CN113468789B - 一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种雷击作用下的地线‑线夹组件温升模拟方法，属于输电线路检修技术领域。本方法步骤包括：构建包括A分量和C分量的雷电流模型和遵循高斯分布的热源模型，构建地线‑悬垂线夹组件模型，在该模型中添加椭圆形导电桥模型，然后根据雷电流模型和热源模型对地线‑悬垂线夹组件模型施加激励，采用数值方法计算温度变化过程与温度分布，判断绝热边界是否发生温升，若是，则停止计算，此时认为完成了温升模拟。本发明解决了现有关于线路雷击温升的研究方法不能完全适用于雷击作用下线夹温升模拟的问题。
Description
技术领域
本发明属于输电线路检修技术领域，具体涉及一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法。
背景技术
在电力线路的实际运行中，地线-线夹连接处螺栓松动、接触面脏污、铜铝电化学腐蚀等原因会导致电阻变大，在雷击影响下极易造成局部温度过高，从而引发架空线路断股。雷击断股造成的故障往往无法自恢复，需要投入大量人力物力进行抢修，会对电网运行、社会生产造成较大影响。现行的主要检测方法是由运行人员按运维策略定期对线路进行红外测温。红外测温的测温周期长，难以捕捉发热缺陷的不足，而且无法对雷击断股情况及时进行警示。
目前已研发出用于导线耐张线夹引流板上的超温警示螺栓，当线路负荷过大，温升超过预警螺栓设计动作阈值时，螺栓发生不可逆动作，以此警示该位置曾发生温度过高现象，在线路巡检过程应该做重点检查；但目前尚未有针对雷击作用下导致地线过热熔断的警示装置。
目前关于线路雷击温升的研究主要集中于研究雷电流作用瞬间导线、地线局部过热的短暂过程，对于线路和线夹组件整体温升过程的研究尚有许多不足。传统的事故样本分析方法无法实现对温度场随时间变化情况的研究；红外测温方法不能获取线夹内部的温度变化且具有较大的时间、空间局限性；研究线路雷击断股的仿真方法并不能完全适用于解决雷击作用下线夹温升模拟的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在解决现有关于线路雷击温升的研究方法中可能无法实现对温度场随时间变化情况的研究、不能获取线夹内部的温度变化且具有较大的时间、空间局限性以及不能完全适用于雷击作用下线夹温升模拟的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，包括如下步骤：
构建需要输入的雷电流模型，构建需要输入的雷电流模型具体包括基于雷电流幅值概率密度公式，采用双指数函数模型确定需要输入的雷电流A分量波形以及采用方波表示需要输入的雷电流C分量波形；
构建需要输入的热源模型，热源模型遵循高斯分布；
根据地线和线夹的物性参数、几何尺寸参数以及环境参数构建第一地线-悬线夹组件模型；
对第一地线-悬线夹组件模型进行几何切割，在第一地线-悬线夹组件模型中的地线与压板之间、地线与船体之间添加椭圆形导电桥模型，得到第二地线-悬线夹组件模型；
对第二地线-悬线夹组件模型施加激励，对第二地线-悬线夹组件模型施加激励具体包括根据需要输入的雷电流A分量波形和需要输入的雷电流C分量波形，在地线的一端施加雷电流，根据热源模型在施加雷电流一侧的地线与压板的第一个接触点施加热源；
采用数值方法计算第二地线-悬线夹组件模型的温度变化过程与温度分布，判断绝热边界是否发生温升，若是，则停止计算，绝热边界为构建第一地线-悬线夹组件模型时设置的边界条件。
进一步的，雷电流幅值概率密度公式具体为：
式中，
表示中值电流，
表示陡度系数，
表示雷电流幅值概率，
表示雷电流A分量的幅值。
进一步的，双指数函数模型的数学表达式如下：
式中，
表示雷电流A分量，
表示时间，
表示波前衰减系数，
表示半峰衰减系数，
表示峰值修正因子。
进一步的，雷电流C分量的作用时间范围为250-1000ms，幅值范围为200-800A。
进一步的，热源模型的数学表达式如下：
式中，
表示热源，
表示半径，
表示时间，
表示高斯热源的最大半径。
进一步的，地线和线夹的物性参数具体包括：
地线和线夹的电导率、导热系数、熔点、表面辐射率。
进一步的，环境参数具体包括：
对流换热系数、环境温度和环境湿度。
进一步的，根据地线和线夹的物性参数、几何尺寸参数以及环境参数构建第一地线-悬线夹组件模型，还包括：
为第一地线-悬线夹组件模型设置一个无限元空气域。
进一步的，为第一地线-悬线夹组件模型设置一个无限元空气域之后，还包括：
