一种模拟特高压直流输电线路雷击暂态过程的方法

摘要

本发明公开了一种模拟特高压直流输电线路雷击暂态过程的方法。该方法仿真人员根据雷电录波、防雷准则和/或解析研究需要定给定雷电流参数，包括幅值I

说明书

技术领域

本发明涉及输电线路雷击暂态过程仿真，特别是涉及一种模拟特高压直流输电线路雷 击暂态过程的方法。

背景技术

研究特高压直流输电线路雷击下暂态电气量的变化特征是实现雷击故障分析、耐雷水 平评估等工作的重要前提。由于求解特高压直流输电线路雷击暂态电气量的数学模型复杂， 故只能通过数值仿真的方法获得以上数据。目前用于特高压直流输电线路雷击暂态过程仿 真的模型均采取用双指数函数模型表示的雷电流i₀作为恒流源，再将雷电通道等效阻抗Z₀与之并联后直接接于特高压直流输电线路上进行仿真。该方法对于其他雷电流数学模型的 应用，各类雷击事件的模型整合尚未有提及。

当前关于特高压直流输电线路雷击暂态过程仿真的雷击模型主要实现途径是在 EMTDC等电磁暂态仿真软件中已有仿特高压直流输电系统的情况下，建立用双指数函数描 述的雷电流恒流源，根据彼德逊等效定则建立雷击等值电路，然后通过开关将雷击电路接 入直流输电线路中。具体情况如下图1所示，其中虚线部分雷电流i₀受双指数函数(式1) 模型控制的恒流源，Z₀为雷电通道波阻抗，根据国际标准取取300Ω。在仿真平台上进行 雷击仿真时，直接通过对控制开关S₁实行外部输入控制其闭合。图中的实线部分为基于电 磁暂态仿真软件平台的特高于直流输电系统。

目前用于特高压直流输电线路雷击暂态过程仿真的雷击模型主要存在以下两方面的问 题：

1)雷电流模拟方式单一，目前仿真只采用适合短波头波尾参数的双指数函数作为数学 函数模型，对于适用于长波头波尾参数的其他雷电流数学模型并未提及。

2)在描述复杂多样的雷击过程时仅采用电流源通过开关直接作用于输电线路的方式进 行处理，实际上只描述了非故障性绕击一种情况，对于反击以及绕击后闪络等情况并没有 包含在内。

发明内容

本发明针对现有技术缺点，提供一种可根据雷电流情况自动模拟不造成闪络的绕击， 造成闪络的绕击和反击多种情形的模拟特高压直流输电线路雷击暂态过程的方法，使参数 与模型更匹配。

本发明基于电磁暂态仿真软件平台，提出一种用于特高压直流输电线路雷击暂态过程 仿真的综合雷击模型。本发明可应用多种数学函数模型描述雷电流，并给定根据雷电波头 波尾参数选择模型时的判据，而后提供包含三种典型雷击事件的综合雷击模型建立方法。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种模拟特高压直流输电线路雷击暂态过程的方法，包括如下步骤：

1)仿真人员根据雷电录波、防雷准则和/或解析研究需要定给定雷电流参数，包括幅 值I₀，波头参数T₁，波尾参数T₂；雷电通道波阻抗Z₀取300Ω；根据式1选定所用雷电流 数学模型i₀(t)作为电流源的控制输入；

$i_0\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}{I}_0(e^{-t/T_2}-e^{-t/T_1})& T_1<5\mathrm{\mu s}\\ \frac{I_0}{\eta }\times \frac{{\left(\frac{t}{T_1}\right)}^{10}}{1+{\left(\frac{t}{T_1}\right)}^{10}}\times e^{-t/T_2}& T_1>5\mathrm{\mu s},T_2<150\mathrm{\mu s}\\ \frac{I_0}{\eta }\times (1-e^{-t/T_1})\times e^{-t/T_2}& T_1>5\mathrm{\mu s},T_2>150\mathrm{\mu s}\end{array}\right)$   式1

