用于雷电反击的基于先导发展模型的绝缘子闪络仿真方法

摘要

本发明涉及一种用于雷电反击的基于先导发展模型的绝缘子闪络仿真方法，属于电力系统电磁暂态计算技术领域。设定雷电击中输电线路杆塔顶部时杆塔绝缘子上的电压波形为短尾波，对绝缘子施加标准雷电冲击波和短尾波，并记录绝缘子两端的电压、电流和闪络流注发展时间，使用高速摄像机获取绝缘子闪络过程的图像；根据图像测量绝缘子闪络先导发展长度，对前后连续的闪络过程图像进行处理，得到先导发展速度及相关参数，并根据其判断雷电击中输电线路杆塔时的绝缘子闪络情况。本发明方法适用于短尾波冲击和标准波冲击、适用于110～500kV的绝缘子、适用于不同材质的瓷绝缘子以及适用于正负两种极性的雷电冲击波，因此具有很好的通用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于雷电反击的基于先导发展模型的绝缘子闪络仿真方法，属于电力 系统电磁暂态计算技术领域。

背景技术

绝缘子冲击闪络模型对于准确计算输电线路的雷电反击过电压水平十分重要。当雷击 中地线或杆塔后，在导线与地间会出现一定的电压波形。这时，需要根据绝缘子的闪络特 性来判断是否会发生闪络、何时会发生闪络、闪络概率如何，进而预测此后线路中的电压 电流变化。因此，绝缘子闪络模型就是从击穿的物理规律出发，得到的在冲击电压作用下 绝缘子的端口特性。从简化的观点来看，闪络模型也可以称为闪络判据，即绝缘子两端的 电压满足什么条件时，绝缘子发生闪络。如果能够建立一个简明的绝缘子闪络模型，并能 使其接入到电磁暂态计算程序之中，就能大大简化输电线路的雷电防护设计过程。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于雷电反击的基于先导发展模型的绝缘子闪络仿真方法， 通过试验获得正负极性雷电冲击下的110～500kV瓷绝缘子和合成绝缘子间隙的闪络特性 基础数据，从而能够更精确反映绝缘子上的实际闪络过程，提高电力系统雷击过程中关键 环节的仿真计算精度。

本发明提出的用于雷电反击的绝缘子闪络仿真方法，以下各步骤：

（1）设定雷电击中输电线路杆塔顶部时，杆塔绝缘子上的电压波形为短尾波，短尾 波的波尾时间为2—10μs；

（2）对110～500kV输电线路杆塔绝缘子施加标准雷电冲击波和短尾波，分别测量并 记录绝缘子两端的电压U(t)、绝缘子上的电流和绝缘子闪络流注发展时间T_s，使用高速摄 像机获取绝缘子闪络过程的图像；

（3）根据上述绝缘子闪络过程图像，测量得到绝缘子闪络先导发展长度x，对前后连 续的闪络过程图像进行处理，得到先导发展速度v_L，通过下式，分别拟合得到与绝缘子闪 络过程相关的常数E₀，以及拟合参数k₀、k₁、k₂：

$\frac{1}{T_S}{\int }_0^{T_S}U\left(t\right)\mathrm{dt}>k_{1}d+k_2,$

$v_L=k_0(\frac{U\left(t\right)}{d-x}-E_0),$

其中U(t)为上述绝缘子两端的电压，T_S为绝缘子闪络流注发展时间，d为绝缘子长度， x为发展的先导长度；

（4）根据上述与绝缘子闪络过程相关的常数E₀，以及拟合参数k₀、k₁、k₂，判断雷 电击中输电线路杆塔时，绝缘子是否发生闪络，以及发生闪络时闪络流注发展时间和闪络 先导发展时间。

