本发明专利技术请求保护一种架空电力线路杆塔处雷电感应电压的计算方法。主要内容：1.在考虑杆塔影响情况下的空间雷电电磁场计算。选择采用基于亚网格技术的时域有限差分法，对空气空间进行粗网格剖分，对杆塔进行细网格剖分。2.将雷电电磁场二维计算结果应用于架空电力线路与雷电流回击通道三维空间结构的场量分解。雷电回击电流激发形成的电磁场。3.架空电力线路雷电感应电压计算及杆塔位置雷电感应电压提取。采用Agrawal模型和FDTD法计算架空线路上的雷电感应电压；通过网格查询定位于杆塔位置，提取杆塔处的雷电感应电压。本发明专利技术能够有效且更加准确地评估架空电力线路和杆塔处绝缘子、避雷器等所承受的雷电感应电压。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及架空电力线路防雷、绝缘配合计算领域，具体为一种架空电力线路杆 塔处雷电感应电压计算方法。
技术介绍
雷击大地时，雷电释放出的脉冲电流将在数千米的空间范围内产生强烈的辐射电 磁场。架空输配电线路距离长，裸露于空气当中，极易与雷电电磁场相耦合，形成线路过电 压，严重的会造成线路对地或相间闪络、损坏端接变压器及开关设备等。特别是对于35kV 及以下的架空配电线路而言，由于绝缘水平较低，雷电感应过电压已成为线路绝缘闪络、跳 闸增多的主要原因。正确评估架空电力线路，特别是位于杆塔处的绝缘子、避雷器等装置所 承受的雷电感应电压的强度和时变特性，对于线路防雷、确保其安全稳定运行具有重要意 义。 已有文献均在忽略杆塔影响的情况下线路雷电感应过电压的计算，所得计算结果 是存在缺陷的。因为根据电磁波传播的基本原理可知，在电磁波传播的路径上出现两种媒 质时，由于电磁参数发生突变，会出现反射、折射等现象。因此，当雷电电磁场触及杆塔时， 会发生畸变，这样的电磁场耦合到线路上所形成的感应电压也随之发生变化。 若要更准确地计算架空电力线路以及安装在杆塔上的绝缘子、避雷器等所承受的 雷电感应电压，从而更合理地进行绝缘配合和防雷设计，就有必要考虑杆塔的影响。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术提供了一种考虑杆塔影响的情况下更加准确地计 算架空电力线路所承受的雷电感应电压，为线路导线、绝缘子选型和线路绝缘配合设计提 供理论依据的，本专利技术的技术方案如下：一种 ，其包括以下步骤： 101、获取多导架空线路雷电流波形特征参数，包括电流峰值L、波头时间ti和波 尾时间t2、回击速度、衰减常数，建立基底雷电流模型is(〇,t)和回击通道雷电流is(z'，t) 的数学模型，其中基底雷电流模型is(〇,t)采用Heidler模型函数：【主权项】1. 一种，其特征在于，包括w下步骤： 101、 获取多导架空线路雷电流波形特征参数，包括电流峰值I。、波头时间T1和波尾时 间T2、回击速度、衰减常数，建立基底雷电流模型i,(〇,t)和回击通道雷电流i,(Z'，t)的数 学模型，其中基底雷电流模型is化t)采用Heidler模型函数：式中；1。用于限定电流峰值； 亏为峰值电流修正系数；Ti、T2分别表示波 二孩八1y 头、波尾时间； 回击通道雷电流i,(z'，t)的数学模型采用改进传输线模型： i(z，，t) =0_\zis(〇,t-z,/Vi)t^z'/Vi 式中；Z'为雷电通道高度；A为衰减常数；Vi为雷电流回击速度； 102、 获取空气、杆塔的介质参数，具体为在空气中的介电常数e、磁导率y和电导率 0 ;在杆塔中介电常数￡f、磁导率Uf和电导率0f;设置二维柱坐标系，对计算区域进行亚 网格剖分，即对空气区域进行粗网格剖分，对杆塔进行细网格剖分，代入步骤101中的回击 通道雷电流模型i,(z'，t)，根据亚网格时域有限差分法即Sub-grid抑TD，迭代计算雷电电 磁场； 103、 获取多导架空线路空间的位置参数，即在设定的计算坐标系中，获取多导架空导 