一种多柱并联避雷器组均能配组方法、装置及介质与流程

本发明涉及避雷器技术领域，具体涉及一种多柱并联避雷器组均能配组方法及装置。

背景技术：

随着我国电力系统“西电东送、南北互供、全国联网”战略的稳步推进，高压直流输电系统在电网中应用越来越多。相比于高压交流输电，高压直流输电具有输送容量大、距离远、损耗小等优点，且不存在同步运行的稳定问题，因而广泛应用于大容量长距离输电。

换流站是高压直流输电工程的枢纽，对整个直流输电工程起关键作用，站内交、直流设备价格昂贵，对主设备的过电压保护离不开避雷器，换流站中过电压保护所用的避雷器种类比交流系统多，主要包括换流阀避雷器、直流母线避雷器、中性母线避雷器、直流滤波器避雷器、交流滤波器避雷器及平波电抗器避雷器等。其中运行工况最为复杂的是整流侧中性母线避雷器。

中性母线避雷器安装于换流站中性母线，在直流系统正常运行时电压较低，双极大地平衡运行时电压为零，但当线路发生故障或发生某些操作时，中性母线上易产生较大过电压且能量巨大。为保护中性母线区设备不受过电压损伤，该避雷器需具备吸收高达几十mj能量的能力。受避雷器制造技术的限制，该避雷器一般由多柱避雷器并联组成。以溪洛渡直流输电工程为例，其整流侧牛寨换流站单回中性母线避雷器并联数量多达23只，每只避雷器均为4柱阀片并联结构，单台避雷器设计能量耐受能力为1.44mj。

多柱并联结构的避雷器理想运行工况是各柱均分系统遭受冲击时所产生的能量，但如果避雷器均流特性不佳或局部性能劣化，将导致个别避雷器单元吸收超过其耐受水平的能量，从而导致避雷器击穿故障，直流系统停运，造成重大经济损失。2014年特高压宜宾换流站在大地转金属回线过程中，金属回线转换开关单支避雷器击穿(整组26支并联)，导致开关分闸失败，直流系统停运；2014年银川东换流站在大地转金属回线过程中，金属回线转换开关单支避雷器击穿(整组11支并联)，导致直流闭锁；2016年灵州换流站在直流线路近区短路试验时，中性母线避雷器组单支击穿(整组24支并联)，导致直流闭锁。

国内外多柱并联避雷器电流分流试验及不均匀系数计算大都是基于2柱或4柱并联，且是基于电阻片参考电压值进行配组，使组合而成的各柱避雷器参考电压尽可能一致，从而使电流不均匀系数满足标准小于1.1的要求。且大部分避雷器产品在出厂时也是遵循这一要求。但根据近几年的事故案例分析可以得出这个要求不适用于大规模多柱并联的避雷器组。

胡淑慧等人提出了一种测量多柱并联电阻片柱电流分布不均匀系数的方法，受电流冲击测试设备能力的限制，不能同时进行几十柱甚至上百柱电阻片柱的电流分布不均匀系数的测量，因此需要对避雷器柱分组进行测试。并提出了一种基于参考电压“排列”和“对调”的大规模电阻片配组方法。张曦等人针对现场实际运行避雷器开展7柱并联实验，通过减少电阻片模拟单柱特性老化。结果显示单柱参考电压变化越大，整体参考电压越接近单柱参考电压变化值，而且并联柱数越少这种现象越明显。由此可以推测出大规模多柱并联避雷器组中，部分柱伏安特性变化难以检测。