本发明建立的一种用于雷电反击的基于先导发展模型的绝缘子闪络仿真方法，其优点 是：本发明方法适用于更接近雷电反击过程中绝缘子上实际波形的短尾波，从而能够更精 确反映绝缘子上的实际闪络过程，提高电力系统雷击过程中关键环节的仿真计算精度，并 能有效提升目前对输电线路防雷性能计算与评估的精度，使防雷计算对输电线路的防雷设 计与防雷措施应用的指导作用进一步提高，从而有效提高防雷设计与改造的有效性和针对 性，降低安全输电线路成本。本发明方法适用于各种防雷措施和防雷设计，将有效提高输 电线路的防雷性能，降低设备雷击故障率，提高电网的安全稳定水平，保证输电线路的工 作可靠性。本发明方法能够同时适用于短尾波冲击和标准波冲击、同时适用于110～500kV 的绝缘子、同时适用于不同材质的瓷绝缘子和合成绝缘子以及同时适用于正负两种极性的 雷电冲击波，因此具有很好的通用性。

具体实施方式

本发明提出的用于雷电反击的绝缘子闪络仿真方法，包括以下各步骤：

（1）设定雷电击中输电线路杆塔顶部时，杆塔绝缘子上的电压波形为短尾波，短尾 波的波尾时间为2—10μs；

对于绝缘子闪络模型，以往的试验多是基于标准雷电波形（1.2/50μs）进行的。然而， 很多研究表明，由于杆塔间及杆塔与大地之间折反射的影响，出现在绝缘子两端的雷电过 电压波形多为短尾波，其波尾出现振荡，且衰减较快，与标准波有很大差异。针对非标准 雷电波作用下间隙或绝缘子的放电特性已经有很多研究。这些研究表明，在各类的非标准 波作用下，空气间隙具有完全不同于标准波作用下的放电电压和放电特性。

文献调研发现绝缘子两端波形均为短尾波，其波尾时间约2-10μs。

在仿真计算中首先采用特高压的双回塔对雷电过电压波形进行分析。其中杆塔采用多 波阻抗模型进行建模。杆塔接地电阻为10Ω，杆塔之间的档距为405m。50kA的雷电流 从避雷线注入，为2.6/50μs的标准雷电流波形，雷电通道波阻抗为300Ω。在雷击的杆塔 两侧各有三个杆塔，以考虑杆塔间的折反射效果，而在此以外为无反射区域。由此得到同 侧上中下三相线路上的绝缘子两端波形在达到峰值后很短的时间内就发生了跌落，使得整 个波形的波前时间只有不到2μs。同时也分析了不同电压等级、不同杆塔情况下绝缘子两 端的电压波形，包括500kV的单回塔、同塔双回塔、同塔四回塔，220kV的单回塔、同 塔双回塔及500kV/220kV并架的同塔四回塔。经过仿真计算，发现在不同的杆塔情况下， 绝缘子两端雷电过电压波形都是短尾波，且得到的波形具有很好的一致性，具有非常类似 的特征。这表明杆塔的情况及电压等级不会影响雷电过电压波形的短波尾特性。

由于接地体及杆塔的反射作用，出现在绝缘子两端的雷电过电压波形具有短波尾的特 性。这一点已经得到了诸多文献的证实。对于间隙或绝缘子闪络模型试验来讲，采用符合 实际情况的短尾波是十分必要的。综合考虑，试验时施加的短尾波冲击的波尾时间为10μs。

（2）对110～500kV输电线路杆塔绝缘子施加标准雷电冲击波和短尾波，分别测量并 记录绝缘子两端的电压U(t)、绝缘子上的电流和绝缘子闪络流注发展时间T_s，使用高速摄 像机获取绝缘子闪络过程的图像；

本发明主要针对110kV、220kV和500kV瓷绝缘子和合成绝缘子进行短尾波冲击特 性试验，同时进行标准雷电波冲击特性试验作为对比。在试验中，考虑横担和导线的影响， 在绝缘子试品上方挂有模拟横担，根据电压等级的不同下方分别挂有单根、二分裂和四分 裂模拟导线。在220kV和500kV合成绝缘子加装均压环，以尽可能模拟真实情况。

