分叉雷引起输电线路雷击间接击穿故障的仿真方法与流程

本发明涉及一种分叉雷引起输电线路雷击间接击穿故障的仿真方法，属于输电线路防雷技术领域。

背景技术：

雷电流会产生强烈的电磁场、热效应与应力作用，对输电线路及电气设备产生恶劣影响。由于雷电过程的复杂性以及造成雷击事故的原因多种多样，为了能掌握雷电特性准确分析雷电发展过程，目前大量采用雷电定位系统、雷电流和雷电过电压监测系统来记录故障波形，辅助雷击故障查找和识别。

国内外对于雷电过电压均作了大量的理论研究，建立了大量雷电过电压仿真模型，并基于仿真分析雷电冲击对超高速暂态保护和耐雷性能的影响，及对于短路故障的特征进行识别研究。上世纪80年代起，我国电网开始研究雷电监测技术，开发和建设雷电定位系统，目前已经在全国范围内建成电网雷电监测网，为实现雷击故障快速定位、雷击事故鉴别、雷电参数统计、防雷水平评估和雷电预警提供了可靠的平台。近年来从电磁场理论对雷击杆塔塔顶产生的感应过电压、反击过电压进行了计算和分析，对防雷计算和防雷设计的依据进行了补充。为了对线路雷击事故的性质进行深入研究，结合在线监测系统提供的监测数据，研究自动识别和诊断系统对雷击过电压的类型进行自动识别和诊断，并根据诊断结果采取过电压快速响应抑制的措施。

实际运行中，输电线路落雷点不可能全部集中在导线、避雷线与杆塔上，因此雷击的研究具有复杂性、不确定性。目前已有的研究大多是针对直接击穿的雷击，专门针对间接击穿的研究很少。两种击穿方式对电力系统的影响也不尽相同，间接击穿情况下会对线路产生隐患，但引起线路跳闸的几率比直接击穿小。在雷击故障特征方面，间接击穿也有别于直接击穿。

分叉雷就是雷击地面时，由于长空气间隙放电的随机性，雷电先导在下行发展过程中可能在电场强度相近的几个方向上同时出现多条分支先导，并同时击中多个地面物体的情况。由于分叉雷的特殊性，目前缺乏针对分叉雷雷击故障的研究，因此，需要提出一种分叉雷引起输电线路雷击间接击穿故障的仿真方法。

技术实现要素：

针对目前研究存在的不足，本发明提出了一种分叉雷引起输电线路雷击间接击穿故障的仿真方法，其能够对分叉雷引起输电线路雷击间接击穿的故障进行有效判别。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

本发明实施例提供的一种分叉雷引起输电线路雷击间接击穿故障的仿真方法，包括以下步骤：

建立输电线路模型：所述输电线路由送端变电站供电，经输电线路，把电能输送到受端变电站，输电线路每隔几百米由杆塔架设；

建立雷电通道模型：利用r-c支路等效雷电先导通道对地的放电过程；

建立仿真模型：模拟真实输电线路由分叉雷引起间接击穿的过程。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述输电线路模型包括传输线几何尺寸和导体数据。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述雷电通道模型为雷电先导沿通道向下运动时将电荷存储在通道中，等效于电路中的储能元件电容上有能量储存，当雷电先导电晕的流注到达地面时，放电的最后阶跃开始，当回击向上发展，通道中的电荷对地放电相当于换路瞬间储存的能量通过电路中的电阻以热能形式放出。

作为本实施例一种可能的实现方式，在雷电通道模型中，雷击导线电压u由下式估算：

式中i为雷电流大小，z为雷电通道波阻抗。

作为本实施例一种可能的实现方式，基于atp-emtp建立仿真模型。

作为本实施例一种可能的实现方式，利用j.marti模型建立输电线路模型。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述仿真模型不涉及杆塔。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述输电线路不考虑中转变电站。

本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

本发明实施例的技术方案能够定量计算分叉雷在输电线路上产生的放电脉冲的幅值，在实际运行中可辅助判断故障性质，对分叉雷引起输电线路雷击间接击穿的故障进行有些预防，避免了分叉雷间接击穿情况下对线路产生的隐患。

附图说明：

图1是根据一示例性实施例示出的一种分叉雷引起输电线路雷击间接击穿故障的仿真方法的流程图；

图2是一种分叉雷放电过程示意图；

图3是一种雷电通道等效电路图；

图4是一种分叉雷引起输电线路间接击穿仿真模型示意图；

图5是一种同塔双回线路几何尺寸示意图；

图6是一种故障相b相电流示意图；

图7是一种故障时刻三相电流示意图；

图8是一种故障时刻三相电压示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

图1是根据一示例性实施例示出的一种分叉雷引起输电线路雷击间接击穿故障的仿真方法的流程图。如图1所述，本发明实施例提供的一种分叉雷引起输电线路雷击间接击穿故障的仿真方法，包括以下步骤：

