[发明专利]组合式复合材料杆塔防雷优化设计方法

摘要

本发明公开了一种组合式复合材料杆塔防雷优化设计方法：包括1、获取杆塔结构信息；2、建立地线横担和塔身的波阻抗模型，建立接地引下线的分段集中电感模型；3、根据塔头结构确定可能发生闪络的路径，建立基于先导法的绝缘闪络模型；4、建立考虑雷电流冲击效应的接地电阻模型；5、依据上述几个模型，连接形成整基复合杆塔的雷击仿真模型，6、耐雷水平和雷击跳闸率的计算，7、迭代计算与参数更新。本发明通过迭代的手段不断改进复合材料杆塔的几何结构，从而提高复合材料杆塔在保证耐雷性能的前提下的技术经济性。

主权项

一种组合式复合材料杆塔防雷优化设计方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：从组合式复合材料杆塔的典型设计图中获取组合式复合材料杆塔的地线横担(1)的长度l_g、地线横担(1)的半径r_A、第一相导线(2)到接地引下线(3)的空气间隙距离D₁、第二相导线(4)到接地引下线(3)的空气间隙距离D₂、第三相导线(5)到接地引下线(3)的空气间隙距离D₃、地线横担(1)至上层导线横担(6)垂直间距h₁、上层导线横担(6)至下层导线横担(7)的垂直间距h₂、钢管杆(8)的高度h₃、第一相导线(2)到同侧地线横担(1)上地线(9)的距离l₁、第一相导线(2)到同侧的第三相导线(5)的距离l₂，查询参考文献《DL/T6201997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》获得上述典型组合式复合材料杆塔的复合材料冲击闪络特性参数、空气冲击闪络特性参数，查询参考文献《DL/T6201997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》获得接地引下线单位长度电感值L₀；步骤2：通过如下公式1计算地线横担(1)的波阻抗Z_A；$Z_A=60\ln \left(\frac{2h_A}{r_a}\right)---\left(1\right)$其中，r_A为地线横担(1)的半径，h_A为地线横担(1)的高度，即h_A＝h₁+h₂+h₃；通过如下公式2计算钢管杆(8)的波阻抗Z_T；$Z_T=60(\ln \frac{2\sqrt{2}{h}_3}{r_T}-1)---\left(2\right)$其中，h₃为钢管杆(8)的高度，r_T为钢杆管(8)的顶端截面和底端截面半径的均值；所述接地引下线(3)在上层导线横担(6)所处的位置为界分成相互连接的上下两部分，上部分接地引下线(3)的电感值L_g1由如下公式3计算得到；L_g1＝L₀*h₁ (3)其中，L₀为接地引下线单位长度电感值，h₁为地线横担(1)至上层导线横担(6)垂直间距，即上部分接地引下线(3)的长度；下部分接地引下线(3)的电感值L_g2由如下公式4计算得到：L_g2＝L₀*h₂  (4)其中，L₀为接地引下线单位长度电感值，h₂为上层导线横担(6)至下层导线横担(7)的垂直间距，即下部分接地引下线(3)的长度；上述地线横担(1)的波阻抗Z_A、钢管杆(8)的波阻抗Z_T和上部分接地引下线(3)的电感值L_g1以及下部分接地引下线(3)的电感值L_g2构成了地线横担(1)、钢管杆(8)和接地引下线(3)的雷击仿真模型；步骤3：通过如下公式5得到组合式复合材料杆塔绝缘间隙中的先导已发展长度x，其中组合式复合材料杆塔绝缘间隙L为第一相导线(2)与接地引下线(3)之间的距离D₁、第二相导线(4)与接地引下线(3)之间的距离D₂、第三相导线(5)与接地引下线(3)之间的距离D₃、第一相导线(2)到同侧地线横担(1)上地线(9)的距离l₁和第一相导线(2)到同侧的第三相导线(5)的距离l₂，上述本步骤中每个距离所对应的间隙都有可能发生间隙闪络；$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{ku}\left(t\right)[\frac{u\left(t\right)}{L-x}-E_0]---\left(5\right)$其中，t为组合式复合材料杆塔绝缘间隙中的先导发展的时间，k为冲击放电实验结果拟合所得的经验系数，E₀为组合式复合材料杆塔绝缘间隙L先导起始的场强，u(t)为组合式复合材料杆塔绝缘间隙L在组合式复合材料杆塔模拟雷击开始至发生闪络或者模拟雷击结束内各时间段的电压值，该电压值通过现有组合式复合材料杆塔雷击仿真软件中提取得到，上述冲击放电实验结果拟合所得的经验系数k和组合式复合材料杆塔绝缘间隙L先导起始的场强E₀，根据步骤1中得到的典型组合式复合材料杆塔的复合材料冲击闪络特性参数、空气冲击闪络特性参数利用文献《基于连续先导的线路绝缘闪络判据的研究》中的现有方法计算得到，dx/dt为复合材料杆塔绝缘间隙中的先导发展速度，上述公式5形成组合式复合材料杆塔的绝缘闪络模型；步骤4：通过如下公式6得到组合式复合材料杆塔在雷电冲击作用下的接地电阻值R_ch；$R_{\mathrm{ch}}=\frac{R_0}{\sqrt{1+I/I_g}}---\left(6\right)$