技术实现要素：

本发明提出的一种多柱并联避雷器组均能配组方法及装置，可解决现有的电阻片配组方法可靠性低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种多柱并联避雷器组均能配组方法，包括以下步骤：

s100、避雷器组参数需求和电阻片的选取，确定避雷器每柱片数、并联柱数；

s200、确定该位置避雷器组各柱电流波形，通过拟合计算每一片电阻片在该电流波形下吸收能量，将吸收能量偏差较大的电阻片剔除；

s300、将电阻片排列成柱并生成序列号矩阵，将一柱中的电阻片伏安特性点直接相加获得整柱伏安特性；

s400、将各柱伏安特性进行指数函数拟合，根据避雷器组整体残压波形计算流过各柱电流；

s500、根据电阻分自身伏安特性拟合函数，计算各电阻片承担电压波形，然后通过计算电阻片吸收能量。

s600、根据能量吸收矩阵对电阻片所处位置进行迭代调整，将电流最大柱吸收能量最少的电阻片与电流最小柱吸收能量最大的电阻片位置进行交换，这样可以使两者所在柱的静态伏安特性曲线更为接近，即在相同电压下流过的电流值更为接近。迭代次数越多，能量分配越均匀。

进一步的，所述s400包括：

通过函数u＝a×i^α+b进行电阻片伏安特性拟合计算得到流过每一柱避雷器的电流波形；

其中u为避雷器的电压值，i为避雷器的电流值，α为非线性系数，a、b为系数。

进一步的，所述s500中计算电阻片吸收能量，计算公式如下：

w＝∫u(t)×i(t)dt；

其中，w为电阻片的吸收能量，u为电阻片的电压值，i为电阻片的电流值，t为时间。

另一方面本发明还公开一种多柱并联避雷器组均能配组装置，包括以下单元：

避雷器确定单元，用于选取避雷器组参数需求和电阻片，确定避雷器每柱片数、并联柱数；

电阻片筛选单元，用于确定避雷器组各柱电流波形，通过拟合计算每一片电阻片在该电流波形下吸收能量，将吸收能量偏差较大的电阻片剔除；

整柱伏安特性生成单元，将剩余电阻片排列成柱并生成序列号矩阵，将一柱中的电阻片伏安特性点直接相加获得整柱伏安特性；

避雷器电流计算单元，用于将各柱伏安特性进行指数函数拟合，根据避雷器组整体残压波形计算流过各柱电流；

电阻片吸收能量计算单元，用于根据电阻分自身伏安特性拟合函数，计算各电阻片承担电压波形，然后计算电阻片吸收能量；

电阻片进行调整单元，用于根据能量吸收矩阵对电阻片所处位置进行迭代调整，将电流最大柱吸收能量最少的电阻片与电流最小柱吸收能量最大的电阻片位置进行交换，迭代计算并重复此步骤。

本发明还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，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明通过计算避雷器组限制过电压过程中电阻片吸收能量分布，在筛选并调换电阻片位置进行迭代计算，得到电阻片吸收能量分布最均匀的结果；然后采用电阻片位置矩阵描述电阻片配组过程中的匹配位置，配组前生成初始随机矩阵，在经过多次迭代计算达到最优解后可以输出电阻片配组矩阵，可按照矩阵序列号进行电阻片组装；通过电阻片静态伏安特性拟合得到伏安特性方程，在限制过电压过程中计算每一片电阻片吸收的能量；处于不同位置的避雷器，所面临的过电压工况不同，此方法可针对不同位置避雷器组各自面临最严峻的工况进行计算配组，可以达到理论上的最优配组；通过电阻片吸收能量分布色块矩阵描述避雷器组内所有电阻片吸收能量值情况，可直观看出电流分流情况，电阻片吸收能量差异。本发明提供的配组算法是一种提升多柱并联避雷器组可靠性的有效方式，有非常重要的研究价值。

