一种用于评估火花效应对输电线路接地装置冲击接地阻抗影响的方法与流程

本发明属于输电线路接地领域，具体是一种用于评估火花效应对输电线路接地装置冲击接地阻抗影响的方法。

背景技术：

相关研究表明，50%以上的输电线路的事故都由雷击引起；而输电线路接地装置对线路防雷保护效果起着至关紧要的作用，其冲击接地阻抗直接决定了输电线路的防雷性能。雷电流经输电线路接地装置入地时，强大的冲击电流流入土壤后会形成很强的电场，使土壤发生强烈的局部放电，使土壤导电性增大，其效果犹如增大了接地装置导体的横截面积，使接地电阻小于工频电流下的数值，这种效应称为火花效应。然而，目前考虑火花效应对对输电线路接地装置冲击接地阻抗影响时，单纯只考虑了对接地装置的电阻的影响，忽略了输电线路接地装置导体的横截面积增大对其电容、电感的影响。

专利“一种高压输电线路杆塔接地装置防雷特性的评估方法（cn103293451b）”公开了一种高压输电线路杆塔接地装置防雷特性的评估方法，计及火花效应时，通过对三种物理结构模型注入点过电压进行仿真分析，得到三种接地装置的雷电冲击特性。然而这一方法并没有体现火化效应对电容、电感的影响。专利“以火花系数修正杆塔接地装置的低幅值冲击电阻测量方法（cn103792433b）”，利用便携式冲击电流发生器作为信号输出源，以三级法测量方式布置接地装置，使用不间断电源供电，从接地极注入冲击电流，计算接地装置所在土壤的火花系数α。然而，专利中并未指出电阻、电感、电容如何影响火花系数。

技术实现要素：

基于此，本发明采用实验与仿真相结合的思路，提出一种用于评估火花效应对输电线路接地装置冲击接地阻抗影响的方法，能够分析火花效应引起的电感、电阻、电容对输电线路接地装置冲击接地阻抗的影响规律，深入理解火花效应，有利于设计更为合理的输电线路接地装置，提高输电线路防雷水平。

本发明采取的技术方案为：

一种用于评估火花效应对输电线路接地装置冲击接地阻抗影响的方法，包括以下步骤：

s1:将输电线路接地装置等效为：电感、电阻串联，再与电容并联的电路模型。

s2：建立用于计算输电线路接地装置电路模型的电阻、电容、电感的有限元几何模型，包括输电线路接地装置与土壤区域，此时输电线路接地装置导体的横截面积为a0。

s3：将建立的输电线路接地装置几何模型设置为电流场物理环境，设置源与边界条件，计算得到此时输电线路接地装置电路模型中的电阻，记为r0。

电流场物理环境的源是在输电线路接地装置注入电流ii，设置输电线路接地装置电阻率ρ1和土壤的电导率ρ2，设置无穷远的地方为零电位，计算得到输电线路接地装置的电压ui，计算得到输电线路接地装置等效电路模型中的电阻r0=ui/ii。

边界条件指的是设置无穷远的地方为零电位。

s4：将建立的输电线路接地装置几何模型设置为电场物理环境，设置源与边界条件，计算得到此时输电线路接地装置电路模型中的电容，记为c0。

电场物理环境的源是在输电线路接地装置设置电压ue，设置输电线路接地装置的介电常数ε1和土壤的介电常数ε2，设置无穷远的地方为零电位，计算得到整个域内的电场分布与总体电场能量ee，计算得到输电线路接地装置等效电路模型中的电容为2*ee/ue²。

边界条件指的是设置无穷远的地方为零电位。

s5：将建立的输电线路接地装置几何模型设置为磁场物理环境，设置源与边界条件，计算得到此时输电线路接地装置电路模型中的电感，记为l0；

磁场物理环境的源是由电流场物理环境计算得到的电流分布，设置输电线路接地装置的磁导率μ1和土壤的磁导率μ2，设置无穷远的地方磁通密度为0，计算得到整个域内的磁场分布与总体磁场能量em，计算得到输电线路接地装置等效电路模型中的电感为2*em/ii²。。

边界条件指的是设置无穷远的地方磁通密度为0。

s6：将r0、c0、l0设置到电路模型中，并对电路模型施加典型的雷电流波形，电流峰值为i0，仿真分析得到电压峰值u0，定义不考虑火花效应的输电线路接地装置冲击接地阻抗为z0=u0/i0。

