也為了解決桿塔沖擊響應(yīng)的特性分析中由避雷線分流所導(dǎo)致的計(jì)算模型不準(zhǔn)確的問題，本發(fā)明基于全波分析法建立輸電線路、桿塔和接地極一體化的全波電磁暫態(tài)模型，基于所建立的全波電磁暫態(tài)模型計(jì)算雷電過電壓。本發(fā)明可進(jìn)一步提高雷電過電壓的計(jì)算精度，從而為電力系統(tǒng)防雷提供可靠的技術(shù)支持。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

步驟1，根據(jù)輸電線路型號(hào)、桿塔型號(hào)和接地網(wǎng)型式構(gòu)建桿塔模型，將桿塔模型中每一個(gè)桿塔分解成細(xì)線元的組合，將雷電流、輸電線路、桿塔及桿塔接地網(wǎng)看作導(dǎo)體，構(gòu)建由雷電流、輸電線路、桿塔及桿塔接地網(wǎng)多導(dǎo)體組成的電網(wǎng)絡(luò)模型，即輸電線路、桿塔和接地極一體化的全波電磁暫停模型；對(duì)全波電磁暫停模型中各導(dǎo)體進(jìn)行分段，獲得導(dǎo)體段；所述的細(xì)線元包括橫元、斜元和豎元，

步驟2，采用快速傅里葉法將雷電壓或雷電流由時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域，得到雷電壓或雷電流的頻譜值，以頻譜值為輸入，模擬全波電磁暫態(tài)模型在單位沖擊響應(yīng)下的阻抗頻域特性，將阻抗頻域特性與頻譜值相乘，采用快速傅立葉法將相乘結(jié)果由頻域轉(zhuǎn)化到時(shí)域，得到雷電壓或雷電流的時(shí)域信號(hào)；

步驟3，采用矩量法計(jì)算桿塔的沖擊響應(yīng)特性，獲得桿塔上泄漏電流和導(dǎo)體段電位的分布；本步驟具體為：

3.1對(duì)步驟2獲得的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行離散；

3.2根據(jù)①全波電磁暫態(tài)模型中各導(dǎo)體段的外表面兩端的電位差等于內(nèi)兩端的電位差，以及②各導(dǎo)體段上的軸向電流與泄漏電流滿足基爾霍夫定律，構(gòu)建矩陣方程，以離散后的時(shí)域信號(hào)為輸入的雷電流激勵(lì)，對(duì)矩陣方程求逆，獲得各導(dǎo)體段的泄漏電流；

所構(gòu)建的矩陣方程為其中，為輸入的雷電流激勵(lì)；分別表示第1、2、…k、…k個(gè)導(dǎo)體段的泄漏電流；ak1、ak2、...akk為根據(jù)第k個(gè)導(dǎo)體段的表面電位連續(xù)性建立的電位連續(xù)性方程的系數(shù)，導(dǎo)體段表面的電位連續(xù)性方程為akk'為第k個(gè)導(dǎo)體段對(duì)應(yīng)的電位連續(xù)性方程的第k'個(gè)系數(shù)，uk為第k個(gè)導(dǎo)體段表面的電位，k＝1,2,...k，k'＝1,2,...k；k為全波電磁暫態(tài)模型中導(dǎo)體段總數(shù)量；

3.3對(duì)單一電阻率土壤，導(dǎo)體段電位通過該導(dǎo)體段的縱向電流與該導(dǎo)體段本身的阻抗相乘得到，導(dǎo)體段本身的阻抗根據(jù)導(dǎo)體段材料進(jìn)行賦值；對(duì)分層土壤，利用復(fù)鏡像法求出第p個(gè)導(dǎo)體段上泄漏電流在第k個(gè)導(dǎo)體段中點(diǎn)處所產(chǎn)生的電位rkp，第k個(gè)導(dǎo)體段的導(dǎo)體段電位

步驟4，根據(jù)步驟3計(jì)算的各導(dǎo)體段的泄漏電流和導(dǎo)體段電位，獲得桿塔橫擔(dān)導(dǎo)體上電壓，桿塔橫擔(dān)導(dǎo)體上電壓與輸電線路運(yùn)行電壓的差值即雷電過電壓值。

步驟1中，采用cdegs軟件工具構(gòu)建桿塔模型和全波電磁暫停模型。

步驟1中，對(duì)全波電磁暫停模型中各導(dǎo)體進(jìn)行分段，具體為：

對(duì)全波電磁暫態(tài)模型中建立的導(dǎo)體進(jìn)行分割獲得導(dǎo)體段，所獲得的導(dǎo)體段需同時(shí)滿足如下條件：

(1)δ/r≥5，其中，δ為導(dǎo)體段長度，r為導(dǎo)體段半徑。

(2)δ≤λ/6，其中，δ為導(dǎo)體段長度，λ為工作電磁波最高頻率對(duì)應(yīng)的波長；

對(duì)位于空氣中的導(dǎo)體段，其對(duì)應(yīng)的λ＝3×10⁸/f；對(duì)位于土壤中的導(dǎo)體段，其對(duì)應(yīng)的f為輸電線路的工作頻率，ρ為導(dǎo)電段所處土壤的電阻率。