T₁＜5μs时选取双指数函数模型；当T₁＞5μs，且T₂＜150μs时采用脉冲函数模型；当 T₁＞5μs，且T₂＞150μs时采用海德勒函数模型；t表示时间；η为修正参数，由仿真人员确 定；

2)在各监测点安装示波器记录雷击暂态过程中的电气暂态量，控制第一开关S₁、第 二开关S₂、第三开关S₃的输出情况进行仿真；第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃用0 和1数字量表示其开闭情况；开关打开时，用0表示；开关闭合时，用1表示；第一开关S₁、 第二开关S₂分别代表雷击发生于线路上、雷击发生于杆塔上；第三开关S₃初值为0；根据 雷击点电位U₀、杆塔电位U_t之间实时电压差的绝对值与绝缘子伏秒特性U_f是否有交点决 定第三开关S₃取值是否发生变化；绝缘子的伏秒特性U_f如式2，其中t为仿真时的当前时 刻，该值通过电磁暂态仿真软件的时钟元件获取，t_p表示仿真时雷击发生的时刻，在仿真 进行前人为提前给定；则S₃的取值如式3所示：

$U_f=\left(\begin{array}{cc}15940.73& t<t_p\\ [400+\frac{710}{{(t-t_p)}^{0.45}}]\times 10& t>t_p\end{array}\right)$    式2

$S_3=\left(\begin{array}{cc}0& |U_0-U_t|<U_f\\ 1& |U_0-U_t|>U_f\end{array}\right)$         式3

第一开关S₁闭合，则S₁＝1，表示雷击作用于输电线路上；开关S₂打开，则S₂＝0； 信号处理控制模块运行控制第三开关S₃数值，若S₃为1，发生绝缘子闪络，为造成闪络的 绕击模式；若第三开关S₃数值为0，未发生绝缘子闪络，为不造成闪络的绕击模式；

第二开关S₂先闭合，表示雷击作用于杆塔上；第一开关S₁打开，则S₁＝0；信号处 理控制模块运行控制第三开关S₃值的变化，若第三开关S₃值为1，发生绝缘子闪络，为反 击模式。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1)本发明通过输入参数控制第一开关S₁、第二开关S₂通断以及第三开关S₃初始状态， 再通过数学逻辑运算实现雷击点电位U₀、杆塔电位U_t之间实时电压差的绝对值与绝缘子伏 秒特性U_f的大小比较，并根据比较控制S₃通断，进而确定雷击模型，在一种模式中可以实 现多种雷击类型的仿真，应用范围广。

2)本发明用于特高压直流输电线路雷击暂态过程仿真的综合雷击模型是基于电磁暂态 仿真平台提出的，按照三种典型模型的性质特点，将雷电流底层数学模型整合为一分段函 数(式1)，以波头波尾参数T₁/T₂的大小范围作为各函数段的划分条件。模型中点线部分 表示利用电磁暂态软件实现仿真模型时，雷击点电位U₀、杆塔电位U_t与信号处理控制模块 之间的虚拟链接关系(参数传递关系)，控制模块于电磁暂态仿真软件下根据数学运算与 逻辑元件实现，方法简单实用。

附图说明

图1现有特高压直流输电线路雷击暂态过程仿真电路原理图；

图2特高压直流输电线路雷击暂态过程模拟的等效电气模型图；

图3特高压直流输电线路雷击暂态过程模拟模型图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式 不限如此。

