CN110726881A

CN110726881A - 一种感应雷和直击雷的仿真方法

Info

Publication number: CN110726881A
Application number: CN201910927300.7A
Authority: CN
Inventors: 黄志都; 蒋圣超; 黄锋; 俸波; 唐捷; 莫枝阅
Original assignee: Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2020-01-24

Abstract

本发明公开了一种感应雷和直击雷的仿真方法，涉及输电线路直击雷与感应雷辨识技术领域，根据电磁波传输规律建立解方程，根据实际线路建立仿真模型，通过解方程计算感应雷在输电线路上耦合的行波电流，得到雷击大地仿真技术模型；将直击雷仿真分为雷击避雷器仿真、雷击杆塔仿真和雷击导线仿真；分别对雷击避雷器仿真、雷击杆塔仿真和雷击导线仿真建立EMTP‑ATP仿真模型，并仿真计算相应的输电线路行波电流电磁暂态特征和特征分析。将输电线路监测装置监测记录到的波形与雷击避雷器、雷击杆塔和雷击导线波形特征进行对比，从而得到输电线路遭受到雷击情况。从而能够有效的对感应雷和直击雷进行仿真，且仿真得到的数据方便后续数据处理。

Description

一种感应雷和直击雷的仿真方法

技术领域

本发明涉及输电线路直击雷与感应雷辨识技术领域，尤其涉及一种感应雷和直击雷的仿真方法。

背景技术

雷击过电压分为直击雷过电压和感应雷过电压，直击雷是指雷电直接击中电气设备、线路或建筑物，引起强大的雷电流流过这些物体导致整个***过电压；感应雷是指雷云对地放电过程中，放电通道周围空间的电磁场发生急剧变化，在附近导体上产生感应过电压。

感应雷引起的过电压分为静电感应和电磁感应两个分量。在雷电放电的先导阶段，线路处于雷云及先导通道与大地构成的电场之中。由于静电感应电场将导线上的正电荷吸引到最靠近先导通道的一段导线上，成为束缚电荷。导线上的负电荷被排斥而向两侧运动，经由线路泄漏电导或***中性点进入大地，因先导放电平均发展速度低，束缚电荷的聚集速度也较缓慢，由此呈现的导线电流也很小。在先导放电阶段尽管导线上有了束缚电荷，但它们在导线上各点产生的电场与先导负电荷产生的电场相平衡，结果使导线仍保持低电位。主放电开始以后，先导通道中的负电荷被迅速中和，使导线上的正电荷迅速释放，形成电压波向两侧传播，由于主放电平均发展速度很快，所形成的电压波幅值可能很高，由此形成的过电压即为感应过电压的静电分量。在主放电过程中，伴随着雷电流冲击波，在放电通道周围出现很强的脉冲磁场，根据法拉第电磁感应定理在回路中产生过电压，即为感应雷过电压的电磁感应分量。因此，感应雷和雷击仿真的研究是必须的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种感应雷和直击雷的仿真方法，从而克服了现有没有感应雷和直击雷的仿真的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种感应雷和直击雷的仿真方法，包括以下步骤：

S1、根据电磁波传输规律建立Agrawal方程，当大地为理想大地时，建立解方程，根据实际线路建立仿真模型，通过所述解方程计算感应雷在输电线路上耦合的行波电流，得到雷击大地仿真技术模型；

S2、根据直击雷的特性，将直击雷仿真分为雷击避雷器仿真、雷击杆塔仿真和雷击导线仿真；

S3、分别对所述雷击避雷器仿真、雷击杆塔仿真和雷击导线仿真建立EMTP-ATP仿真模型，仿真计算雷击避雷线时、雷击杆塔时及雷击导线时输电线路行波电流电磁暂态特征，并进行特征分析，仿真计算雷击避雷线时、雷击杆塔时及雷击导线时输电线路行波电流电磁暂态特征，并进行特征分析；

S4、将输电线路监测装置监测记录到的波形与所述S3得到的雷击避雷器、雷击杆塔和雷击导线波形特征进行对比，从而得到输电线路遭受到雷击情况。

进一步的，所述解方程为：

式(1)和式(2)中，

为入射电场在高度h处沿导线方向的水平分量；u^sca(x,t)为散射电压为：为散射电场的垂直分量；

输电线路的总电压为：

u(x,t)＝u^sca(x,t)+u^mc(x,t) (3)

解方程的边界条件为：

u^sca(0,t)＝-Z₁i(0,t)-u^mc(0,t) u^sca(L,t)＝Z₂i(L,t)-u^mc(L,t) (4)。

进一步的，所述雷击避雷器的波形特征为：行波电流主波和第一个反射波幅值大小近似，且极性相反。

进一步的，所述雷击杆塔的波形特征为：行波电流主波较大，反射波很快变小。

进一步的，所述雷击导线的波形特征为：行波电流的幅值较大，波前较陡，波尾较缓。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所提供的一种感应雷和直击雷的仿真方法，根据电磁波传输规律建立Agrawal方程，当大地为理想大地时，建立解方程，根据实际线路建立仿真模型，通过所述解方程计算感应雷在输电线路上耦合的行波电流，得到雷击大地仿真技术模型；根据直击雷的特性，将直击雷仿真分为雷击避雷器仿真、雷击杆塔仿真和雷击导线仿真；所述雷击避雷器仿真、雷击杆塔仿真和雷击导线仿真分别通过建立EMTP-ATP仿真模型，仿真计算雷击避雷线时、雷击杆塔时及雷击导线时输电线路行波电流电磁暂态特征，并进行特征分析。将输电线路监测装置监测记录到的波形与所述S3得到的雷击避雷器、雷击杆塔和雷击导线波形特征进行对比，从而得到输电线路遭受到雷击情况。从而能够有效的对感应雷和直击雷进行仿真，且仿真得到的数据方便后续数据处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种感应雷和直击雷的仿真方法的流程图；