本發(fā)明的主要有益效果如下：

(1)可提高雷電過電壓計(jì)算精度，為電力系統(tǒng)防雷提供可靠的技術(shù)支持，有利于制定切實(shí)可行的防雷技術(shù)方案。

(2)減少或消除防雷改造投資的盲目性，減少雷害造成的損失，提高防雷的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

圖1為具體實(shí)施方式中構(gòu)建的全波電磁暫態(tài)模型；

圖2為雷電過電壓的計(jì)算示意圖；

圖3為本發(fā)明方法的具體流程圖。

圖中，1-第一基桿塔，2-第二基桿塔，3-第三基桿塔，4-第四基桿塔，5-第五基桿塔，6-雷電流，7-避雷線，8-接地極，9-雷電流注流點(diǎn)，10-土壤，11-接地網(wǎng)，12-接地引下線，13-塔身，14-橫擔(dān)，15-絕緣子串，16-輸電導(dǎo)線。

具體實(shí)施方式

下面將對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明中，將桿塔分解成橫元、斜元、豎元等細(xì)線元的電網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)體組合，通過將雷電流進(jìn)行頻域與時(shí)域的轉(zhuǎn)換，依據(jù)矩量法得到各段導(dǎo)體上的泄漏電流，求得橫擔(dān)上計(jì)算雷電流分布與電壓分布，從而對(duì)絕緣子串閃絡(luò)前狀態(tài)進(jìn)行分析，計(jì)算出準(zhǔn)確的雷電過電壓。

下面將對(duì)本發(fā)明的具體步驟分別說明。

1)建立全波電磁暫態(tài)模型。

確定待研究的輸電線路型號(hào)、桿塔型號(hào)和接地網(wǎng)型式參數(shù)，通過cdegs軟件工具中sescad繪圖模塊構(gòu)建桿塔模型。本實(shí)施例中，桿塔為五基桿塔。由于桿塔與接地極的阻抗，使得原本處于地電位的桿塔電位抬高。絕緣子串兩端的電壓為桿塔與輸電線路運(yùn)行相電壓的差值。

根據(jù)桿塔模型進(jìn)一步構(gòu)建輸電線路、桿塔和接地極一體化的全波電磁暫態(tài)模型，具體為：

將每一個(gè)桿塔分解成橫元、斜元和豎元等細(xì)線元的組合，將雷電流、輸電線路、桿塔及桿塔接地網(wǎng)看作多導(dǎo)體，由雷電流、輸電線路、桿塔及桿塔接地網(wǎng)多導(dǎo)體組成的電網(wǎng)絡(luò)模型即輸電線路、桿塔和接地極一體化的全波電磁暫態(tài)模型。在進(jìn)行全波電磁暫態(tài)模型的建立過程中，可適當(dāng)簡(jiǎn)化實(shí)際桿塔并盡量逼近實(shí)際桿塔結(jié)構(gòu)。

對(duì)全波電磁暫態(tài)模型中建立的導(dǎo)體進(jìn)行分割獲得導(dǎo)體段，所獲得的導(dǎo)體段需同時(shí)滿足如下條件：

(1)δ/r≥5，其中，δ為導(dǎo)體段長度，r為導(dǎo)體段半徑。

(2)δ≤λ/6，其中，δ為導(dǎo)體段長度，λ為工作電磁波最高頻率對(duì)應(yīng)的波長。

對(duì)位于空氣中的導(dǎo)體段，其對(duì)應(yīng)的λ＝3×10⁸/f；對(duì)位于土壤中的導(dǎo)體段，其對(duì)應(yīng)的f為輸電線路的工作頻率，ρ為接地極所處土壤的電阻率。

對(duì)全波電磁暫態(tài)模型進(jìn)行求解即可獲得各導(dǎo)體段中的電壓分布。

2)求解全波電磁暫態(tài)模型的阻抗頻域特性。

本步驟具體為：

首先，采用快速傅立葉法將輸入雷電壓或輸入雷電流由時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域，得到雷電壓或雷電流的頻譜值；將頻譜值輸入到cdegs軟件工具，模擬出全波電磁暫態(tài)模型在單位沖擊響應(yīng)下的阻抗頻域特性。然后，將阻抗頻域特性與頻譜值相乘。最后，采用快速傅立葉法將相乘結(jié)果由頻域轉(zhuǎn)化到時(shí)域，得到時(shí)域信號(hào)。

在時(shí)域信號(hào)的離散化過程中，時(shí)間窗寬度和采樣點(diǎn)數(shù)是兩個(gè)重要參數(shù)。選擇時(shí)間窗寬度的第一個(gè)原則是信號(hào)幅值在時(shí)間窗寬度后要足夠小。第二個(gè)原則是時(shí)間窗寬度要足夠大，使得基本頻率足夠的小，以便系統(tǒng)頻響中可能出現(xiàn)的任何諧振峰值都能被檢測(cè)出。