线所处的坐标位置，W及线路与雷击点的垂直距离山根据架空电力线路与雷电流回击通道 =维空间关系，将二维柱坐标系中计算所得的雷电场分量Ef沿架空线轴线方向进行分解转 换为Ey，此外，根据多导架空线路空间位置参数，计算多导架空线对应的单位长度电感系数 矩阵L和单位长度电容系数矩阵C; 104、 根据步骤103得到的雷电电场分量沿架空线路轴向的分解计算结果，及单位长度 电感系数矩阵L和单位长度电容系数矩阵C，并输入架空线路始端和终端等值阻抗、架空线 路长度，计算得出雷电电场对多导架空电力线路的电磁禪合的Agrawal模型，形成含有分 布电源的传输线方程组； 105、 将架空线路沿X方向W步长Ax剖分，时间离散步长取At,可得线路上雷电感应 电压的迭代计算式式中；/!"1和分别表示第（n+1)At时刻线路长度为kAX处的感应电流列相量和 散射电压向量； 获取架空线路始端和终端等值阻抗，修正边界式中和分别表示第（n+1)At时刻线路长度为kAx处的感应电流列相量和 散射电压向量边5和2^分别为线路始端和终端端接阻抗向量；^二为导线处入射电场的水 平分量向量；￡完和E三分别为线路始端和终端位置入射电场的垂直分量向量； 106、求线路上的雷电感应电压，即散射电压与入射电压之和然后根据架空线路起止位置、档距、杆塔与线路始端距离、网格剖分步长信息，确定杆 塔所在位置对应的计算网格数，提取和输出杆塔处的雷电感应电压。2. 根据权利要求1所述的一种，其特征在 于，步骤102中采用粗网格和细网格对二维雷电电磁场进行划分计算，的具体步骤为： A、 粗网格的空间步长和时间步长选择；Alm"<Amh/10, 式中；AU为网格的最大空间步长；Ami。为雷电电磁波的最小波长； 时间步长的选择依据Courant数值稳定条件B、 细网格的空间步长和时间步长选择； 将一个粗网格作％等分，则细网格的空间步长为细网格的时间步长为J C、 采用中屯、差分离散Maxwell方程对粗网格上雷电电磁场分量的迭代计算； D、 基于亚网格抑TD方法的细网格上雷电电磁场分量的迭代计算。3. 根据权利要求2所述的一种，其特征在 于，步骤C中采用中屯、差分离散Maxwell方程，得空间内雷电电磁场的抑TD迭代计算式式中；i，j分别为r方向和z方向上的网格数，n为迭代时间步数；e。、y。和o。分别 为空气的介电常数、磁导率和电导率； 而雷电流回击通道上的E,:式中；4""(./ + ^)表示（n+1)At时刻、高度为a+^)Az处的回击通道雷电流大小。4. 根据权利要求2所述的一种，其特征在 于，步骤D中采用亚网格抑TD方法对细网格上雷电电磁场分量的迭代计算具体为： dl、在杆塔所在位置进行细网格剖分，将原有一个粗网格作rif等分，Eff和E,f表 示细网格上的雷电电磁场在餐、r、z方向上的分量； d2、对细网格从n-n+1时刻的推进分为rif个小时间步进行，即细网格内部的场分量 计算进行％次循环迭代计算，迭代计算公式为式中；ii，jj分别为r方向和Z方向上的细网格数，m为细网格内迭代时间步数；ef、Uf和0f分别为杆塔介质材料的介电常数、磁导率和电导率。5. 根据权利要求4所述的一种，其特征 在于；步骤d2中还包括通过插值法对粗细网格重合边界处的场分量的计算步骤，具体为利 用n时刻和n+1时刻已知的场分量值W及细网格时间迭代步数进行插值，插值需满足波动 方程式中；D表示Er、Ez或％其中之一；V为波速。【专利摘要】本专利技术请求保护一种架空电力线路杆塔处雷电感应电压的计算方法。主要内容：1.在考虑杆塔影响情况下的空间雷电电磁场计算。选择采用基于亚网格技术的时域有限差分法，对空气空间进行粗网格剖分，对杆塔进行细网格剖分。2.将雷电电磁场二维计算结果应用于架空电力线路与雷电流回击通道三维空间结构的场量分解。雷电回击电流激发形成的电磁场。3.架空电力线路雷电感应电压计算及杆塔位置雷电感应电压提取。