JP3086064B2 - フラッシオーバのモデル - Google Patents

フラッシオーバのモデル

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、雷サージ解析のための
アークホーンと送電用避雷装置のフラッシオーバモデル
に関する。
【0002】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】電力系統
の雷サージ解析は、主にディジタル計算機を用いた数値
解析によって行われている。そのために様々な解析モデ
ルが開発されている。アークホーンや送電用避雷装置の
多重フラッシオーバを解析する場合には、実際の現象を
忠実に表現でき、汎用性、高解析効率を有する解析モデ
ルが必要である。
【0003】従来、アークホーンのフラッシオーバモデ
ルは、アークホーン間に発生する電圧がそのV−t特性
と交差する時間にフラッシオーバするとしてフラッシオ
ーバ時間を求め、フラッシオーバ時の等価インダクタン
スを介して短絡させる方法が一般的であった。
【0004】近年、アークホーンのフラッシオーバを模
擬する新手法として、放電前駆電流を考慮したアークホ
ーン間インピーダンスの時間変化を模擬するリーダ法が
提案され、実用化されている。この方法を用いた解析で
は、フラッシオーバが発生しない状態の過渡現象解析か
ら得られるアークホーン間電圧を基にリーダ進展法によ
りアークホーン等価インピーダンスを求め、この等価イ
ンピーダンスを直線近似することにより線形インダクタ
ンスと時間制御スイッチの組み合わせとしてフラッシオ
ーバモデルを作成している。
【0005】上述のリーダ進展法によるフラッシオーバ
モデルの生成のためのリーダ進展法を以下に説明する。
【0006】リーダ進展法は、リーダ進展速度を電圧や
リーダ長などの関数として与え、時々刻々のリーダ進展
の様相をモデル化したものである。このリーダの進展速
度vは下記(1)式で定義されている。
【0007】
【数1】
【0008】ただし、υ:リーダ進展速度(m/s) x:リーダ長(m)、V:ギャップ間電圧(V) D:ギャップ長(m)、i:放電前駆電流(A) K1,K2:ギャップ長,電圧波形によらない定数 また、放電前駆電流iは(2)式で定義する。
【0009】
【数2】i=C・V・υ …(2) ただし、C:ギャップの等価キャパシタンス (1),(2)式を回路方程式と組み合わせることによ
り、時々刻々のリーダの進展状況、放電前駆電流の変化
および等価インピーダンスが計算できる。また、リーダ
の進展開始、停止については以下のようにして定める。
【0010】リーダの進展開始時間t1は次式で与え
る。
【0011】
【数3】 t1=A/(Vp/D−B) (μs) …(3) ただし、Vpは印加電圧ピーク値(MV)であり、A,
Bは電圧極性で定まる定数である。ギャップ両端から進
展するリーダ長がギャップ長より大きくなればフラッシ
オーバと判定するが、印加電圧がリーダ進展中に減少し
てリーダ未橋絡部の平均電界(V/(D−2x))が
0.45MV/m以下となれば、フラッシオーバしない
ものとして計算を終了する。リーダ進展法のモデル定数
を表1に示す。
【0012】
【表1】
【0013】このリーダ進展法によりアークホーン等価
インピーダンスを求め、この等価インピーダンスを直線
近似することにより線形インダクタンスと時間制御スイ
ッチの組合わせとしてフラッシオーバモデルを作成する
ため、多重フラッシオーバの解析は複数のアークホーン
回路が存在し、複数のアークホーンがフラッシオーバの
可能性がある場合には計算回数が大幅に増加し、解析効
率を悪くする。
【0014】この問題を解消するため、アークホーン等
価インピーダンスの変化を非線形インダクタンスで表現
する新しいアークホーンフラッシオーバモデルが最近提
案されている(電気学会論文誌、B,111,P52
9,平3−5「非線形インダクタンスを用いたフラッシ
オーバモデル」)。