建立输电线路模型：所述输电线路由送端变电站供电，经输电线路，把电能输送到受端变电站，输电线路每隔几百米由杆塔架设；

建立雷电通道模型：利用r-c支路等效雷电先导通道对地的放电过程；

建立仿真模型：模拟真实输电线路由分叉雷引起间接击穿的过程。

本发明能定量计算分叉雷在输电线路上产生的放电脉冲的幅值，在实际运行中可辅助判断故障性质。

1.分叉雷引起输电线路间接击穿的特点

分叉雷就是雷击地面时，由于地面附近聚集电荷的特殊性，引起雷电流分叉，从而在地面形成两个放电点。如图2所示。

如图2所示，雷电先导在下行趋近地面的过程中产生了多个分支，其中一个先导分支i击中线路的某一相，另外一个先导分支ⅱ击中大地，这两个分支之间形成了导线对地的工频放电通道。但由于该电弧放电通道较长，弧阻较高，不能形成稳定的工频电弧，导致放电通道熄灭。此过程在线路导线上形成的短时放电脉冲，引起两侧差流较大而电流差动保护动作跳闸。由于遭受雷击后，内部暂时未形成相应的雷电通道，绝缘子未被击穿，因此为间接击穿。

分叉雷引起线路间接击穿时，雷电流一般小于线路绕击耐雷水平，而且工频续流通道不稳定，容易熄灭，因此线路上不会有明显放电痕迹。

2.仿真模型的建立

本发明基于atp-emtp建立仿真模型，模拟真实输电线路由分叉雷引起间接击穿的过程。由于故障电流不经过杆塔，因此模型中不涉及杆塔。故障触发采用时控开关。

真实的输电线路结构为：输电线路由送端变电站供电，经输电线路，把电能输送到受端变电站，输电线路每隔几百米由杆塔架设。实际中为了减少电能损耗，会建设中转变电站。本模型不考虑中转变电站，本模型包括送端电源模型、输电线路模型和雷击通道模型。

(1)输电线路模型

仿真需要详细的传输线几何尺寸和导体数据。在电磁暂态计算中，线路参数随频率的变化影响电磁暂态过程。j.marti线路等值模型在暂态计算中相对较稳定，在接地故障等主频率集中计算时，其计算精度偏差相对较小，因此线路模型选取j.marti线路等值模型。

(2)雷电通道模型

先导沿通道向下运动时将电荷存储在通道中，等效于电路中的储能元件电容上原来就有能量储存，当先导电晕的流注到达地面时，放电的最后阶跃开始。当回击向上发展，通道中的电荷对地放电相当于换路瞬间储存的能量通过电路中的电阻以热能形式放出。故可用r-c支路等效先导通道对地的放电过程，如图3所示。

电容c的电压为雷击导线时导线的电压，雷击导线电压可由下式估算：

式中i为雷电流大小，z为雷电通道波阻抗。

根据gb/t50064-2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》的规定，当雷电流小于20ka时，雷电通道波阻抗大于1000欧姆，当雷电流在20-40ka时，雷电通道波阻抗大约为600-1000欧姆。

(3)仿真模型

仿真模型如图4所示，lcc为线路元件，u1和u2为线路送端电源，linez-t为abc三相导线阻抗，linez为地线阻抗，u(0)为充电电容，r为雷电通道阻抗，g为时控开关，i为电流探测器，v为电压探测器。

实施方案

以1000kv输电线路，雷击b相导线为例进行说明，分叉雷雷电流大小为30ka。1000kv线路的绕击耐雷水平约40ka，不会引起线路绕击跳闸。

(1)线路参数

同塔双回输电线路，导线布置如图5所示，导线采用8×jl1/lha1-465/210，地线采用opgw-185，子导线计算半径为210mm,八分裂，分裂间距400mm,导线对地高度84m，各相水平排列。

(2)雷电通道参数

雷电流为30ka，雷电通道波阻抗取800欧姆，电容c初始电压为6000kv。

(3)电源为1000kv交流电源。

(4)雷击b相短路时刻导线电压电流波形，如图6至图8所示。

故障相b相电流在雷击短路时刻迅速增大，幅值为4.5ka，约1ms后恢复。ac相电流由于电磁感应有轻微波动，约1ms后恢复。三相电压都因为b相短路而波动，约1ms后恢复。线路导线上4.5ka的短时放电脉冲会引起保护动作跳闸，故障在1ms后消失，线路重合闸成功。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视作为本发明的保护范围。