瓷绝缘子串试品采用XP-7型普通悬式瓷绝缘子，其中110kV瓷绝缘子试验试品含7 片，绝缘长度0.95m；220kV试验试品含14片，绝缘长度1.96m；500kV试验试品含29 片，绝缘长度4.14m。110kV合成绝缘子试品不带有均压环，长度1.05m；220kV和500 kV合成绝缘子试品均带有均压环，均压环间距离分别为2.02m和4.15m。

根据GB/T16927.1和IEC60060.1标准规定，雷电冲击波的波头时间为1.2μs，容许 偏差为±30%；半峰值时间为50μs，容许偏差±20%。施加在110、220和500kV试品上的 短尾波分别为1.10/6.5μs、1.10/15.7μs和1.40/11.0μs，符合相关标准规定。

实验装置包括冲击发生器、待测绝缘子、带模拟横担和模拟导线、分压器、电流探头、 数字示波器和高速照相机。

试验内容包括对不同绝缘子开展标准雷电波和短尾波下的50%放电电压测试、对不同 绝缘子开展标准雷电波和短尾波下的伏秒特性测试，并测量绝缘子电流与电压波形。

对于流注发展过程，可以通过电流来判断整体的流注发生时间。由于流注发展过程中 电流会明显上升，随后降低到零，而此时流注发展也完成了。

对于先导的发展，在监测电压、电流的同时，通过高速相机对整个先导发展过程进行 记录，通过前后两张照片先导长度的测量，从而获得先导发展的速度。与以往扫描式或称 条纹式的变像管照相机不同，采用高速照相机得到的图像是不连续的，而且其速度不快。 因此需要对同一个间隙或绝缘子的先导发展过程进行多次（10-20次）重复的试验，以获 得其整体的发展规律。

（3）根据上述绝缘子闪络过程图像，测量得到绝缘子闪络先导发展长度x，对前后连 续的闪络过程图像进行处理，得到先导发展速度v_L，通过下式，分别拟合得到与绝缘子闪 络过程相关的常数E₀，以及拟合参数k₀、k₁、k₂：

$\frac{1}{T_S}{\int }_0^{T_S}U\left(t\right)\mathrm{dt}>k_{1}d+k_2,$

$v_L=k_0(\frac{U\left(t\right)}{d-x}-E_0),$

其中U(t)为上述绝缘子两端的电压，T_S为绝缘子闪络流注发展时间，d为绝缘子长度， x为发展的先导长度；

基于先导发展模型拟合得到适用于标准波和短尾波冲击、且适用于110～500kV绝缘子 间隙的闪络模型。

先导发展模型是由空气间隙击穿过程的物理本质出发得到的。对于长空气间隙，其击 穿包含有电晕、流注发展、先导发展、主放电等几个阶段。而先导发展模型主要通过计算 其中各阶段的发展时间来预测闪络过程。

当绝缘子两端的电压上升后，在绝缘子端部会出现电晕。当电压继续上升并超过流注 起始电压后，流注开始从绝缘子端部发展。当流注通道发展直到贯穿整个间隙后，电离波 开始从流注末端向绝缘子端部反向传播，从而加速空气分子的离子化过程，并引起电流的 上升。这个过程中通道的亮度较低，而流过间隙的电流会先上升，到当完成流注过程后电 流会基本降到零。

此后先导开始发展，其主要特征是一条明亮的通道从绝缘子端部开始向间隙中延伸， 达到从另一端发展的先导相交。在此过程中，电流会呈指数形式上升。当先导通道贯穿整 个间隙后，经历一段时间的气体升温，最终完成击穿。