采用Agrawal模型和FDTD法计算架空线路上的雷电感应电压；通过网格查询定位于杆塔位置，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种架空电力线路杆塔处雷电感应电压计算方法，其特征在于，包括以下步骤：101、获取多导架空线路雷电流波形特征参数，包括电流峰值I0、波头时间τ1和波尾时间τ2、回击速度、衰减常数，建立基底雷电流模型is(0,t)和回击通道雷电流is(z',t)的数学模型，其中基底雷电流模型is(0,t)采用Heidler模型函数：is(0,t)=I0η(t/τ1)21+(t/τ1)2exp(-t/τ2)]]>式中：I0用于限定电流峰值；为峰值电流修正系数；τ1、τ2分别表示波头、波尾时间；回击通道雷电流is(z',t)的数学模型采用改进传输线模型：i(z',t)＝e‑λz'is(0,t‑z'/vi) t≥z'/vi式中：z′为雷电通道高度；λ为衰减常数；vi为雷电流回击速度；102、获取空气、杆塔的介质参数，具体为在空气中的介电常数ε、磁导率μ和电导率σ；在杆塔中介电常数εf、磁导率μf和电导率σf；设置二维柱坐标系，对计算区域进行亚网格剖分，即对空气区域进行粗网格剖分，对杆塔进行细网格剖分，代入步骤101中的回击通道雷电流模型is(z',t)，根据亚网格时域有限差分法即Sub‑grid FDTD，迭代计算雷电电磁场；103、获取多导架空线路空间的位置参数，即在设定的计算坐标系中，获取多导架空导线所处的坐标位置，以及线路与雷击点的垂直距离d，根据架空电力线路与雷电流回击通道三维空间关系，将二维柱坐标系中计算所得的雷电场分量Er沿架空线轴线方向进行分解转换为Ex，此外，根据多导架空线路空间位置参数，计算多导架空线对应的单位长度电感系数矩阵L和单位长度电容系数矩阵C；104、根据步骤103得到的雷电电场分量沿架空线路轴向的分解计算结果，及单位长度电感系数矩阵L和单位长度电容系数矩阵C，并输入架空线路始端和终端等值阻抗、架空线路长度，计算得出雷电电场对多导架空电力线路的电磁耦合的Agrawal模型，形成含有分布电源的传输线方程组；105、将架空线路沿x方向以步长Δx剖分，时间离散步长取Δt，可得线路上雷电感应电压的迭代计算式ikn+1=ikn-ΔtL-1(uk+1sn-uksnΔr-Exkn)]]>uks(n+1)=uksn-ΔtC-1(ik+1(n+1)-ik(n+1)Δx)]]>式中：和分别表示第(n+1)Δt时刻线路长度为kΔx处的感应电流列相量和散射电压向量；获取架空线路始端和终端等值阻抗，修正边界u1s(n+1)=(C2Δt+12ZSΔt)-1[(C2Δt-12ZSΔt)u1sn-i1nΔx+hEzSnZSΔx]]]>ukmax+1s(n+1)=(C2Δt+12ZLΔt)-1[(C2Δt-12ZLΔt)ukmax+1sn-ikmaxnΔx+hEzLnZLΔx]]]>式中：和分别表示第(n+1)Δt时刻线路长度为kΔx处的感应电流列相量和散射电压向量；ZS和ZL分别为线路始端和终端端接阻抗向量；为导线处入射电场的水平分量向量；和分别为线路始端和终端位置入射电场的垂直分量向量；106、求线路上的雷电感应电压，即散射电压与入射电压之和ukn+1=uks(n+1)-∫0hEzn+1dz]]>然后根据架空线路起止位置、档距、杆塔与线路始端距离、网格剖分步长信息，确定杆塔所在位置对应的计算网格数，提取和输出杆塔处的雷电感应电压。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：肖冬萍，刘淮通，谢雨桐，刘小龙，姜克儒，马启超，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85
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