其中，R_o为组合式复合材料杆塔在工频电流下的接地电阻值，I为雷电冲击作用下流过合式复合材料杆塔接地体的冲击电流幅值，I_g是使土壤发生电离的最小电流值，上述R_o为参考文献《DL/T6201997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中记载的典型值，I_g为参考文献《基于ATP‑EMTP的杆塔接地体冲击接地电阻计算模型》中记载的典型值，I为通过现有组合式复合材料杆塔雷击仿真软件实时计算得到的值，上述公式6形成组合式复合材料杆塔雷电冲击接地电阻模型；步骤5：将上述地线横担(1)雷击仿真模型、钢管杆(8)雷击仿真模型、接地引下线(3)雷击仿真模型、组合式复合材料杆塔的绝缘闪络模型和组合式复合材料杆塔雷电冲击接地电阻模型按照步骤1中组合式复合材料杆塔的典型设计图的结构形式连接组合，即形成整基复合材料杆塔的雷击仿真模型；步骤6：使用ATP‑EMTP仿真软件通过整基复合材料杆塔的雷击仿真模型计算整基复合材料杆塔的反击耐雷水平和绕击耐雷水平；步骤7：利用上述反击耐雷水平通过如下公式7计算反击跳闸率BSTOR_c：BSTOR_c＝NgP₁η   (7)其中，所述N为线路走廊每100公里内落雷次数，通过参考文献《DL/T620 1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中给定的方法计算得到，所述g为查询参考文献《DL/T6201997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》获取的击杆率，所述P₁为雷电流幅值超过反击耐雷水平的概率，该概率由步骤6中获得的反击耐雷水平根据参考文献《DL/T6201997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的现有方法计算得到，所述η为查询参考文献《DL/T620 1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》获取的建弧率；利用上述绕击耐雷水平通过如下公式8计算绕击跳闸率SFTOR_c：${\mathrm{SFTOR}}_c=\frac{N_d}{10}\left(\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{I_{2k}}^{I_{s\max k}}{P}^{\′}\left(I\right)D_k\left(I\right)\mathrm{dI}\right)\mathrm{\η}---\left(8\right)$绕击跳闸率SFTOR_c按照改进的电气几何模型计算，总的绕击跳闸率为各相绕击跳闸率之和，N_d为给定的地闪密度值，I_2k为第k相绕击耐雷水平，其中k为1或2或3，该第k相绕击耐雷水平为ATP‑EMTP仿真软件通过现有方式计算得到，I_smaxk为第k相最大绕击雷电流，其中k为1或2或3，该第k相最大绕击雷电流为在改进的电气几何模型中对应的导线坐标和地线坐标计算求出，P’(I)为雷电流幅值概率分布密度，是雷电流幅值概率分布函数P(I)的导数，雷电流幅值概率分布函数P(I)由参考文献《DL/T6201997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》确定，D_k为相应雷电流下第k相导线暴露弧投影距离，该相应雷电流下第k相导线暴露弧投影距离根据改进的电气几何模型中的现有方式求出，所述η为查询参考文献《DL/T620 1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》获取的建弧率；利用如下公式9计算杆塔最终的雷击跳闸率：LTOR_c＝BSTOR_c+SFTOR_c   (9)即杆塔最终的雷击跳闸率等于反击跳闸率与绕击跳闸率之和；步骤8：比较杆塔最终的雷击跳闸率LTOR_c与参考文献《110(66)kV～500kV架空输电线路运行规范》内关于雷击跳闸率的规定指标LTOR_r的大小；当杆塔最终的雷击跳闸率LTOR_c小于所述雷击跳闸率的规定指标LTOR_r时，说明杆塔结构参数安全，通过减小组合式复合材料杆塔的地线横担(1)的长度l_g、第一相导线(2)到接地引下线(3)的空气间隙距离D₁、第二相导线(4)到接地引下线(3)的空气间隙距离D₂、第三相导线(5)到接地引下线(3)的空气间隙距离D₃，并调整地线横担(1)至上层导线横担(6)垂直间距h₁、上层导线横担(6)至下层导线横担(7)的垂直间距h₂、钢管杆(8)的高度h₃，实现了在减小复合材料的用量同时使塔最终的雷击跳闸率LTORc增加；当杆塔最终的雷击跳闸率LTOR_c大于所述雷击跳闸率的规定指标LTOR_r时，通过增加组合式复合材料杆塔的地线横担(1)的长度l_g、第一相导线(2)到接地引下线(3)的空气间隙距离D1、第二相导线(4)到接地引下线(3)的空气间隙距离D₂、第三相导线(5)到接地引下线(3)的空气间隙距离D₃来提高组合式复合材料杆塔的绝缘水平和减小保护角，从而减小杆塔最终的雷击跳闸率LTOR_c的值。