CN104834767B - 一种基于幅频特性分析的电感型限流避雷针的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于幅频特性分析的电感型限流避雷针的设计方法，针对典型雷电流波形开展频谱特性分析；假设电感型限流避雷针高频下的链式等效电路已知，分析等效电路的幅频响应特性；假设典型雷电流波形通过电感型限流避雷针的链式等效电路，分析其输出雷电流频谱特性、雷电流幅值和雷电流波前陡度等改变及其与链式等效电路幅频响应特性之间的关系及其影响因素；分析影响输入输出雷电流电流幅值和波前陡度变化的链式等效电路参数，结合幅频响应特性给出较优的参数设计范围；由设计的链式等效电路参数，结合有限元分析，设计出结构、尺寸和材料合理的电感型限流避雷针设计方案。

Description

一种基于幅频特性分析的电感型限流避雷针的设计方法

技术领域

本发明涉及输电线路防雷领域，特别涉及一种基于幅频特性分析的电感型限流避雷针的设计方法。

背景技术

雷击跳闸是我国输电线路跳闸故障的主要原因之一。随着人们对输电线路雷电机理及其防护方法研究的深入，输电线路防雷技术取得了丰富的研究成果，在一定程度上降低了输电线路的雷害事故。但是，随着电力设备和保护装置等技术的完善，雷击输电线路导致的线路跳闸仍然是我国输电线路故障的主要原因，提高输电线路性能对***的安全稳定运行有着十分重要的意义。

近年来，以降低雷电流陡度和幅值进而降低雷害事故的电感型限流避雷针受到了关注。目前其研究工作主要从“电路”角度建模和分析其限流效果和防雷机理。实际上，“电路”模型是“电磁场场”问题的近似，特别是施加快速变化雷电流的电感线圈，必须对其“电磁场”问题充分研究才能得到准确的“电路”模型。现有“电路”模型在解释电感型限流避雷针防雷原理时存在不足。因此不能证明电感型电流避雷针的基本防雷原理及其防雷效果，更加没有优化设计方法的提出。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种基于幅频特性分析的电感型限流避雷针的设计方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于幅频特性分析的电感型限流避雷针的设计方法，包括如下步骤：

S1统计分析典型雷电流波形的频谱特性，确定其频谱分布范围，所述典型雷电流波形包括2.6/50双指数波/斜角波、CIGRE波形或Heidler波形；

S2设一典型电感型限流避雷针的LC链式等效电路已知，然后用电路分析软件其幅频响应特性；

S3采用电磁暂态分析软件，将S1中的典型雷电流的波形注入到S2中LC链式等效电路，分析输出雷电流频谱特性、幅值及陡度变化与LC链式电路幅频特性之间的关系；

S4改变LC链式等效电路的参数L和C，进而改变其幅频响应特性，确定关键影响因素，同时修订等效电路参数以降低雷电流陡度，并将修订后的参数反馈给S2；

S5重复S2-S4，直到LC链式等效电路能使雷电流的幅值和陡度均降低10％以上，进入S6；

S6采用电磁暂态仿真分析软件对能使雷电流的幅值和陡度均降低10％以上的等效电路建立电磁暂态仿真程序，所述电磁暂态仿真程序包括建立输电线路、雷电流、杆塔及绝缘子的雷电仿真分析模型，分别仿真分析在杆塔顶部装设和未装设上述电感型限流避雷针线路的反击耐雷水平；

S7如果反击耐雷水平没有达到用户要求，继续调整LC链式等效电路的参数，而降低雷电流陡度和峰值，重复S2-S6，达到用户要求时停止，得到最终的LC链式等效电路。

将最终的LC链式等效电路的参数，结合有限元分析反向推出电感型限流避雷针的结构。

所述S2中幅频响应特性确定其放大或衰减频段分布及放大和衰减倍数。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供了基于雷电流频谱分布，采用电感型限流避雷针链式等效电路的频谱响应特性分析其对典型雷电流波的放大和衰减频段、放大和衰减倍数的关系，确定链式等效电路参数与降低雷电流幅值、陡度之间的关系及其影响因素；

(2)本发明提供了采用电磁暂态该仿真程序(如PSCAD/EMTDC、ATP/EMTP等)，基于电感型限流避雷针链式等效电路模型、雷电流模型、杆塔模型、输电线路模型等，建立输电线路反击耐雷水平计算程序，仿真分析已验证电感型限流避雷针的引入在提高输电线路反击耐雷水平方面的防雷效果；

(3)本发明提供了采用频谱特性分析及幅频响应特性分析的电感型先流避雷针的优化设计方法，并基于电磁暂态仿真分析验证了其防雷效果；

(4)本发明提供了一种降低雷电流陡度和幅值进而降低输电线路雷害事故的电感型限流避雷针的优化设计方法，提供了切实可行的设计步骤，增加了电力***新的防雷措施，有利于降低输电线路雷害事故提高电网运行的安全可靠性。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2(a)是典型雷电流波形图,图2(b)是典型雷电流波形的频谱分析；