因此，空气间隙的击穿时间T_B可以认为由流注起始时间T_P、流注发展时间T_S、电离波 传播时间T_I、先导发展时间T_L及气体升温时间T_G组成

T_B=T_P+T_S+T_I+T_L+T_G

其中，流注起始时间T_P可以包含在电压波形的实际原点与视在原点的时间差之中；电 离波传播时间T_I可以包含在先导发展时间T_L中；气体升温时间T_G很短。因此间隙击穿时间 可简化为

T_B=T_S+T_L

即对一定的空气间隙，可以认为其击穿时间由流注发展时间与先导发展时间组成。由 此可见，先导发展模型的关键在于计算流注发展时间与先导发展时间，这就需要对间隙击 穿进行大量的试验，从而得到发展时间与其他物理量之间的关系。

对于流注发展阶段，有的研究指出，流注发展时间T_S可以用以下公式获得

$T_S=\frac{1}{k_1{E}_p/E_{50}-k_2}$

其中E₅₀为间隙的50%放电场强，而E_p为间隙中出现的最大平均场强。只有当实际间 隙中的平均场强达到E₅₀时，才认为流注开始发展。流注发展时间是根据最大平均场强确 定的，而经过这段时间后流注发展结束。当流注发展结束后，就认为先导开始发展。因此， 也可以认为E₅₀就是先导起始场强。但可以看到，流注发展的计算中只利用了电场峰值， 而获得流注的整体发展时间。这可以简化整个先导发展模型的计算过程，从而将流注过程 计算转化为先导起始条件，经过一段时间后开始计算先导的发展。这种方法虽然比较简便， 但可能流注发展时间结束后，场强还未达到峰值，因此并不符合常理。

另一种考虑流注发展的方式是计算绝缘子上出现的平均电压。对一定长度的绝缘子， 当平均电压达到一定值时，认为流注发展完成，即

$\frac{1}{T_S}{\int }_0^{T_S}U\left(t\right)\mathrm{dt}>k_{1}d+k_2$

其中T_S为流注发展时间，d为间隙长度。与前一种方式不同，这种方式具体考虑了电 压变化对流注发展的影响，因此也在物理上更加合理，在本绝缘子闪络模型研究中采用此 公式进行拟合。

对于先导发展阶段，由于其与闪络时刻密切相关，就需要更深入的考虑任意时刻先导 的发展。许多研究者提出了很多不同的公式来计算先导发展速度。这些公式多数认为先导 发展速度与先导发展过程中剩余间隙的场强相关。其中一个典型的公式为：

$v_L=k_1(\frac{U\left(t\right)}{d-x}-E_0)$

其中E₀为与绝缘子间隙性质相关的常数，d为绝缘子长度，x为发展的先导长度。按 照公式给出的先导发展速度模拟先导长度的变化，当先导的长度达到绝缘子长度时，认为 间隙完成闪络。可以看到，先导的发展应当满足条件

$\frac{U\left(t\right)}{d-x}>E_0$

即先导发展剩余空气间隙的平均场强应大于临界场强E₀。该临界场强可以认为就是前 面提到的先导起始场强E₅₀。如果一定时间内该条件均不满足，则认为此次先导发展失败。 本绝缘子闪络模型研究采用此公式进行拟合。

表1 流注发展时间拟合参数

($\frac{1}{T_S}{\int }_0^{T_S}U\left(t\right)\mathrm{dt}>k_{1}d+k_2,$单位：U-MV，d-m，T_s-s)

表2 先导发展速度拟合参数

$\left(v_{L=}{k}_0(\frac{U\left(t\right)}{d-x}-E_0\right),$单位：$v_L-m/s,\frac{U\left(t\right)}{d-x}-\mathrm{MV}/m)$

（4）根据上述与绝缘子闪络过程相关的常数E₀，以及拟合参数k₀、k₁、k₂，判断雷 电击中输电线路杆塔时，绝缘子是否发生闪络，以及发生闪络时闪络流注发展时间和闪络 先导发展时间。