典型的雷电流波形是指1.2/50μs，即波前时间为1.2μs，波长为50μs。

s7：输电线路接地发生火花效应时，将输电线路接地装置导体的横截面积等效为a1；

s8：建立用于计算输电线路接地装置电路模型的电阻、电容、电感的有限元几何模型，包括输电线路接地装置与土壤区域，此时输电线路接地装置导体的横截面积为a1。

s9：将建立的输电线路接地装置几何模型设置为电流场物理环境，设置源与边界条件，计算得到此时输电线路接地装置电路模型中的电阻，记为r1。

电流场物理环境的源是在输电线路接地装置注入电流ii，设置输电线路接地装置电阻率ρ1和土壤的电导率ρ2，设置无穷远的地方为零电位，计算得到输电线路接地装置的电压ui，计算得到输电线路接地装置等效电路模型中的电阻r0=ui/ii。

此处“边界条件”指的是:“设置无穷远的地方为零电位”。

s10：将建立的输电线路接地装置几何模型设置为电场物理环境，设置源与边界条件，计算得到此时输电线路接地装置电路模型中的电容，记为c1。

电场物理环境的源是在输电线路接地装置设置电压ue，设置输电线路接地装置的介电常数ε1和土壤的介电常数ε2，设置无穷远的地方为零电位，计算得到整个域内的电场分布与总体电场能量ee，计算得到输电线路接地装置等效电路模型中的电容为2*ee/ue²。

此处“边界条件”指的是:“设置无穷远的地方为零电位”。

s11：将建立的输电线路接地装置几何模型设置为磁场物理环境，设置源与边界条件，计算得到此时输电线路接地装置电路模型中的电感，记为l1。

磁场物理环境的源是由电流场物理环境计算得到的电流分布，设置输电线路接地装置的磁导率μ1和土壤的磁导率μ2，设置无穷远的地方磁通密度为0，计算得到整个域内的磁场分布与总体磁场能量em，计算得到输电线路接地装置等效电路模型中的电感为2*em/ii²。

此处“边界条件”指的是:“设置无穷远的地方磁通密度为0”。

s12：将r1、c1、l1设置到电路模型中，并对电路模型施加典型的雷电流波形，电流峰值为i1，仿真分析得到电压峰值u1，定义考虑火花效应的输电线路接地装置冲击接地阻抗为z1=u1/i1，对比分析z0,z1可得到火花效应对输电线路接地装置冲击接地阻抗的总体影响。

s13:将r1、c0、l0设置到电路模型中，并对电路模型施加典型的雷电流波形，电流峰值为ir，仿真分析得到电压峰值ur，此时输电线路接地装置冲击接地阻抗为zr=ur/ir，对比分析z0,zr可得到火花效应引起的电阻变化对输电线路接地装置冲击接地阻抗的影响。

典型的雷电流波形是指1.2/50μs，即波前时间为1.2μs，波长为50μs。

zr可得到火花效应引起的电阻变化对输电线路接地装置冲击接地阻抗的影响。本发明即提供一种用于评估火花效应对输电线路接地装置冲击接地阻抗影响的方法，若z0>zr，则说明火花效应引起的电阻变化将减小输电线路接地装置冲击接地阻抗；若z0<zr，则说明火花效应引起的电阻变化将增大输电线路接地装置冲击接地阻抗。

s14:将r0、c1、l0设置到电路模型中，并对电路模型施加典型的雷电流波形，电流峰值为ic，仿真分析得到电压峰值uc，此时输电线路接地装置冲击接地阻抗为zc=uc/ic，对比分析z0,zc可得到火花效应引起的电容变化对输电线路接地装置冲击接地阻抗的影响。

zc可得到火花效应引起的电容变化对输电线路接地装置冲击接地阻抗的影响。本发明即提供一种用于评估火花效应对输电线路接地装置冲击接地阻抗影响的方法，若z0>zc，则说明火花效应引起的电容变化将减小输电线路接地装置冲击接地阻抗；若z0<zr，则说明火花效应引起的电容变化将增大输电线路接地装置冲击接地阻抗。

s15:将r0、c0、l1设置到电路模型中，并对电路模型施加典型的雷电流波形，电流峰值为il，仿真分析得到电压峰值ul，此时输电线路接地装置冲击接地阻抗为z1=ul/il，对比分析z0,zl可得到火花效应引起的电感变化对输电线路接地装置冲击接地阻抗的影响。

z1可得到火花效应引起的电感变化对输电线路接地装置冲击接地阻抗的影响。本发明即提供一种用于评估火花效应对输电线路接地装置冲击接地阻抗影响的方法，若z0>z1，则说明火花效应引起的电感变化将减小输电线路接地装置冲击接地阻抗；若z0<z1，则说明火花效应引起的电感变化将增大输电线路接地装置冲击接地阻抗。

电流场物理环境的源是在输电线路接地装置注入电流ii，设置输电线路接地装置电阻率ρ1和土壤的电导率ρ2，设置无穷远的地方为零电位，计算得到输电线路接地装置的电压ui，计算得到输电线路接地装置等效电路模型中的电阻r0=ui/ii。