设置第一地线-悬线夹组件模型的边界条件，边界条件具体包括将空气域设置为电绝缘，将第一地线-悬线夹组件模型中的挂板顶部和U形螺栓底部设置为接地端，将地线远离施加雷电流的一端设置为电流终端，将挂板顶部、地线不施加雷电流的一端以及邻近地线不施加雷电流的一端的U形螺栓底部设置为绝热边界。
进一步的，椭圆形导电桥模型的高度为0.1mm。
综上，本发明提供了一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，通过考虑雷电流A分量脉冲波的作用和雷电流C分量转移电荷的作用构建了一个雷电流模型，其次考虑了电弧放电发热的影响从而构建了一个遵循高斯分布的热源模型，然后对地线-悬线夹组件模型添加导电桥模型，以模拟实际情况下接触电阻对发热产生的影响，最终基于雷电流模型和热源模型对雷击作用下的地线-悬线夹组件模型进行温升模拟，并用数值方法实时计算不同时刻、不同位置模型的温度变化。本方法通过同时施加雷电流和热源准确模拟了模型受到的雷击作用，通过数值方法能够准确的计算模型在雷击作用下各个时间、各个位置的温升过程，从而解决了现有的研究方法无法实现对温度场随时间变化情况的研究、不能获取线夹内部的温度变化且具有较大的时间、空间局限性以及不能完全适用于解决雷击作用下线夹温升模拟的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法的流程简图；
图3为本发明实施例提供的采用CGU-3型悬垂线夹的地线-悬线夹组件模型的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的采用CGU-3型悬垂线夹的地线-悬线夹组件模型的正视图；
图5为本发明实施例提供的采用CGU-3型悬垂线夹的地线-悬线夹组件模型的侧视图；
图6为本发明实施例提供的采用CGU-3型悬垂线夹的地线-悬线夹组件模型的俯视图；
图7为本发明实施例提供的对地线-悬线夹组件模型施加激励的示意图。
附图中：1-铝包带，2-船体，3-地线，4-螺栓，5-挂板，6-U型螺栓，7-压板。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
根据现有的研究，雷击架空的地线之后雷电流会通过地线流过接续金具（即线夹），很容易导致在地线与线夹的接触点处发生放电现象。接触点处放电会导致该接触点的温度快速上升，其次雷电流通过地线时由于电阻的作用本身也会产生热量，过高的温度会对地线和接续金具都造成损伤。故对于地线-线夹模型在雷击作用下的温升模拟，需要确定雷击作用导致的发热量。
由前述内容可知，导致雷击发热的主要因素包括雷电流经过体电阻与接触电阻产生的焦耳热以及地线与线夹接触点的电弧放电发热，可采用如下表达式进行表示：
式中，
表示总发热量，
表示雷电流，
表示体电阻，
表示接触电阻，
表示电弧发热量。
请参阅图1和图2，本实施例提供了一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，包括如下步骤：
S101：构建需要输入的雷电流模型，构建需要输入的雷电流模型具体包括基于雷电流幅值概率密度公式，采用双指数函数模型确定需要输入的雷电流A分量波形以及采用方波表示需要输入的雷电流C分量波形。
需要说明的是，雷电流A分量和C分量的持续输入对发热贡献较为突出，故对于雷电流的模拟，本发明同时考虑了雷电流A分量脉冲波的作用以及雷电流直接效应的C分量，更能符合实际雷电流的特点。根据雷电流幅值概率密度公式得到A分量的幅值，根据标准得到对应时间常数，并且使用双指数模型描述波形；考虑雷电流C分量转移电荷量的作用，以一个方波表示其波形。在地线-线夹组件温升模拟中添加激励时，A分量与C分量连续输入。
雷电流A分量是一个高频脉冲波，幅值采用雷电流幅值概率密度公式进行计算：
式中a为中值电流，b为陡度系数，可根据地区雷电活动情况取值。在无法获取某地区的a、b参数时，也可使用IEEE的推荐值a=31，b=2.6。根据标准推荐值计算得到95%的雷击幅值大于10kA，50%的雷击幅值大于31kA。取标准波形2.6/50μs（波头时间/半峰时间），采用双指数函数模型进行数学描述：
式中，
表示雷电流A分量，
表示时间，
表示波前衰减系数，
表示半峰衰减系数，
表示峰值修正因子，并且
、
和
均可根据雷电流的波头时间和半峰时间计算得到。其中，
、
即波头时间和半峰时间的倒数，
的计算公式如下：
其中
为峰值时间：
根据飞机防雷标准和现有研究，雷电流直接效应的C分量可以等视为一个方波，作用时间常取250-1000ms，幅值常取200-800A。C分量是雷电流转移电荷量的主要贡献分量，C分量幅值
