用于雷电反击的基于先导发展模型的绝缘子闪络仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种用于雷电反击的基于先导发展模型的绝缘子闪络仿真方法，属于电力系统电磁暂态计算技术领域。设定雷电击中输电线路杆塔顶部时杆塔绝缘子上的电压波形为短尾波，对绝缘子施加标准雷电冲击波和短尾波，并记录绝缘子两端的电压、电流和闪络流注发展时间，使用高速摄像机获取绝缘子闪络过程的图像；根据图像测量绝缘子闪络先导发展长度，对前后连续的闪络过程图像进行处理，得到先导发展速度及相关参数，并根据其判断雷电击中输电线路杆塔时的绝缘子闪络情况。本发明专利技术方法适用于短尾波冲击和标准波冲击、适用于110～500kV的绝缘子、适用于不同材质的瓷绝缘子以及适用于正负两种极性的雷电冲击波，因此具有很好的通用性。

【技术实现步骤摘要】
用于雷电反击的基于先导发展模型的绝缘子闪络仿真方法
本专利技术涉及一种用于雷电反击的基于先导发展模型的绝缘子闪络仿真方法，属于电力系统电磁暂态计算

技术介绍
绝缘子冲击闪络模型对于准确计算输电线路的雷电反击过电压水平十分重要。当雷击中地线或杆塔后，在导线与地间会出现一定的电压波形。这时，需要根据绝缘子的闪络特性来判断是否会发生闪络、何时会发生闪络、闪络概率如何，进而预测此后线路中的电压电流变化。因此，绝缘子闪络模型就是从击穿的物理规律出发，得到的在冲击电压作用下绝缘子的端口特性。从简化的观点来看，闪络模型也可以称为闪络判据，即绝缘子两端的电压满足什么条件时，绝缘子发生闪络。如果能够建立一个简明的绝缘子闪络模型，并能使其接入到电磁暂态计算程序之中，就能大大简化输电线路的雷电防护设计过程。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种用于雷电反击的基于先导发展模型的绝缘子闪络仿真方法，通过试验获得正负极性雷电冲击下的110～500kV瓷绝缘子和合成绝缘子间隙的闪络特性基础数据，从而能够更精确反映绝缘子上的实际闪络过程，提高电力系统雷击过程中关键环节的仿真计算精度。本专利技术提出的用于雷电反击的绝缘子闪络仿真方法，以下各步骤：（1）设定雷电击中输电线路杆塔顶部时，杆塔绝缘子上的电压波形为短尾波，短尾波的波尾时间为2—10μs；（2）对110～500kV输电线路杆塔绝缘子施加标准雷电冲击波和短尾波，分别测量并记录绝缘子两端的电压U(t)、绝缘子上的电流和绝缘子闪络流注发展时间Ts，使用高速摄像机获取绝缘子闪络过程的图像；（3）根据上述绝缘子闪络过程图像，测量得到绝缘子闪络先导发展长度x，对前后连续的闪络过程图像进行处理，得到先导发展速度vL，通过下式，分别拟合得到与绝缘子闪络过程相关的常数E0，以及拟合参数k0、k1、k2：其中U(t)为上述绝缘子两端的电压，TS为绝缘子闪络流注发展时间，d为绝缘子长度，x为发展的先导长度；（4）根据上述与绝缘子闪络过程相关的常数E0，以及拟合参数k0、k1、k2，判断雷电击中输电线路杆塔时，绝缘子是否发生闪络，以及发生闪络时闪络流注发展时间和闪络先导发展时间。本专利技术建立的一种用于雷电反击的基于先导发展模型的绝缘子闪络仿真方法，其优点是：本专利技术方法适用于更接近雷电反击过程中绝缘子上实际波形的短尾波，从而能够更精确反映绝缘子上的实际闪络过程，提高电力系统雷击过程中关键环节的仿真计算精度，并能有效提升目前对输电线路防雷性能计算与评估的精度，使防雷计算对输电线路的防雷设计与防雷措施应用的指导作用进一步提高，从而有效提高防雷设计与改造的有效性和针对性，降低安全输电线路成本。本专利技术方法适用于各种防雷措施和防雷设计，将有效提高输电线路的防雷性能，降低设备雷击故障率，提高电网的安全稳定水平，保证输电线路的工作可靠性。本专利技术方法能够同时适用于短尾波冲击和标准波冲击、同时适用于110～500kV的绝缘子、同时适用于不同材质的瓷绝缘子和合成绝缘子以及同时适用于正负两种极性的雷电冲击波，因此具有很好的通用性。具体实施方式本专利技术提出的用于雷电反击的绝缘子闪络仿真方法，包括以下各步骤：（1）设定雷电击中输电线路杆塔顶部时，杆塔绝缘子上的电压波形为短尾波，短尾波的波尾时间为2—10μs；对于绝缘子闪络模型，以往的试验多是基于标准雷电波形（1.2/50μs）进行的。然而，很多研究表明，由于杆塔间及杆塔与大地之间折反射的影响，出现在绝缘子两端的雷电过电压波形多为短尾波，其波尾出现振荡，且衰减较快，与标准波有很大差异。针对非标准雷电波作用下间隙或绝缘子的放电特性已经有很多研究。这些研究表明，在各类的非标准波作用下，空气间隙具有完全不同于标准波作用下的放电电压和放电特性。文献调研发现绝缘子两端波形均为短尾波，其波尾时间约2-10μs。在仿真计算中首先采用特高压的双回塔对雷电过电压波形进行分析。其中杆塔采用多波阻抗模型进行建模。杆塔接地电阻为10Ω，杆塔之间的档距为405m。50kA的雷电流从避雷线注入，为2.6/50μs的标准雷电流波形，雷电通道波阻抗为300Ω。在雷击的杆塔两侧各有三个杆塔，以考虑杆塔间的折反射效果，而在此以外为无反射区域。由此得到同侧上中下三相线路上的绝缘子两端波形在达到峰值后很短的时间内就发生了跌落，使得整个波形的波前时间只有不到2μs。