电场物理环境的源是在输电线路接地装置设置电压ue，设置输电线路接地装置的介电常数ε1和土壤的介电常数ε2，设置无穷远的地方为零电位，计算得到整个域内的电场分布与总体电场能量ee，计算得到输电线路接地装置等效电路模型中的电容为2*ee/ue²。

磁场物理环境的源是由电流场物理环境计算得到的电流分布，设置输电线路接地装置的磁导率μ1和土壤的磁导率μ2，设置无穷远的地方磁通密度为0，计算得到整个域内的磁场分布与总体磁场能量em，计算得到输电线路接地装置等效电路模型中的电感为2*em/ii²。

当存在火花效应时，通过以下实验流程确定输电线路接地装置导体的横截面积a1：

ss1：将导体横截面积为a0的输电线路接地装置埋入指定深度的土壤，通入雷电大电流，测量此时的接地电阻rr；

ss2：将导体横截面积增大至a0+δa，制作同样几何结构的输电线路接地装置埋入同样位置和深度的土壤，通入与雷电大电流相同波形的小电流，此时没有火花效应发生，测量此时的接地电阻rrx；

ss3：判断rrx与rr是否相等；ss4：若不相等，则改变δa重复步骤ss2、ss3，若相等，则a1=a0+δa。

本发明一种用于评估火花效应对输电线路接地装置冲击接地阻抗影响的方法，采用实验与仿真相结合的思路，能够分析火花效应引起的电感、电阻、电容对输电线路接地装置冲击接地阻抗的影响规律，深入理解火花效应有利于设计更为合理的输电线路接地装置，提高输电线路防雷水平。

附图说明

图1为用于评估火花效应对输电线路接地装置冲击接地阻抗影响的方法流程示意图。

图2（a）为用于计算输电线路接地装置电路模型的电阻、电容、电感有限元几何模型示意图。

图2（b）为用于计算输电线路接地装置电路模型的电阻的电流场物理环境模型示意图。

图2（c）为用于计算输电线路接地装置电路模型的电阻的电场物理环境模型示意图。

图2（d）为用于计算输电线路接地装置电路模型的电阻的磁场物理环境模型示意图。

图3（a）为输电线路接地装置等效为电阻、电容、电感的电路模型示意图。

图3（b）为不考虑火花效应时的电路模型示意图。

图3（c）为考虑火花效应时的电路模型示意图。

图3（d）为只考虑火花效应对电阻影响时的电路模型示意图。

图3（e）为只考虑火花效应对电容影响时的电路模型示意图。

图3（f）为只考虑火花效应对电感影响时的电路模型示意图。

图4（a）为不同情况下雷电流波形示意图。

图4（b）为不考虑火花效应时的输电线路接地电压波形示意图。

图4（c）为考虑火花效应时的输电线路接地电压波形示意图。

图4（d）为只考虑火花效应对电阻影响时的输电线路接地电压波形示意图。

图4（e）为只考虑火花效应对电容影响时的输电线路接地电压波形示意图。

图4（f）为只考虑火花效应对电感影响时的输电线路接地电压波形示意图。

其中：1、输电线路接地装置；2、土壤。

具体实施方式

一种用于评估火花效应对输电线路接地装置冲击接地阻抗影响的方法，

图1为用于评估火花效应对输电线路接地装置冲击接地阻抗影响的方法流程示意图。

s1:将输电线路接地装置等效为电感、电阻串联，再与电容并联的电路模型，如图3（a）所示。

s2：根据实际的输电线路接地装置，建立用于计算输电线路接地装置电路模型的电阻、电容、电感的有限元几何模型，包括输电线路接地装置与土壤区域，此时输电线路接地装置导体的横截面积为a0，如图2（a）所示。

s3：将建立的输电线路接地装置几何模型设置为电流场物理环境，设置源与边界条件，如图2（b）所示，其中电流场物理环境的源是在输电线路接地装置注入电流ii，设置输电线路接地装置电阻率ρ1和土壤的电导率ρ2，设置无穷远的地方为零电位，计算得到输电线路接地装置的电压ui，计算得到此时输电线路接地装置电路模型中的电阻，记为r0。

s4：将建立的输电线路接地装置几何模型设置为电场物理环境，设置源与边界条件，如图2（c）所示，其中电场物理环境的源是在输电线路接地装置设置电压ue，设置输电线路接地装置的介电常数ε1和土壤的介电常数ε2，设置无穷远的地方为零电位，计算得到整个域内的电场分布与总体电场能量ee，计算得到输电线路接地装置等效电路模型中的电容为2*ee/ue²，记为c0。

