非理想大地中存在非理想导体时电缆传输线模型的构建方法

摘要

本发明公开了一种非理想大地中存在非理想导体时电缆传输线模型的构建方法，通过矩量法综合计算不同频率下接地网与二次电缆铠装层中的暂态骚扰，得到铠装层和接地网仿真模型；然后利用二次电缆的传输线法计算从二次电缆铠装层耦合至屏蔽层和芯线中的骚扰电压与电流，得到二次电缆屏蔽层和芯线的传输线模型；通过铠装层和接地网仿真模型与二次电缆屏蔽层和芯线的传输线模型之间的耦合作用，进行迭代至收敛得到电缆传输线模型，基于提出综合考虑接地系统与二次电缆两个耦合途径下二次电缆的计算方法，综合利用矩量法优势和传输线法优势，互补迭代进行计算，为实际变电站/换流站设计、验收以及建设提供参考。

说明书

技术领域

本发明涉及高电压技术领域，具体涉及一种非理想大地中存在非理想导体时电缆传输线模型的构建方法。

背景技术

当变电站或换流站遭受雷电袭击时，暂态电流经由接地网会耦合二次系统，严重威胁二次系统的安全可靠运行。雷击下接地网与二次电缆的耦合有以下两个途径：1，雷击暂态电流下的通过接地网暂态地电位差对二次电缆产生影响；2，接地网内暂态电流通过接地导体与二次电缆的互感耦合对二次电缆产生影响；由此想要通过仿真获得二次电缆上暂态骚扰的特性，必须综合考虑以上两个途径。

目前现有的计算方法主要有，1、矩量法：目前利用矩量法计算变电站或换流站二次电缆中暂态骚扰时，主要是针对接地系统与二次电缆的耦合，包括接地网地电位不均匀以及接地导体对二次系统的耦合，常常没有考虑暂态信号在接地网与二次电缆中的传播特性；2、传输线法：目前利用传输线法可以计算暂态骚扰在接地系统与二次电缆中的传播特性，但传输线很难考虑接地系统与二次电缆的耦合；综上可知，现有计算方法不能同时考虑上述两个耦合途径。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种非理想大地中存在非理想导体时电缆传输线模型的构建方法，本发明是基于提出综合考虑接地系统与二次电缆两个耦合途径下二次电缆的计算方法，综合利用矩量法优势和传输线法优势，互补迭代进行计算。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种非理想大地中存在非理想导体时电缆传输线模型的构建方法，通过矩量法综合计算不同频率下接地网与二次电缆铠装层中的暂态骚扰，得到铠装层和接地网仿真模型；然后利用二次电缆的传输线法计算从二次电缆铠装层耦合至屏蔽层和芯线中的骚扰电压与电流，得到二次电缆屏蔽层和芯线的传输线模型；通过铠装层和接地网仿真模型与二次电缆屏蔽层和芯线的传输线模型之间的耦合作用，进行迭代至收敛得到电缆传输线模型。

进一步的，包括步骤如下：

步骤1，根据需要求解接地网以及二次电缆的物理位置关系，结合实际土壤电阻率、接地导体半径以及材料、二次电缆结构以及材料，建立接地网和二次电缆物理模型，输入需要计算的频率；

步骤2，步骤1中得到的接地网和二次电缆模型，包括接地网和二次电缆铠装层模型以及二次电缆屏蔽层和芯线模型，对于接地网和二次电缆铠装层模型，首先将接地网和电缆铠装层分成N段，k，k+和k-分别是第k(k＝1，2，...，N)段导体的中点和两端点，其中

求解出铠装层上的电位φ

其中，参数解释如下，Z

步骤3，建立二次电缆屏蔽层和芯线的传输线仿真模型，利用多导体传输线理论求出C

求解出屏蔽层流向铠装层的电流I、芯线电流I

其中参数解释如下，芯线与屏蔽层之间的等效电容C

I为从屏蔽层流向铠装层的电流，U

步骤4、向步骤2建立的铠装层和接地网仿真模型中注入骚扰电流后计算得到铠装层的电压U

进一步的，所述步骤4中，当屏蔽层流向铠装层的电流I、芯线电流I

进一步的，所述设定值为0.01％。

进一步的，所述电缆传输线模型包括铠装层和接地网仿真模型：

以及二次电缆屏蔽层和芯线的传输线仿真模型

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，本发明利用矩量法优势和传输线法优势，互补迭代进行计算，可以综合考虑接地系统与二次电缆两个耦合途径下二次电缆的暂态过程计算方法。此种方法基于矩量法和传输线法的变电站/换流站内接地系统与二次电缆耦合情况下二次电缆及接地网的综合仿真算法，该方法全面考虑了二次电缆与接地网的耦合机理，计算结果较为准确。另外，利用本发明的方法可以对考虑接地系统与二次电缆耦合情况下二次电缆暂态骚扰动态传播过程进行分析，得到二次电缆端口骚扰特征，包括幅值特征以及能量分布，同时也可以得到二次电缆对变电站/换流站接地网地电位分布的影响，为实际变电站/换流站设计、验收以及建设提供参考。

附图说明

图1为本发明接地网与二次电缆的耦合示意图。

图2为本发明基于矩量法的铠装层和接地网仿真模型。

图3为本发明二次电缆屏蔽层和芯线的传输线模型。

图4为本发明实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

对于如图1的接地网与二次电缆综合耦合模型，综合考虑二次电缆与接地网的耦合路径，包括二次电缆沿线地电位的对二次电缆的影响以及二次电缆与接地网之间的互感影响，首先建立如图2的接地网与二次电缆铠装层的仿真模型，在铠装层两端通过导线与接地网连接，中端部分通过等效电容C

本发明基于矩量法和传输线法的考虑接地系统与二次电缆仿真模型的构建的原理如图1所示，其中基于矩量法的接地网与二次电缆铠装层仿真模型如图2所示，基于传输线法的二次电缆屏蔽层和芯线的仿真模型如图3所示，模型主要有Z

本发明提出的一种非理想大地中存在非理想导体时电缆传输线模型的构建方法包括如下具体步骤：

步骤1，根据需要求解接地网以及二次电缆的物理位置关系，结合实际土壤电阻率、接地导体半径以及材料、二次电缆结构以及材料，建立接地网和二次电缆物理模型，输入需要计算的频率；

步骤2，步骤1中得到的接地网和二次电缆模型，包括接地网和二次电缆铠装层模型以及二次电缆屏蔽层和芯线模型，对于接地网和二次电缆铠装层模型，首先将接地网和电缆铠装层分成N段，k，k+和k-分别是第k(k＝1，2，...，N)段导体的中点和两端点，其中

求解出铠装层上的电位φ

其中，参数解释如下，Z

步骤3，建立二次电缆屏蔽层和芯线的传输线仿真模型，利用多导体传输线理论求出C

求解出屏蔽层流向铠装层的电流I、芯线电流I

其中参数解释如下，芯线与屏蔽层之间的等效电容C

I为从屏蔽层流向铠装层的电流，U

步骤4、向步骤2建立的铠装层和接地网仿真模型中注入骚扰电流后计算得到铠装层的电压U

在本发明的某一具体实施例中，如图4所示，本发明的目的是计算考虑接地系统与二次电缆耦合的二次电缆暂态骚扰传播特性，具体实现方法如图4，具体步骤如下：

步骤1、首先利用同轴圆柱导体模型，求出上述模型中的Z

步骤2、利用矩量法建立图2中的模型，注入骚扰电流后计算出I

步骤3、建立图3的传输线法模型，其中传输线方程为：

并利用步骤2中得到的I

步骤4、利用步骤3中得到的I，I