一种避雷线热烧蚀数值建模方法、系统、介质及设备

本发明属于运动建模，具体地说，涉及一种避雷线热烧蚀数值建模方法、系统、介质及设备。

背景技术：

1、为了避免架空导线遭受雷击，在工程中，通常会在架空输电线路的顶端架设避雷线。然而，在线路的日常运维过程中发现，雷击有时会对避雷线的线股造成热烧蚀，进而导致材料钢暴露于外界环境。在这种情况下，钢容易发生腐蚀,这导致了避雷线的机械强度以及使用寿命的降低，严重威胁着输电网络的安全运行。因此，有必要对雷击避雷线的热烧蚀机理开展研究。

2、在雷击避雷线的热烧蚀机理领域，国内外均开展了一些研究。这些研究对雷击避雷线的热烧蚀机理进行了阐述：当雷击避雷线时，雷电弧会通过其弧根部分向避雷线注入能量，导致避雷线的温度升高，进而发生熔化和汽化，形成热烧蚀。雷电弧根向避雷线注入的能量可以进一步分为两部分，其一是雷电流流过避雷线时产生的焦耳热，其二是高温雷电弧与避雷线中间的热传导。上述研究在分析雷击避雷线的温升过程时，基本都假定雷电弧根的位置固定不动。然而，在实际雷击避雷线过程中，雷电弧根会在风载荷、电磁力等因素的作用下沿着避雷线发生滑行运动。与弧根位置固定的情况相比，运动的雷电弧根将引起更大面积的热烧蚀。因此，有必要对计及雷电弧根运动的热烧蚀机理进行研究。

3、为了对热烧蚀机理进行研究，首先需要对避雷线的雷击热烧蚀进行准确评估。目前常见的热烧蚀评估方法包括实验法和数值法。实验法具有全面客观的优点。然而，实验室的设备容量不支持对同时具有大电流和大电压特征的自然雷击进行模拟。考虑到实验法的局限性，现有的雷击热烧蚀研究更偏向于采用数值法。数值法的基本步骤是：首先结合相关的物理学方程和边界条件，对雷击避雷线过程进行数学建模；然后，通过计算机程序等方法对方程进行数值求解；最终，计算得到避雷线的温度时空分布情况。但现有研究在使用数值法时忽略了雷电弧根的滑行运动，仅仅把弧根建模为一个固定不动的热源。如何将雷电弧根的滑行运动耦合到热烧蚀评估的数值法中，是本文亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种避雷线热烧蚀数值建模方法，实现雷电弧根滑行运动与通用电热耦合电场求解的耦合，提高了对避雷线热烧蚀评估的准确性。

2、本发明的第二目的在于提供一种避雷线热烧蚀数值建模系统。

3、本发明的第三目的在于提供一种存储介质。

4、本发明的第四目的在于提供一种计算设备。

5、本发明的目的通过下述技术方案实现：一种避雷线热烧蚀数值建模方法，包括步骤：

6、s1、设定总仿真时间t，将总仿真时间t均分为若干个时间段tk，k∈1…n，n为自然数；

7、s2、以避雷线为x轴，以避雷线的一端为x＝0，将雷电弧根等效为紧贴避雷线的圆柱体，构建雷击避雷线的三维几何模型；以避雷线的轴线为x轴，以垂直于地面的向量为y轴，建立坐标系，将雷电弧均分为若干个圆柱形的电流微元，构建雷击避雷线的二维几何模型；

8、s3、在时间段tk的起始时刻，设置三维几何模型和二维几何模型中雷电弧根的初始位置，设置三维几何模型的边界条件；

9、s4、基于三维几何模型构建通用电热耦合场模型，结合步骤s3中边界条件计算得到时间段tk的结束时刻避雷线的温度时空分布；

10、s5、基于二维几何模型构建雷电弧链式模型，并计算雷电弧根对应电流微元在时间段tk内的滑行位移，得到时间段tk的结束时刻雷电弧根的位置；

11、s6、判断各时间段tk的累加和是否达到总仿真时间t：

12、若否，进入下一个时间段：tk＝tk+1，根据步骤s5中雷电弧根的位置更新步骤s3中雷电弧根的初始位置，并结合步骤s4中避雷线的温度时空分布，更新步骤s3中边界条件，重复步骤s3至步骤s5；