【0015】図7は非線形インダクタンスモデルを示
す。SWSはリーダ進展開始を表すスイッチ、Lnはア
ークホーンの等価非線形インダクタンス、SWfはフラ
ッシオーバを表すスイッチ、Lfは定常アークの等価イ
ンダクタンスである。
【0016】この非線形インダクタンスモデルは、アー
クホーン等価インピーダンスの変化を非線形インダクタ
ンスで表現する新しいモデルであるが、汎用性、高解析
効率を有する特長があるが、電圧−放電時間特性(V−
t特性)において、波尾放電を十分表現できない難点が
ある。特にギャップ長が短い領域に適用すると等価性が
悪い問題点がある。
【0017】また、送電用避雷装置の解析モデルについ
ては、従来のアークホーンモデルに避雷装置の電圧−電
流特性を表現する非線形抵抗を組み合わせたモデルが現
在使用されており、放電前駆電流を考慮した解析モデル
は発表されていない。
【0018】本発明の目的は、高い解析効率にしながら
高い解析精度を得るアークホーンと送電用避雷装置の解
析モデルを提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題の解
決を図るため、リーダ進展法によってアークホーンのフ
ラッシオーバを模擬するモデルにおいて、リーダ進展開
始および消滅電圧をギャップ長に、比例した電圧として
保持する非線形抵抗と、前記非線形抵抗に並列接続され
アークホーンの放電前駆電流が急速に増加し始めるとき
に閉じるスイッチと、前記非線形抵抗とスイッチの並列
回路に直列接続されアークホーンの等価非線形インダク
タンス特性を持つ等価インダクタンスと、前記インダク
タンスと並列接続されアークホーンのフラッシオーバ電
圧以上になるときに閉じるスイッチと、前記等価インダ
クタンスに直列接続されるアークホーンの定常アークの
等価インダクタンスと、を備えたことを特徴とする。
【0020】また、本発明は、送電用避雷装置の避雷器
の電圧−電流特性を持ち前記等価インダクタンスに直列
接続された非線形抵抗を備えたことを特徴とする。
【0021】
【作用】リーダ進展法では(3)式で示すようにリーダ
進展開始時間を印加電圧の関数としているため、あらか
じめ電圧波高値が既知である必要がある。一度の解析で
結果を得るためには、電圧波高値が既知でないためリー
ダ進展開始時間を別の形で表現する必要がある。
【0022】本発明では従来の非線形インダクタンスモ
デルと同様に、臨界フラッシオーバ電圧以下ではアーク
ホーンがフラッシオーバしないことを考慮し、近似的に
アークホーンの臨界フラッシオーバ電圧に達する時刻に
リーダが進展開始するものとした。なお、ギャップ長が
短い場合の臨界フラッシオーバ電圧は、耐雷設計基準委
員会「送電線対電設計基準要網」電中研究報、N0.7
1037(昭48)に従って次式で表されるものとし
た。
【0023】
【数4】 Vc=0.55・D+80(kV) …(4) ここで、D:ギャップ長(mm) この式から求められるフラッシオーバ電圧、棒−棒ギャ
ップのV−t特性(電気学会、電気工学ハンドブック、
P602,昭和59)の臨界フラッシオーバ電圧にほぼ
一致している。
【0024】アークホーンの等価インダクタンスLnを
EMTPの回路素子として組み込むためには、リーダ進
展法によって得られたアークホーン間電圧、放電前駆電
流−時間特性から等価インピーダンスを求め、それを電
流−磁束(I−Φ)特性として与える。フラッシオーバ
を表すスイッチSWfは、ホーン間電圧が急激に低下す
る電流値で閉じることとした。短ギャップ長の場合に
は、この電流値は1000A程度となる。
【0025】ギャップ長650mm、電源電圧1MV、
背後インピーダンス200Ωの条件でリーダ進展法から
得られた結果をもとに図8の解析回路で非線形インダク
タンスモデルの放電電圧特性を解析した。
【0026】図中、インパルス電圧源は1/50μsの
ランプ電圧を発生させ、背後インピーダンスRbは20
0Ωとし、ギャップ長を650mmで前記表1の正極性