如图2、3所示，特高压直流输电线路雷击暂态过程模拟等效电气中其中虚线部分为综 合雷击模型，包括雷电流输入端口、雷电通道波阻抗Z₀、第一开关S₁、第二开关S₂、第三 开关S₃、基于电磁暂态仿真软件平台的特高于直流输电系统、信号处理控制模块和塔杆T； 其中雷电流输入端口i₀和雷电通道波阻抗Z₀并联连接，一并联端接地，另一并联端分别与 第一开关S₁和第二开关S₂的一端连接，第二开关S₂的另一端与塔杆T的塔顶连接，两个第 三开关S3的一端分别连接塔杆T的横担，另一端连接直流输电线路，与直流输电线路的连 接点分别为C₂和B₂点；第三开关S3与塔杆T的横担的连接点分别为C₁和B₁点；信号处理 控制模块分别与第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃以及特高于直流输电系统连接。信 号处理控制模块对第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃实现断开闭合控制，以及用雷击 点电位U₀与杆塔电位U_t之间实时电压差的绝对值与绝缘子伏秒特性U_f比较，判断是否发 生闪络；信号处理控制模块可选用EMTDC型信号处理控制模块，该模块现有技术应用于电 磁暂态仿真软件平台。

雷击线路一般分为不造成闪络的绕击(非故障性绕击)，造成闪络的绕击和反击三种典 型情况。当雷电流直接作用于线路后，绝缘子两端由杆塔电位与线路之间造成的电压差过 大时会造成闪络，此时发生故障性绕击，若不闪络则发生的是非故障性绕击。而反击则为 雷电流先作用于杆塔再造成绝缘子发生闪络导致线路通过杆塔接地。本发明模拟特高压直 流输电线路雷击暂态过程的方法可以不改变电路情况下自动模拟不造成闪络的绕击，造成 闪络的绕击和反击三种典型情况。其中电流源i₀(t)以及雷电通道波阻抗Z₀构成彼德逊等效 电路，表示雷电流底层模型。Z₀表示雷电通道波阻抗，根据国际标准取300Ω，T表示用 多波阻抗模型描述的杆塔。i₀(t)由式1的雷电流模型中的数学函数决定：

$i_0\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}{I}_0(e^{-t/T_2}-e^{-t/T_1})& T_1<5\mathrm{\mu s}\\ \frac{I_0}{\eta }\times \frac{{\left(\frac{t}{T_1}\right)}^{10}}{1+{\left(\frac{t}{T_1}\right)}^{10}}\times e^{-t/T_2}& T_1>5\mathrm{\mu s},T_2<150\mathrm{\mu s}\\ \frac{I_0}{\eta }\times (1-e^{-t/T_1})\times e^{-t/T_2}& T_1>5\mathrm{\mu s},T_2>150\mathrm{\mu s}\end{array}\right)$    式1

T₁＜5μs时选取双指数函数模型；当T₁＞5μs，且T₂＜150μs时采用脉冲函数模型；当 T₁＞5μs，且T₂＞150μs时采用海德勒函数模型；

雷电流模型中的数学函数受控电流源作为雷电流发生器，是实现雷击仿真模型的前提； 雷电流底层数学模型有以下三种：式1双指数函数模型、式2海德勒函数模型、式3脉冲 函数模型：

(1)双指数函数模型

$i_0\left(t\right)=I_0(e^{-t/T_2}-e^{-t/T_1})$      式4

(2)海德勒函数模型

$i_0\left(t\right)=\frac{I_0}{\eta }\times \frac{{\left(\frac{t}{T_1}\right)}^{10}}{1+{\left(\frac{t}{T_1}\right)}^{10}}\times e^{-t/T_2}$        式5

(3)脉冲函数模型

$i_0\left(t\right)=\frac{I_0}{\eta }\times (1-e^{-t/T_1})\times e^{-t/T_2}$       式6

其中T₁表示波头参数，T₂表示波尾参数，I₀表示雷电流幅值大小，在海德勒函数模型 和脉冲函数模型中还须考虑修正参数η；以上参数在进行仿真前，由仿真人员根据雷电录 波、防雷准则或解析研究需要自行给定。

一种模拟特高压直流输电线路雷击暂态过程的方法，包括如下步骤：

1)仿真人员根据雷电录波、防雷准则和/或解析研究需要定给定雷电流参数，包括幅 值I₀，波头参数T₁，波尾参数T₂；根据式1选定所用雷电流数学模型i₀(t)作为电流源的控 制输入；