与转移电荷量q的关系为：
由该公式可知，根据选定的电荷量以及作用时间（即
），可以计算对应的C分量的幅值。
S102：构建需要输入的热源模型，热源模型遵循高斯分布。
需要说明的是，由前述内容可知，雷电流经过悬垂线夹时，容易致使地线与悬垂线夹的接触点处发生放电，从而导致接触点附近产生大量的热，造成线路和线夹局部过热损伤。发生放电现象时，在接触点处产生一个半径小于15mm、遵循高斯分布的热源Q(r,t)：
其中，
表示雷电流，R(t)是高斯热源的最大半径，工程上常取15mm。
S103：根据地线和线夹的物性参数、几何尺寸参数以及环境参数构建第一地线-悬线夹组件模型。
需要说明的是，地线-悬线夹组件模型通过有限元仿真软件进行构建，其中地线模型可以选用目前电网中使用最多的钢绞线，具体参数可以参考国标文件YB/T 5004-2012。线夹模型可以选用目前常用的CGU-3型悬垂线夹。组件的整体结构如图3所示，三视图如图4-6所示，构建好的模型包括地线3及其外层铝包带1，船体2、压板7、U型螺栓6、挂板5以及螺栓4。本发明所构建的地线-悬线夹组件模型也可采用其他型号的地线和线夹，即本实施例提供的温升模拟方法不仅适用于该种型号的地线和线夹，对不同型号的悬垂线夹和耐张线夹、不同截面积的地线、导线均可适用。
另外，在构建地线-悬线夹组件模型时需要输入的参数包括：地线和线夹的几何尺寸参数；材料的电导率、导热系数、熔点、表面辐射率等物性参数；对流换热系数和环境温度、环境湿度等其他参数。由于线夹的温升过程涉及空气传热，在仿真模型中需要增加一个无限元空气域，以模拟实际工况。
需要设置的边界条件：将空气域设置为电绝缘，将线夹挂板顶部和U形螺栓底部设置为接地端，将地线一端设置为电流终端。将线夹挂板顶部、地线不施加电流的一端以及邻近该端面的U形螺栓底部设置为绝热边界。
S104：对第一地线-悬线夹组件模型进行几何切割，在第一地线-悬线夹组件模型中的地线与压板之间、地线与船体之间添加椭圆形导电桥模型，得到第二地线-悬线夹组件模型。
需要说明的是，在仿真模型中构建导电桥模型，是为了模拟地线-悬垂线夹组件的电接触。考虑到实际情况下接触电阻对发热产生的影响，在地线与压板之间、地线与线夹船体之间构建高度为0.1mm的椭圆形导电桥模型。利用有限元仿真软件进行几何操作，使得悬垂线夹船体和压板切割地线，从而得到一系列椭圆形的压痕，即各个分散的接触点，在接触点构建具有一定厚度的导电桥模型。具体的切割深度（压痕大小）可根据实际研究的工况中船体、地线和压板之间的压紧力来调整。
S105：对第二地线-悬线夹组件模型施加激励，对第二地线-悬线夹组件模型施加激励具体包括根据需要输入的雷电流A分量波形和需要输入的雷电流C分量波形，在地线的一端施加雷电流，根据热源模型在施加雷电流一侧的地线与压板的第一个接触点施加热源。
需要说明的是，建立仿真模型后，根据步骤S101和步骤S102建立的雷电流和电弧放电的热源模型施加激励，以此模拟雷电流流入地线-线夹组件并且在接触点处发生电弧放电的情况，具体施加激励的部位如图7所示。雷电流施加于地线一端，热源施加于靠近施加雷电流一侧的地线与压板第一个接触点。
S106：采用数值方法计算第二地线-悬线夹组件模型的温度变化过程与温度分布，判断绝热边界是否发生温升，若是，则停止计算，绝热边界为构建第一地线-悬线夹组件模型时设置的边界条件。
需要说明的是，停止施加雷电流和热源后，仿真计算施加雷电流、热源的过程中，整个线夹组件的温度和电磁场随时间变化情况，根据停止施加激励瞬间的温度场、电磁场分布情况继续仿真计算一段时间内的温度扩散情况，直到模型的绝热边界发生温升。这是为了模拟真实情况下雷击产生的局部高温从地线传导至线夹需要一定的时间。而在边界发生温升后停止仿真，是因为此时边界条件被破坏，绝热边界不再适用，可以认为热扩散到此结束。
本实施例提供了一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，本方法通过构建包括雷电流A分量和雷电流C分量的雷电流模型和构建遵循高斯分布的热源模型作为温升模拟需要施加的激励，然后构建在雷击作用下需要进行温升模拟的地线-悬线夹组件模型，并对该模型添加导电桥模型。根据构建的雷电流模型和热源模型对地线-悬线夹组件模型施加激励，然后采用数值方法计算温度变化过程与温度分布，从而知晓不同时刻、不同位置模型的温度变化，当绝热边界发生升温时，就停止计算从而完成对于地线-线夹组件的温升模拟。