13、若是，则汇总各时间段内避雷线的温度时空分布，得到总仿真时间内避雷线的温度时空分布情况；

14、s7、根据总仿真时间内避雷线的温度时空分布情况，评估避雷线热烧蚀情况。

15、优选的，步骤s3具体包括以下步骤：

16、s31、设三维几何模型中雷电弧根的初始位置为x＝dk；设二维几何模型中雷电弧根对应的电流微元的坐标为(x＝dk，y＝0)；

17、s32、设三维几何模型的边界条件：以所述圆柱体的顶端为边界γ1，避雷线的两端为边界γ2，除了边界γ1及边界γ2外的避雷线的表面为其他边界，

18、电学边界条件为：边界γ1为注入雷电流i(t)，其中雷电流i(t)根据实际雷电流的观测数据确定，边界γ2设置为接地：v＝0，v为电势，其他边界设置为电绝缘：其中，j为电流密度，为梯度符号，

19、热学边界条件为：边界γ1为雷电弧根的热流密度，边界γ2为热绝缘：q＝0，其中q为热流密度，且温度为避雷线的初始温度；其他边界为热绝缘：q＝0。

20、优选的，步骤s4具体包括以下步骤：

21、s41、根据能量平衡方程、弧根热量方程及电学方程，构建通用电热耦合场模型：

22、能量平衡方程反映避雷线内部热传导过程，如下：

23、

24、其中，ρ为避雷线材料的密度，c为比热容，k为传热系数和σ为电导率，θ为避雷线的温度，t为时间；

25、弧根热量方程反映雷电弧根的温度变化，如下：

26、

27、其中，qγ1为流过雷电弧根的热流密度，kb为玻尔兹曼常数，e为电子电荷量，θarc为雷电弧表面的温度，θogw为避雷线表面的温度，uanode为阳极压降，wogw为避雷线表面的逸出功；

28、电学方程如下：

29、

30、j＝σe，式(4)

31、

32、其中，j是电流密度，δv是电势的梯度，e为电场强度，q为电荷量；

33、s42、结合步骤s3中边界条件，通过仿真软件联立式(1)至式(5)计算，得到时间段tk的结束时刻避雷线的时空温度分布。

34、优选的，步骤s5具体包括以下步骤：

35、s51、根据雷电弧根的受力方程，构建雷电弧链式模型，如式(6)所示，根据此受力方程计算雷电弧根对应电流微元的滑行速度v：

36、

37、其中，r为雷电弧根对应电流微元的半径，l为雷电弧根对应电流微元的长度，m为雷电弧根对应电流微元的质量，vwind为风速，b为磁感应强度，ρ为空气密度，g为重力加速度，cd为空气阻力系数；

38、s52、将时间段tk均分为若干个时间步长δt，在一个时间步长δt内，设雷电弧根对应电流微元的滑行速度v保持不变，计算雷电弧根对应电流微元的滑行位移δx，如式(7)所示：

39、

40、更新雷电弧根对应电流微元的位置，如式(8)所示：

41、

42、其中，(xi,yi)为第i个电流微元的坐标，δxi为第i个电流微元在时间步长δt内的滑行位移，δxi,x为δxi在x轴上的投影，δxi,y为δxi在y轴上的投影，各符号的上标“t”和“t+1”分别代表t时刻和t+δt时刻；

43、s53、重复上述步骤s51至步骤s52，直至各时间步长δt的累加和等于时间段tk，输出雷电弧根对应电流微元在时间段tk的总滑行位移xroot，如式(9)所示：

44、

45、其中，δxtroot为雷电弧根对应电流微元在时间步长δt内的滑行位移，δxtroot,x为δxtroot在x轴上的投影；

46、s54、结合步骤s3中雷电弧根的初始位置，得到时间段tk结束时刻雷电弧根的位置d′k，如式(10)所示，

47、d′k＝dk+xroot，式(10)