s5：将建立的输电线路接地装置几何模型设置为磁场物理环境，设置源与边界条件，如图2（d）所示，其中磁场物理环境的源是由电流场物理环境计算得到的电流分布，设置输电线路接地装置的磁导率μ1和土壤的磁导率μ2，设置无穷远的地方磁通密度为0，计算得到整个域内的磁场分布与总体磁场能量em，计算得到输电线路接地装置等效电路模型中的电感为2*em/ii²，记为l0。

s6：将r0、c0、l0设置到电路模型中，如图3（b）所示，并对电路模型施加典型的雷电流波形，电流峰值为i0，如图4（a）所示，仿真分析得到电压峰值u0，如图4（b）所示，定义不考虑火花效应的输电线路接地装置冲击接地阻抗为z0=u0/i0。

s7：输电线路接地发生火花效应时，将输电线路接地装置导体的横截面积等效为a1，其中确定a1的步骤如下：ss1：将导体横截面积为a0的输电线路接地装置埋入指定深度的土壤，通入雷电大电流，测量此时的接地电阻rr；ss2：将导体横截面积增大至a0+δa，制作同样几何结构的输电线路接地装置埋入同样位置和深度的土壤，通入与雷电大电流相同波形的小电流，此时没有火花效应发生，测量此时的接地电阻rrx；ss3：判断rrx与rr是否相等；ss4：若不相等，则改变δa重复步骤ss2、ss3，若相等，则a1=a0+δa。

s8：建立用于计算输电线路接地装置电路模型的电阻、电容、电感的有限元几何模型，包括输电线路接地装置与土壤区域，此时输电线路接地装置导体的横截面积为a1，如图2（a）所示。

s9：将建立的输电线路接地装置几何模型设置为电流场物理环境，设置源与边界条件，如图2（b）所示，其中电流场物理环境的源是在输电线路接地装置注入电流ii，设置输电线路接地装置电阻率ρ1和土壤的电导率ρ2，设置无穷远的地方为零电位，计算得到输电线路接地装置的电压ui，计算得到此时输电线路接地装置电路模型中的电阻，记为r1。

s10：将建立的输电线路接地装置几何模型设置为电场物理环境，设置源与边界条件，如图2（c）所示，其中电场物理环境的源是在输电线路接地装置设置电压ue，设置输电线路接地装置的介电常数ε1和土壤的介电常数ε2，设置无穷远的地方为零电位，计算得到整个域内的电场分布与总体电场能量ee，计算得到输电线路接地装置等效电路模型中的电容为2*ee/ue²，记为c1。

s11：将建立的输电线路接地装置几何模型设置为磁场物理环境，设置源与边界条件，如图2（d）所示，其中磁场物理环境的源是由电流场物理环境计算得到的电流分布，设置输电线路接地装置的磁导率μ1和土壤的磁导率μ2，设置无穷远的地方磁通密度为0，计算得到整个域内的磁场分布与总体磁场能量em，计算得到输电线路接地装置等效电路模型中的电感为2*em/ii²，记为l1。

s12：将r1、c1、l1设置到电路模型中，如图3（c）所示，并对电路模型施加典型的雷电流波形，电流峰值为i1，如图4（a）所示，仿真分析得到电压峰值u1，如图4（c）所示，定义考虑火花效应的输电线路接地装置冲击接地阻抗为z1=u1/i1，计算（z1-z0）/z0得到火花效应对输电线路接地装置冲击接地阻抗的总体影响情况。

s13:将r1、c0、l0设置到电路模型中，如图3（d）所示，并对电路模型施加典型的雷电流波形，电流峰值为ir，如图4（a）所示，仿真分析得到电压峰值ur，如图4（d）所示，此时输电线路接地装置冲击接地阻抗为zr=ur/ir，计算（zr-z0）/z0得到火花效应引起的电阻变化对输电线路接地装置冲击接地阻抗的影响。

s14:将r0、c1、l0设置到电路模型中，如图3（e）所示，并对电路模型施加典型的雷电流波形，电流峰值为ic，如图4（a）所示，仿真分析得到电压峰值uc，如图4（e）所示，此时输电线路接地装置冲击接地阻抗为zc=uc/ic，计算（zc-z0）/z0得到火花效应引起的电容变化对输电线路接地装置冲击接地阻抗的影响。

s15:将r0、c0、l1设置到电路模型中，如图3（f）所示，并对电路模型施加典型的雷电流波形，电流峰值为il，如图4（a）所示，仿真分析得到电压峰值ul，如图4（f）所示，此时输电线路接地装置冲击接地阻抗为zl=ul/il，计算（zl-z0）/z0得到火花效应引起的电感变化对输电线路接地装置冲击接地阻抗的影响。