由上可知，本发明的多柱并联避雷器组均能配组方法具有以下有益效果：

1、首次提出基于吸收能量均衡的电阻片配组算法，适用于大规模多柱并联避雷器组配组设计。

2、不同位置避雷器组面临工况不同，此算法可针对不同避雷器组的过电压波形进行配组，有效提升避雷器组运行可靠性。

附图说明

图1本发明均能配组算法流程框图；

图2是电阻片初始配组矩阵；

图3是避雷器电压及单柱电流波形；

图4是电阻片吸收能量值分布初始矩阵；

图5是迭代配组后电阻片吸收能量值分布矩阵；

图6是电流不均匀系数随迭代次数变化；

图7是吸收能量方差随迭代次数变化。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的多柱并联避雷器组均能配组方法，包括以下步骤：

s100、选取避雷器组参数需求和电阻片，确定避雷器每柱片数、并联柱数；

s200、确定设定位置避雷器组各柱电流波形，通过拟合计算每一片电阻片在该电流波形下吸收能量，将吸收能量偏差较大的电阻片剔除；

s300、将电阻片排列成柱并生成序列号矩阵，将一柱中的电阻片伏安特性点直接相加获得整柱伏安特性；

s400、将各柱伏安特性进行指数函数拟合，根据避雷器组整体残压波形计算流过各柱电流；

s500、根据电阻分自身伏安特性拟合函数，计算各电阻片承担电压波形，然后通过计算电阻片吸收能量；

s600、根据能量吸收矩阵对电阻片所处位置进行迭代调整，将电流最大柱吸收能量最少的电阻片与电流最小柱吸收能量最大的电阻片位置进行交换。

其中，s100可解释为：

确定避雷器参考电压v1及耐受能量要求w1，选取合适的电阻片规格，确定电阻片参考电压v2及单片耐受能量w2，单柱串联电阻片数量n＝v1/v2，并联柱数m＝w2/(w1*n)。

s400中通过函数u＝a×i^α+b进行电阻片伏安特性拟合计算得到流过每一柱避雷器的电流波形；

其中，u为避雷器的电压值，i为避雷器的电流值，α为非线性系数，a、b为系数。

s500中计算电阻片吸收能量，计算公式为w＝∫u(t)×i(t)dt；

其中，w为电阻片的吸收能量，u为电阻片的电压值，i为电阻片的电流值，t为时间。

以下举例说明：

(1)根据em避雷器参考电压值及电阻片参考电压，拟定em避雷器每一柱串联54片电阻片，根据电流估计以及冗余设计，共并联64柱，3456片电阻片进行计算。

(2)将剩余3456片电阻片伏安特性随机进行排列0001～3456号，建立顺序序列号分组矩阵；如图2，所选em型避雷器组采用并联64柱，每柱串联54片电阻片，在初始配组时将电阻片随机进行排列并赋予位置序列号。

(3)根据分组将电阻片静态伏安特性数据导入并与序列号对应；计算每一柱静态伏安特性；

(4)导入系统仿真计算得到的避雷器组在系统发生故障时的过电压波形，并计算流过每一柱的电流；如图3，通过系统仿真或实际波形录波得到避雷器组过电压波形，在计算得到每一柱伏安特性后计算流过每柱的电流；

(5)根据各片电阻片伏安特性拟合结果及流过该电阻片的电流波形计算其承担电压波形。电阻片吸收的能量可以通过进行计算，初次计算各片电阻片吸收能量结果如图4，图中每一个色块表示一片电阻片，每一列表示一柱避雷器，颜色表示电阻片吸收能量值，图中计算结果为：此时流过各柱的电流均值为116.18a，最大值为第2柱的129.9a(m＝2)，最小值为第50柱的98.8a(m＝50)，电流不均匀系数为0.315；电阻片单片吸收能量均值为9.023kj，最大值为10.57kj(n＝54,m＝2)，最小值为7.32kj(n＝2,m＝50)，能量不均匀系数为0.3607，避雷器整体吸收能量31.184mj。

(6)对电阻片进行调整，将电流最大柱吸收能量最少的电阻片与电流最小柱吸收能量最大的电阻片位置进行交换，如上图所示，电流最大柱吸收能量最少的电阻片位置为(m＝2,n＝25)，电流最小柱吸收能量最大的电阻片位置为(m＝50,n＝40)，这样可以使两者所在柱的静态伏安特性曲线更为接近，即在相同电压下流过的电流值更为接近。迭代次数越多，能量分配越均匀。