でのK2=3.5×10-3とする場合である。
【0027】この解析結果を図9にV−t特性として示
す。同図より波頭での放電特性は棒−棒ギャップのV−
t特性とほぼ一致するが、波尾では解析結果の方が早く
放電する。
【0028】この原因は、主に波尾の平坦な電源電圧に
対し、非線形インダクタンスの値が過度に減少し、電流
が急激に増加するためと考えられる。
【0029】そこで、本発明ではホーン間電圧を非線形
インダクタンスと非線形抵抗とで分担させることによ
り、波頭から波尾までV−t特性に合致させた模擬回路
とし、これを使ったフラッシオーバの解析により解析精
度を高める。
【0030】次に送電用避雷装置直列ギャップのV−t
特性は、ギャップ長が等しいアークホーンのV−t特性
より高くなることが知られており、この特性は避雷器の
静電容量の影響によるとされている。しかし、直列ギャ
ップおよび避雷器の静電容量はpFと小さく、その静電
容量測定は困難なため分圧比の考え方による電圧分担の
決定は容易ではないと推定される。また、送電用避雷装
置の直列ギャップにもアークホーンと同様に放電前駆電
流が流れるものとすれば、避雷器のインピーダンスは静
電容量から非線形抵抗に変化し、同時に直列ギャップの
インピーダンスも静電容量から非線形性インピーダンス
に変化するものと考えられる。すなわち、リーダの進展
開始までは静電容量で電圧分担するが、その後は両者の
非線形インピーダンスで分担することとなる。
【0031】このことから、本発明ではアークホーンモ
デルに加えて、避雷器の電圧−電流特性を表す非線形抵
抗RLAを組み合わせることで送電用避雷装置のフラッ
シオーバを模擬する。
【0032】
【実施例】図1は本発明の一実施例を示すアークホーン
の非線形素子組み合わせモデルである。図中、Rnはリ
ーダ進展開始および消滅電圧を表す非線形抵抗で、電流
によらず(4)式の電圧を保持する。SW1は放電前駆
電流が急速に増加し始める時間に閉じる。短ギャップの
場合にはその電流値は図8に示す解析回路条件では放電
前駆電流波形から200A程度となる。
【0033】SW2は非線形インダクタンスモデルと同
様にフラッシオーバを模擬する。また、等価インダクタ
ンスLnは非線形インダクタンスモデルのI−φ特性か
ら非線形抵抗RnのI−φ特性相当分を減じることによ
って得られる。
【0034】図2は本実施例における解析結果の一例を
棒−棒ギャップのV−t特性と共に示す。同図から明ら
かなように非線形インダクタンスモデルに比べ、波尾で
の放電特性が大幅に改善され棒−棒ギャップのV−t特
性とほぼ一致する結果が得られた。これは、波尾部で放
電する場合には波頭放電に比べ印加電圧が低いので、R
nの電圧分担比率が大きくなり、図1における非線形イ
ンダクタンスLnは波尾部で急減することがないためで
ある。
【0035】このモデルの汎用性を背後インピーダンス
や電圧波形が一定でない実系統条件を想定して検討し
た。ギャップ長350mmで電源電圧波頭長が1,2,
3μs、背後インピーダンスが100,200,400
Ωの条件で、リーダ進展法と比較した。図3,図4にそ
れらの結果を示す。図3から明らかなように波頭峻度を
変えても、リーダ進展法と非線形素子組合わせモデルの
解析結果は、ほぼ一致している。図4の背後インピーダ
ンスを変えた場合にも、波頭放電でリーダ進展法と良く
一致する。波尾の放電では、放電電圧はほぼ一致する
が、放電時間についてはわずかであるが非線形素子組合
わせモデルが早い結果となった。波頭、波尾とも背後イ
ンピーダンスの差による特性変動は少ないことから、背
後インピーダンスが変化しても非線形素子組み合わせモ
デルは十分実用性が得られる。
【0036】図5は本発明の他の実施例を示し、送電用
避雷装置の非線形素子組み合わせモデルである。同図が
図1と異なる部分は、避雷器の電圧−電流特性を表す非
線形抵抗RLAを直列に付加した点にある。
【0037】このモデルの放電特性を検討するため、R