3)采用矩量法計(jì)算桿塔的沖擊響應(yīng)特性，得到泄漏電流和導(dǎo)體段電位的時(shí)域響應(yīng)。

矩量法作為核心算法，是一種精度高、便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的接地電阻計(jì)算方法，將接地體或接地網(wǎng)劃分成小單元，即導(dǎo)體段；把桿塔塔身的柵格看作細(xì)線結(jié)構(gòu)，各組成部分看作理想導(dǎo)體。首先，根據(jù)全波電磁暫態(tài)模型中各導(dǎo)體段的表面電位連續(xù)性建立電位連續(xù)性方程，導(dǎo)體段的表面電位連續(xù)性即導(dǎo)體段外表面兩端的電位差應(yīng)等于導(dǎo)體段內(nèi)兩端的電位差；同時(shí)各導(dǎo)體段上的軸向電流與泄漏電流滿足基爾霍夫定律，通過以上條件便可建立矩陣方程(1)，解之可得桿塔接地網(wǎng)上的泄漏電流分布。

桿塔沖擊響應(yīng)特性分析時(shí)，激勵(lì)源為沖擊電流源，泄漏電流可寫成如下矩陣：

式(1)中：

為輸入的雷電流激勵(lì)；

分別表示第1、2、…k、…k個(gè)導(dǎo)體段的泄漏電流；

ak1、ak2、...akk為根據(jù)第k個(gè)導(dǎo)體段的表面電位連續(xù)性建立的電位連續(xù)性方程的系數(shù)，導(dǎo)體段表面電位連續(xù)性方程為uk為第k個(gè)導(dǎo)體段表面的電位，可由cdegs軟件計(jì)算得出。本實(shí)施例中，導(dǎo)體段端部沒有連接電壓激勵(lì)，則取零。

k為全波電磁暫態(tài)模型中導(dǎo)體段總數(shù)量。

對(duì)矩陣方程(1)求逆，可求出所有導(dǎo)體段的泄漏電流進(jìn)而獲得輸電線路、桿塔以及桿塔接地網(wǎng)的泄漏電流分布。

對(duì)單一電阻率土壤，第k個(gè)導(dǎo)體段的導(dǎo)體段電位通過cdegs計(jì)算得出的導(dǎo)體段縱向電流與該導(dǎo)體段本身的阻抗相乘得到。導(dǎo)體段本身的阻抗根據(jù)導(dǎo)體段材料進(jìn)行賦值。

對(duì)分層土壤，可利用復(fù)鏡像法求出第p個(gè)導(dǎo)體段上泄漏電流在第k個(gè)導(dǎo)體段中點(diǎn)處所產(chǎn)生的電位rkp，那么，第k個(gè)導(dǎo)體段中點(diǎn)處電位(將其作為第k個(gè)導(dǎo)體段的導(dǎo)體段電位)可由下式計(jì)算：

4)計(jì)算雷電過電壓值。

由步驟3)可計(jì)算雷電流情況下各導(dǎo)體段的泄漏電流和導(dǎo)體段電位，從而可獲得桿塔橫擔(dān)導(dǎo)體上電壓，桿塔橫擔(dān)導(dǎo)體上電壓與輸電線路運(yùn)行電壓的差值即雷擊時(shí)絕緣子串上的電壓，即雷電過電壓值。根據(jù)雷電過電壓值對(duì)絕緣子串閃絡(luò)前狀態(tài)進(jìn)行分析。

圖1示出了實(shí)施例所構(gòu)建的全波電磁暫態(tài)模型，其中，雷電流6擊中第三基桿塔3頂端，通過雷電流注流點(diǎn)9向塔身注流。通過避雷線7向周圍桿塔(即第一基桿塔1、第二基桿塔2、第四基桿塔4、第五基桿塔5)分流。桿塔的分流作用對(duì)周圍桿塔電位與雷擊桿塔電位有一定影響。雷電流、輸電線路、桿塔及地下接地網(wǎng)可看作多導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)，對(duì)該多導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行求解即可獲得各導(dǎo)體中的電壓分布。將一個(gè)桿塔分解成橫元、斜元、豎元等細(xì)線元的組合，在建模時(shí)，可適當(dāng)將實(shí)際桿塔簡(jiǎn)化并盡量逼近實(shí)際桿塔結(jié)構(gòu)。

圖2圖示出了雷電過電壓計(jì)算方法示意圖，其中所示為第三基桿塔3，雷電流6擊中第三基桿塔3頂端的雷電流注流點(diǎn)9，通過塔身3向接地網(wǎng)11散流，經(jīng)過接地引下線12連接接地網(wǎng)11，向土壤10散流。由于桿塔與接地極的阻抗，使得原本處于地電位的桿塔電位抬高，電流在桿塔及避雷線各個(gè)分支流過，計(jì)算得到取得雷電流情況下桿塔的橫擔(dān)14上的電位，其與輸電線路運(yùn)行電壓之間的差值即雷擊時(shí)絕緣子串15上的電壓值，由此可以計(jì)算出準(zhǔn)確的雷電過電壓。