图3(a)是本实施例中LC链式等效电路，图3(b)是图3(a)幅频响应特性；

图4是本发明双指数波经过电感型限流避雷针后得到的滤波波形。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种基于幅频特性分析的电感型限流避雷针的设计方法，包括下述步骤：

S1统计分析典型雷电流波形的频谱特性，确定其频谱分布范围，所述典型雷电流波形包括2.6/50双指数波/斜角波、CIGRE波形或Heidler波形，如图2(a)-图2(b)所示；不同地区典型雷电流波形有差异，可以结合设计地区实际情况选取合理雷电流波形，本设计方法均使用。

S2假设一典型电感型限流避雷针的LC链式等效电路已知，用电路分析软件搭建典型电感型限流避雷针的LC链式等效电路，如图3(a)；并分析其幅频响应特性，如图3(b)，所谓典型是指其电气特征可用RLC等值电路表达的避雷针模型，本步骤等效电路中LC均为标准参数。

S3采用电磁暂态分析软件，将S1中的典型雷电流的波形注入到S2中LC链式等效电路，分析输出雷电流频谱特性、幅值及陡度变化与LC链式电路幅频特性之间的关系；

S4改变LC链式等效电路的参数L和C，进而改变其幅频响应特性，如调整L大小将截止频率向高频或低频移动，观测放大频段和截止频段的移动、放大倍数与衰减倍数的变化以及输出雷电流幅值和陡度的变化关系，如图4。确定关键影响因素，同时修订等效电路参数以降低雷电流陡度，并将修订后的等效电路参数反馈给S2；

本步骤利用控制变量法，观察多种LC组合的幅频相应特性，其目的为，确认雷电流影响较大的因素，然后找出最有利于降低雷电流陡度的LC组合，找出这个LC组合后，再将参数反馈S2步骤。

S5重复S2-S4，直到LC链式等效电路能使雷电流的幅值和陡度均降低10％以上，然后进入S6，最终设计出具有较佳效果的的电感型限流避雷针；

S6采用电磁暂态仿真分析软件对能使雷电流的幅值和陡度均降低10％以上的等效电路建立电磁暂态仿真程序，所述电磁暂态仿真程序包括建立输电线路、雷电流、杆塔及绝缘子的雷电仿真分析模型，分别仿真分析在杆塔顶部装设和未装设上述电感型限流避雷针线路的反击耐雷水平,，线路反击耐雷水平结果见表1所示，其中方案1-4分别表示等效电路的匝间电容分别是标准模型的2倍、2.5倍、4倍以及4.5倍。

表1 线路反击耐雷水平验证结果(kA)

若计算出有效果的链式等效电路参数，结合有限元分析，反推出电感型限流避雷针的实际结构、尺寸和材料，已确定其设计方案；若该设计方案在制造工艺或材料选型中没有困难，则提出为最终实际结构的设计方案；若该设计方案在制造工艺或材料选型中有困难，则结合实际情况修订方案、计算等效的链式等效电路参数并重新由S1-S6验证防雷效果。

针对不同电压等级、不同结构和回路数的输电线路，均可使用上述设计方法，设计出可以满足不同输电线路需求的电感型限流避雷针。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于幅频特性分析的电感型限流避雷针的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1统计分析典型雷电流波形的频谱特性，确定其频谱分布范围，所述典型雷电流波形包括2.6/50双指数波/斜角波、CIGRE波形或Heidler波形；

S2设一典型电感型限流避雷针的LC链式等效电路已知，然后用电路分析软件分析其幅频响应特性；

S3采用电磁暂态分析软件，将S1中的典型雷电流的波形注入到S2中LC链式等效电路，分析输出雷电流频谱特性、幅值及陡度变化与LC链式等效电路幅频响应特性之间的关系；

S4改变LC链式等效电路的参数L和C，进而改变其幅频响应特性，确定关键影响因素，同时修订等效电路参数L和C以降低雷电流陡度，并将修订后的参数L和C反馈给S2；

S5重复S2-S4，直到LC链式等效电路能使雷电流的幅值和陡度均降低10％以上，进入S6；

S6采用电磁暂态仿真分析软件对能使雷电流的幅值和陡度均降低10％以上的等效电路建立电磁暂态仿真程序，所述电磁暂态仿真程序包括建立输电线路、雷电流、杆塔及绝缘子的雷电仿真分析模型，分别仿真分析在杆塔顶部装设和未装设上述电感型限流避雷针线路的反击耐雷水平；

S7如果反击耐雷水平没有达到用户要求，继续调整LC链式等效电路的参数，而降低雷电流陡度和峰值，重复S2-S6，达到用户要求时停止，得到最终的LC链式等效电路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将最终的LC链式等效电路的参数，结合有限元分析反向推出电感型限流避雷针的结构。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2中幅频响应特性确定LC链式等效电路放大或衰减频段分布及放大和衰减倍数。