48、其中，dk为时间段tk起始时刻雷电弧根的初始位置。

49、优选的，步骤s6具体包括步骤：

50、当各时间段的累加和未达到总仿真时间：t1+t2+…+tn＜t，进入下一个时间段tk+1：

51、将时间段tk的结束时刻雷电弧根的位置d′k，设为时间段tk+1开始时刻雷电弧根的初始位置；

52、根据时间段tk+1开始时刻雷电弧根的初始位置并结合时间段tk的结束时刻避雷线的时空温度分布情况，更新步骤s3中边界条件；

53、重复步骤s3至步骤s5，直至各时间段的累加和达到总仿真时间t1+t2+…+tn＝t，结束循环，输出总仿真时间内避雷线的时空温度分布情况。

54、优选的，步骤s7具体包括：

55、通过仿真软件计算热烧蚀率p，根据热烧蚀率评估避雷线的热烧蚀情况，如式(11)所示，

56、

57、其中，vogw为避雷线建模的体积，vmelt为温度高于避雷线材料熔点的避雷线的体积。

58、一种避雷线热烧蚀数值建模系统，包括：

59、时间划分模块，用于设定总仿真时间t，将总仿真时间t均分为若干个时间段tk，k∈1…n，n为自然数；

60、几何模型建立模块，用于以避雷线为x轴，以避雷线的一端为x＝0，将雷电弧根等效为紧贴避雷线的圆柱体，构建雷击避雷线的三维几何模型；以避雷线的轴线为x轴，以垂直于地面的向量为y轴，建立坐标系，将雷电弧均分为若干个圆柱形的电流微元，构建雷击避雷线的二维几何模型；

61、初始化模块，用于在时间段tk的起始时刻，设置三维几何模型和二维几何模型中雷电弧根的初始位置，设置三维几何模型的边界条件；

62、通用电热耦合场求解模块，用于基于三维几何模型构建通用电热耦合场模型，结合初始化模块中边界条件计算得到时间段tk的结束时刻避雷线的温度时空分布；

63、雷电弧根滑行运动模块，用于基于二维几何模型构建雷电弧链式模型，并计算雷电弧根对应电流微元在时间段tk内的滑行位移，得到时间段tk的结束时刻雷电弧根的位置；

64、耦合模块，用于当各时间段tk的累加和未达到总仿真时间t，进入下一个时间段：tk＝tk+1，根据雷电弧根滑行运动模块中雷电弧根的位置更新初始化模块中雷电弧根的初始位置，并结合通用电热耦合场求解模块中避雷线的温度时空分布，更新初始化模块中边界条件，重复运行初始化模块至雷电弧根滑行运动模块；当各时间段tk的累加和达到总仿真时间t，汇总各时间段内避雷线的温度时空分布，得到总仿真时间内避雷线的温度时空分布情况；

65、热烧蚀评估模块，用于根据总仿真时间内避雷线的温度时空分布情况，评估避雷线热烧蚀情况。

66、优选的，所述热烧蚀评估模块具体包括：

67、计算模块，用于通过仿真软件计算热烧蚀率p，根据热烧蚀率评估避雷线的热烧蚀情况，如式(11)所示，

68、

69、其中，vogw为避雷线建模的体积，vmelt为温度高于避雷线材料熔点的避雷线的体积。

70、一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述的所述的一种避雷线热烧蚀数值建模方法。

71、一种计算设备，包括处理器及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述的所述的一种避雷线热烧蚀数值建模方法。

72、本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

73、(1)本发明通过把总的仿真时间划分为若干个时间段进行离散求解，每个时间段内，分别通过雷电弧链式模型计算雷电弧根在避雷线上滑行运行位移，输出本次时间段结束时刻雷电弧根的位置，此雷电弧根的位置用于更新通用电热耦合场模型的边界条件，实现把雷电弧根滑行运动耦合到数值求解的过程中，实现两个模型之间的深度交互，与基于传统的电热耦合场模型数值法相比，考虑了雷电弧根滑行运动的影响，提高了避雷线热烧蚀评估的准确性。

74、(2)本发明的一种避雷线热烧蚀数值建模系统，在一个时间段内，依次运作初始化模块、通用电热耦合场求解模块、雷电弧根运动模块及耦合模块，初始化模块输出本时间段的起始时刻的初始位置和边界条件，通用电热耦合场求解模块计算输出避雷线的温度时空变化，雷电弧根运动模块计算输出雷电弧根的位置，耦合模块中根据雷电弧根的位置更新初始位置并根据避雷线的温度时空变化更新边界条件，再进入下一个时间段的计算分析，考虑了雷电弧根的滑动运动对避雷线的温度变化影响，使得建模及计算更贴合真实的雷击避雷线物理过程，同时规避了雷电弧根对应的圆柱体的实时变化对数值求解的影响。

75、(3)本发明提出了避雷线热烧蚀的评估指标为热烧蚀率，根据通用电热耦合场模型得到的避雷线温度时空分布情况，通过仿真软件计算热烧蚀率，实现了避雷线热烧蚀的定量评估，对于评估避雷线的使用寿命具有重要的参考意义。