本发明在进行温升模拟时同时考虑了雷电流和电弧放电的发热，并且对于雷电流取值同时考虑了雷电流A分量脉冲波的作用和C分量转移电荷的作用，对于电弧放电发热采用高斯热源进行模拟，还添加了导电桥模型以模拟接触电阻的作用，使得本发明可以更加准确的模拟雷击作用下的地线-线夹组件温升过程。并且采用数值计算方法也可以克服传统的事故样本分析方法无法实现对温度场随时间变化情况的研究以及红外测温方法不能获取线夹内部的温度变化且具有较大的时间、空间局限性的问题。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
构建需要输入的雷电流模型，所述构建需要输入的雷电流模型具体包括基于雷电流幅值概率密度公式，采用双指数函数模型确定需要输入的雷电流A分量波形以及采用方波表示需要输入的雷电流C分量波形；
构建需要输入的热源模型，所述热源模型遵循高斯分布；
根据地线和线夹的物性参数、几何尺寸参数以及环境参数构建第一地线-悬线夹组件模型；
对所述第一地线-悬线夹组件模型进行几何切割，在所述第一地线-悬线夹组件模型中的地线与压板之间、地线与船体之间添加椭圆形导电桥模型，得到第二地线-悬线夹组件模型；
对所述第二地线-悬线夹组件模型施加激励，所述对所述第二地线-悬线夹组件模型施加激励具体包括根据所述需要输入的雷电流A分量波形和所述需要输入的雷电流C分量波形，在所述地线的一端施加雷电流，根据所述热源模型在靠近施加雷电流一侧的地线与压板的第一个接触点施加热源；
采用数值方法计算所述第二地线-悬线夹组件模型的温度变化过程与温度分布，判断绝热边界是否发生温升，若是，则停止计算，所述绝热边界为构建所述第一地线-悬线夹组件模型时设置的边界条件。
2.根据权利要求1所述的一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，其特征在于，所述雷电流幅值概率密度公式具体为：
式中，
表示中值电流，
表示陡度系数，
表示雷电流幅值概率，
表示雷电流A分量的幅值。
3.根据权利要求2所述的一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，其特征在于，所述双指数函数模型的数学表达式如下：
式中，
表示雷电流A分量，
表示时间，
表示波前衰减系数，
表示半峰衰减系数，
表示峰值修正因子。
4.根据权利要求1所述的一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，其特征在于，所述雷电流C分量的作用时间范围为250-1000ms，幅值范围为200-800A。
5.根据权利要求1所述的一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，其特征在于，所述热源模型的数学表达式如下：
式中，
表示热源，
表示半径，
表示时间，
表示高斯热源的最大半径。
6.根据权利要求1所述的一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，其特征在于，所述地线和线夹的物性参数具体包括：
所述地线和线夹的电导率、导热系数、熔点和表面辐射率。
7.根据权利要求1所述的一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，其特征在于，所述环境参数具体包括：
对流换热系数、环境温度和环境湿度。
8.根据权利要求1所述的一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，其特征在于，所述根据地线和线夹的物性参数、几何尺寸参数以及环境参数构建第一地线-悬线夹组件模型，还包括：
为所述第一地线-悬线夹组件模型设置一个无限元空气域。
9.根据权利要求8所述的一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，其特征在于，所述为所述第一地线-悬线夹组件模型设置一个无限元空气域之后，还包括：
设置所述第一地线-悬线夹组件模型的边界条件，所述边界条件具体包括将所述空气域设置为电绝缘，将所述第一地线-悬线夹组件模型中的挂板顶部和U形螺栓底部设置为接地端，将地线远离施加雷电流的一端设置为电流终端，将所述挂板顶部、地线不施加雷电流的一端以及邻近所述地线不施加雷电流的一端的U形螺栓底部设置为绝热边界。
10.根据权利要求1所述的一种雷击作用下的地线-线夹组件温升模拟方法，其特征在于，所述椭圆形导电桥模型的高度为0.1mm。
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