nを避雷器の動作開始電圧相当分だけ低減し、非線形イ
ンダクタンスモデルのI−Φ特性から低減したRnのI
−Φ特性相当分を減じた条件で、V−t特性の実測結果
と比較した。図6(ケース2)にその結果を示す。この
条件では波尾部で実測より若干低いV−t特性を示す
が、波尾放電まで実測結果とよく一致する。
【0038】すなわち、図5に示す送電用避雷装置フラ
ッシオーバモデルにおいて、Rnが保持する一定電圧と
避雷器の動作開始電圧との和を(4)式を示すリーダ進
展開始電圧と等しくするようにRnの特性を定め、Rn
I−Φ特性相当分を非線形インダクタンスモデルのI−
Φ特性(Ln)から減じることにより、V−t特性を精
度良く表現することができる。
【0039】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、リーダ
進展法によりアークホーン又は送電用避雷装置のフラッ
シオーバを模擬するのに、非線形抵抗と非線形インダク
タンスとでアークホーン間電圧を分担させる非線形素子
組合わせモデルとしたためギャップ長の短いアークホー
ンにも波頭から波尾までギャップのV−t特性にほぼ一
致する特性を持ち、雷サージ解析に使用して高解析効率
にしながら高解析精度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すアークホーンの非線形
素子組み合わせモデル。
【図2】実施例のV−t特性。
【図3】各種波頭峻度によるV−t特性。
【図4】V−t特性への背後インピーダンスの影響を示
す図。
【図5】本発明の他の実施例を示す送電用避雷装置の非
線形素子組合わせモデル。
【図6】実施例の送電用避雷装置のV−t特性。
【図7】従来の非線形インダクタンスモデル。
【図8】解析回路図。
【図9】非線形インダクタンスモデルのV−t特性。
【符号の説明】
n…非線形抵抗 Ln…等価インダクタンス Lf…定常アークの等価インダクタンス SW1,SW2…スイッチ RLA…非線形抵抗
フロントページの続き (72)発明者 長岡 直人 京都府京都市伏見区向島四ツ谷池14−8 向島団地6−3−701 (72)発明者 萩原 豊久 静岡県沼津市東椎路1248−3 (72)発明者 渡辺 秀人 静岡県富士市鮫島588 (72)発明者 舟橋 俊久 埼玉県所沢市山口5216−2−105−1− 302 (56)参考文献 特開 平5−54744(JP,A) 特開 平5−205849(JP,A) 特開 平5−273295(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 31/12 - 31/20

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リーダ進展法によってアークホーンのフ
    ラッシオーバを模擬するモデルにおいて、 リーダ進展開始および消滅電圧をギャップ長に比例した
    電圧として保持する非線形抵抗Rnと、 前記非線形抵抗Rnに並列接続され、アークホーンの放
    電前駆電流が急速に増加し始めるときに閉じるスイッチ
    SW1と、 前記非線形抵抗RnとスイッチSW1の並列回路に直列
    接続され、アークホーンの等価非線形インダクタンス特
    性を持つ等価インダクタンスLnと、 前記インダクタンスLnと並列接続され、アークホーン
    のフラッシオーバ電圧以上になるときに閉じるスイッチ
    SW2と、 前記等価インダクタンスLnに直列接続されるアークホ
    ーンの定常アークの等価インダクタンスLfと、 を備えたことを特徴とするフラッシオーバのモデル。
  2. 【請求項2】 送電用避雷装置の避雷器の電圧−電流特
    性を持ち、前記等価インダクタンスLfに直列接続され
    た非線形抵抗RLAを備えたことを特徴とする請求項1
    に記載のフラッシオーバのモデル。7
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