同时也分析了不同电压等级、不同杆塔情况下绝缘子两端的电压波形，包括500kV的单回塔、同塔双回塔、同塔四回塔，220kV的单回塔、同塔双回塔及500kV/220kV并架的同塔四回塔。经过仿真计算，发现在不同的杆塔情况下，绝缘子两端雷电过电压波形都是短尾波，且得到的波形具有很好的一致性，具有非常类似的特征。这表明杆塔的情况及电压等级不会影响雷电过电压波形的短波尾特性。由于接地体及杆塔的反射作用，出现在绝缘子两端的雷电过电压波形具有短波尾的特性。这一点已经得到了诸多文献的证实。对于间隙或绝缘子闪络模型试验来讲，采用符合实际情况的短尾波是十分必要的。综合考虑，试验时施加的短尾波冲击的波尾时间为10μs。（2）对110～500kV输电线路杆塔绝缘子施加标准雷电冲击波和短尾波，分别测量并记录绝缘子两端的电压U(t)、绝缘子上的电流和绝缘子闪络流注发展时间Ts，使用高速摄像机获取绝缘子闪络过程的图像；本专利技术主要针对110kV、220kV和500kV瓷绝缘子和合成绝缘子进行短尾波冲击特性试验，同时进行标准雷电波冲击特性试验作为对比。在试验中，考虑横担和导线的影响，在绝缘子试品上方挂有模拟横担，根据电压等级的不同下方分别挂有单根、二分裂和四分裂模拟导线。在220kV和500kV合成绝缘子加装均压环，以尽可能模拟真实情况。瓷绝缘子串试品采用XP-7型普通悬式瓷绝缘子，其中110kV瓷绝缘子试验试品含7片，绝缘长度0.95m；220kV试验试品含14片，绝缘长度1.96m；500kV试验试品含29片，绝缘长度4.14m。110kV合成绝缘子试品不带有均压环，长度1.05m；220kV和500kV合成绝缘子试品均带有均压环，均压环间距离分别为2.02m和4.15m。根据GB/T16927.1和IEC60060.1标准规定，雷电冲击波的波头时间为1.2μs，容许偏差为±30%；半峰值时间为50μs，容许偏差±20%。施加在110、220和500kV试品上的短尾波分别为1.10/6.5μs、1.10/15.7μs和1.40/11.0μs，符合相关标准规定。实验装置包括冲击发生器、待测绝缘子、带模拟横担和模拟导线、分压器、电流探头、数字示波器和高速照相机。试验内容包括对不同绝缘子开展标准雷电波和短尾波下的50%放电电压测试、对不同绝缘子开展标准雷电波和短尾波下的伏秒特性测试，并测量绝缘子电流与电压波形。对于流注发展过程，可以通过电流来判断整体的流注发生时间。由于流注发展过程中电流会明显上升，随后降低到零，而此时流注发展也完成了。对于先导的发展，在监测电压、电流的同时，通过高速相机对整个先导发展过程进行记录，通过前后两张照片先导长度的测量，从而获得先导发展的速度。与以往扫描式或称条纹式的变像管照相机不同，采用高速照相机得到的图像是不连续的，而且其速度不快。因此需要对同一个间隙或绝缘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于雷电反击的绝缘子闪络仿真方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：（1）设定雷电击中输电线路杆塔顶部时，杆塔绝缘子上的电压波形为短尾波，短尾波的波尾时间为2—10μs；（2）对110～500kV输电线路杆塔绝缘子施加标准雷电冲击波和短尾波，分别测量并记录绝缘子两端的电压U(t)、绝缘子上的电流和绝缘子闪络流注发展时间Ts，使用高速摄像机获取绝缘子闪络过程的图像；（3）根据上述绝缘子闪络过程图像，测量得到绝缘子闪络先导发展长度x，对前后连续的闪络过程图像进行处理，得到先导发展速度vL，通过下式，分别拟合得到与绝缘子闪络过程相关的常数E0，以及拟合参数k0、k1、k2：1TS∫0TSU(t)dt>k1d+k2,vL=k0(U(t)d-x-E0),其中U(t)为上述绝缘子两端的电压，TS为绝缘子闪络流注发展时间，d为绝缘子长度，x为发展的先导长度；（4）根据上述与绝缘子闪络过程相关的常数E0，以及拟合参数k0、k1、k2，判断雷电击中输电线路杆塔时，绝缘子是否发生闪络，以及发生闪络时闪络流注发展时间和闪络先导发展时间。

【技术特征摘要】
1.一种用于雷电反击的绝缘子闪络仿真方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：（1）设定雷电击中输电线路杆塔顶部时，杆塔绝缘子上的电压波形为短尾波，短尾波的波尾时间为2—10μs；（2）对110～500kV输电线路杆塔绝缘子施加标准雷电冲击波和短尾波，分别测量并记录绝缘子两端的电压U(t)、绝缘子上的电流和绝缘子闪络流注发展时间Ts，使用高速摄像机获取绝缘子闪络过程的图像；（3）根据上述绝缘子闪络过程图像，测量得到绝缘子闪络先导发展长度x，对前后连续的闪络过程图像进行处理，得到先导发展速度vL，通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵媛，余占清，王希，袁亦超，何金良，曾嵘，李雨，邓春，刘亮，李志刚，魏苒，蒋鑫，陈水明，张波，胡军，庄池杰，
申请(专利权)人：清华大学，国家电网公司，华北电力科学研究院有限责任公司，冀北电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：