图2是本发明的雷击大地仿真模型；

图3是本发明的雷击大地仿真计算模型；

图4是本发明的雷击避雷线仿真波形图；

图5是本发明的雷击避雷线实测波形图；

图6是本发明的雷击杆塔仿真波形图；

图7是本发明的雷击杆塔实测波形图；

图8是本发明的雷击导线仿真波形图；

图9是本发明的雷击导线实测波形图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所提供的感应雷和直击雷的仿真方法包括以下步骤：

S1、当雷击输电线路旁大地时，由于电磁耦合作用，在输电线路上同样会产生行波电流，根据电磁波传输规律建立Agrawal方程，当大地为理想大地时，建立解方程，本实施例根据220kV输电线路建立仿真模型如图2所示，通过解方程计算感应雷在输电线路上耦合的行波电流，得到雷击大地仿真技术模型如图3所示。

解方程为：

式(1)和式(2)中，

为入射电场在高度h处沿导线方向的水平分量；u^sca(x,t)为散射电压为：

为散射电场的垂直分量；

输电线路的总电压为：

u(x,t)＝u^sca(x,t)+u^mc(x,t) (3)

解方程的边界条件为：

u^sca(0,t)＝-Z₁i(0,t)-u^mc(0,t) u^sca(L,t)＝Z₂i(L,t)-u^mc(L,t) (4)。

根据建立的Agrawal模型(图2)可以看出，不考虑输电线路损耗的情况下，输电线路上产生的感应雷电流点距离地闪点越远幅值越大，超过一定距离后幅值大小趋于定值。

S3、分别对雷击避雷器仿真、雷击杆塔仿真和雷击导线仿真建立EMTP-ATP仿真模型，仿真计算雷击避雷线时、雷击杆塔时及雷击导线时输电线路行波电流电磁暂态特征，并进行特征分析，仿真计算雷击避雷线时、雷击杆塔时及雷击导线时输电线路行波电流电磁暂态特征，并进行特征分析。

S4、将输电线路监测装置监测记录到的波形与所述S3得到的雷击避雷器、雷击杆塔和雷击导线波形特征进行对比，从而得到输电线路遭受到雷击情况，方便后续检查、维修等。

建立EMTP-ATP仿真模型仿真计算雷击避雷线时输电线路行波电流电磁暂态特征，如图4仿真波形所示，结合图5雷击碑林区实测波形分析得到，雷击避雷线后在输电线路上感应出的行波电流主波和第一个反射波幅值大小近似，且极性相反，第一个反射波不可能向。

建立EMTP-ATP仿真模型仿真计算雷击杆塔时输电线路行波电流电磁暂态特征，如图6仿真波形所示，雷击杆塔后在输电线路上感应处的行波电流主波较大，反射波很快变小，可能出现同向的反射波。进一步根据GPS时钟对比雷电定位***数据(图7)，确定监测装置记录到的波形是雷击杆塔波形。

通过EMTP-ATP仿真雷击导线仿真模型(如图8所示)，当雷电绕击输电线路导线时，输电线路上会产生幅值较大，波前较陡，波尾较缓的行波电流。通过图9所示，在运行现场中同样捕获到相应特征的波形。

综上，本发明一种感应雷和直击雷的仿真方法，能够有效的对感应雷和直击雷进行仿真，且仿真得到的数据方便后续数据处理。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种感应雷和直击雷的仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

S3、分别对所述雷击避雷器仿真、雷击杆塔仿真和雷击导线仿真建立EMTP-ATP仿真模型，仿真计算雷击避雷线时、雷击杆塔时及雷击导线时输电线路行波电流电磁暂态特征，并进行特征分析；

2.根据权利要求1所述的感应雷和直击雷的仿真方法，其特征在于：所述解方程为：

式(1)和式(2)中，

为散射电场的垂直分量；

输电线路的总电压为：

u(x,t)＝u^sca(x,t)+u^mc(x,t) (3)

解方程的边界条件为：

u^sca(0,t)＝-Z₁i(0,t)-u^mc(0,t) u^sca(L,t)＝Z₂i(L,t)-u^mc(L,t) (4)。

3.根据权利要求1所述的感应雷和直击雷的仿真方法，其特征在于：所述雷击避雷器的波形特征为：行波电流主波和第一个反射波幅值大小近似，且极性相反。

4.根据权利要求1所述的感应雷和直击雷的仿真方法，其特征在于：所述雷击杆塔的波形特征为：行波电流主波较大，反射波很快变小。

5.根据权利要求1所述的感应雷和直击雷的仿真方法，其特征在于：所述雷击导线的波形特征为：行波电流的幅值较大，波前较陡，波尾较缓。