(7)将以上步骤进行迭代计算10次时流过各柱的电流均值为116.09a，最大值为第32柱的122.9a(m＝32)，最小值为第35柱的107.4a(m＝35)，电流不均匀系数为0.13558；电阻片单片吸收能量均值为9.0153kj，最大值为10.02kj(m＝20,n＝8)，最小值为7.86kj(m＝18,n＝51)，能量不均匀系数为0.2752。

(8)在迭代18次时电流平均匀系数达到0.0957<0.1，此时流过各柱的电流均值为116.06a，最大值为121.2a(m＝33)，最小值为110.6a(m＝16)，电流不均匀系数为0.0957；电阻片单片吸收能量均值为9.0153kj，最大值为9.96kj(n＝6,m＝21)，最小值为8.13kj(n＝34,m＝19)，能量不均匀系数为0.2249。

(9)在迭代38次时算法达到最优解，无法再进行电阻片位置调换，此时流过各柱的电流均值为116.028a，最大值为的17.99a(m＝6)，最小值为113.99a(m＝29)，电流不均匀系数为0.0351；电阻片单片吸收能量均值为9.0088kj，最大值为9.6734kj(n＝19,m＝40)，最小值为8.3196kj(n＝54,m＝44)，能量分布如图5；

整个计算过程中电流不均匀系数及吸收能量方差如图6和图7。

由上述技术方案可知，本发明通过计算避雷器组限制过电压过程中电阻片吸收能量分布，在筛选并调换电阻片位置进行迭代计算，得到电阻片吸收能量分布最均匀的结果；然后采用电阻片位置矩阵描述电阻片配组过程中的匹配位置，配组前生成初始随机矩阵，在经过多次迭代计算达到最优解后可以输出电阻片配组矩阵，可按照矩阵序列号进行电阻片组装；通过电阻片静态伏安特性拟合得到伏安特性方程，在限制过电压过程中计算每一片电阻片吸收的能量；处于不同位置的避雷器，所面临的过电压工况不同，此方法可针对不同位置避雷器组各自面临最严峻的工况进行计算配组，可以达到理论上的最优配组；通过电阻片吸收能量分布色块矩阵描述避雷器组内所有电阻片吸收能量值情况，可直观看出电流分流情况，电阻片吸收能量差异。本发明的算法可针对不同避雷器组的过电压波形进行配组，有效提升避雷器组运行可靠性。

上述为本发明算法的基本逻辑，可在此基础上进行优化调整：考虑电阻片特性受温升、工频老化、冲击老化、污秽导致径向电场、受潮导致泄漏电流发热等因素影响的变化规律，添加算法步骤，提升模拟计算等效性。

另一方面本发明还公开一种多柱并联避雷器组均能配组装置，包括以下单元：

避雷器确定单元，用于选取避雷器组参数需求和电阻片，确定避雷器每柱片数、并联柱数；

电阻片筛选单元，用于确定避雷器组各柱电流波形，通过拟合计算每一片电阻片在该电流波形下吸收能量，将吸收能量偏差较大的电阻片剔除；

整柱伏安特性生成单元，将剩余电阻片排列成柱并生成序列号矩阵，将一柱中的电阻片伏安特性点直接相加获得整柱伏安特性；

避雷器电流计算单元，用于将各柱伏安特性进行指数函数拟合，根据避雷器组整体残压波形计算流过各柱电流；

电阻片吸收能量计算单元，用于根据电阻分自身伏安特性拟合函数，计算各电阻片承担电压波形，然后计算电阻片吸收能量；

电阻片进行调整单元，用于根据能量吸收矩阵对电阻片所处位置进行迭代调整，将电流最大柱吸收能量最少的电阻片与电流最小柱吸收能量最大的电阻片位置进行交换，迭代计算并重复此步骤。

可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。

本发明还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，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。