$i_0\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}{I}_0(e^{-t/T_2}-e^{-t/T_1})& T_1<5\mathrm{\mu s}\\ \frac{I_0}{\eta }\times \frac{{\left(\frac{t}{T_1}\right)}^{10}}{1+{\left(\frac{t}{T_1}\right)}^{10}}\times e^{-t/T_2}& T_1>5\mathrm{\mu s},T_2<150\mathrm{\mu s}\\ \frac{I_0}{\eta }\times (1-e^{-t/T_1})\times e^{-t/T_2}& T_1>5\mathrm{\mu s},T_2>150\mathrm{\mu s}\end{array}\right)$    式1

T₁＜5μs时选取双指数函数模型；当T₁＞5μs，且T₂＜150μs时采用脉冲函数模型；当 T₁＞5μs，且T₂＞150μs时采用海德勒函数模型；t表示时间；η为修正参数，由仿真人员确 定；雷电通道波阻抗Z₀取300Ω

2)在各监测点安装示波器记录雷击暂态过程中的电气暂态量，控制第一开关S₁、第 二开关S₂、第三开关S₃的输出情况进行仿真；第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃用0 和1数字量表示其开闭情况；开关打开时，用0表示；开关闭合时，用1表示；第一开关S₁、 第二开关S₂分别代表雷击发生于线路上、雷击发生于杆塔上，故其初始值根据仿真人员选 定雷击模型后确定，而状态在后续仿真中均不改变；第三开关S₃初值为0；根据雷击点电 位U₀、杆塔电位U_t之间实时电压差的绝对值与绝缘子伏秒特性U_f是否有交点决定第三开 关S₃取值是否发生变化；绝缘子的伏秒特性U_f如式2，其中t为仿真时的当前时刻，该值 通过电磁暂态仿真软件的时钟元件获取，t_p表示仿真时雷击发生的时刻，在仿真进行前人 为提前给定；则S₃的取值如式3所示。

$U_f=\left(\begin{array}{cc}15940.73& t<t_p\\ [400+\frac{710}{{(t-t_p)}^{0.45}}]\times 10& t>t_p\end{array}\right)$      式2

$S_3=\left(\begin{array}{cc}0& |U_0-U_t|<U_f\\ 1& |U_0-U_t|>U_f\end{array}\right)$        式3

第一开关S₁应先闭合，则S₁＝1，表示雷击作用于输电线路上；开关S₂打开，则S₂＝0； 信号处理控制模块运行控制第三开关S₃数值，若S₃为1，发生绝缘子闪络，开关已经闭合， 为造成闪络的绕击模式；若第三开关S₃数值为0，未发生绝缘子闪络，开关始终为打开状 态，此时为不造成闪络的绕击模式；

第二开关S₂应先闭合，表示雷击作用于杆塔上；第一开关S₁打开，则S₁＝0；信号 处理控制模块运行控制第三开关S₃值的变化，若第三开关S₃值为1，发生绝缘子闪络，开 关已经闭合，此时为反击模式。

本发明通过输入参数控制第一开关S₁、第二开关S₂通断以及第三开关S₃初始状态，再 通过数学逻辑运算实现雷击点电位U₀、杆塔电位U_t之间实时电压差的绝对值与绝缘子伏秒 特性U_f的大小比较，并根据比较控制S₃通断，进而确定雷击模型，在一种模式中可以实现 多种雷击类型的仿真，应用范围广。

本发明用于特高压直流输电线路雷击暂态过程仿真的综合雷击模型是基于电磁暂态仿 真平台提出的，按照三种典型模型的性质特点，将雷电流底层数学模型整合为一分段函数 (式1)，以波头波尾参数T₁/T₂的大小范围作为各函数段的划分条件。模型中点线部分表 示利用电磁暂态软件实现仿真模型时，雷击点电位U₀、杆塔电位U_t与信号处理控制模块之 间的虚拟链接关系(参数传递关系)，控制模块于电磁暂态仿真软件下根据数学运算与逻 辑元件实现，方法简单实用。