一种考虑发电厂内避雷器配置的直击雷防护方法和系统与流程

1.本发明属于发电厂内直击雷防护技术领域，特别涉及一种考虑发电厂内避雷器配置的直击雷防护方法和系统。


背景技术：

2.目前，发电厂针对直击雷的防护主要有装设避雷针和避雷线，而避雷针及避雷线的防护范围确定方法主要有折线法和滚球法(下称传统滚球法)。折线法是我国国标推荐的配电装置直击雷防护计算方法，以雷电定位高度为基准进行雷击模拟实验的结果制定的，是由实验和经验得出的方法，其防护范围取决于避雷针的高度，具有计算公式简单的特点，但没有考虑不同设备的电压等级、引雷能力及雷电侧击的情况，物理意义不明确。传统滚球法计算公式相对繁琐，引入了击距理念，对相同线路上连接的不同被保护设备或元件，最大允许雷电流的计算值可能不同，选取的滚球半径不同，计算相对保守，防护范围小，相同情况下可能需要增加避雷针数量或者高度，在工程应用中增加投资成本。
3.在防护范围确定方法中，折线法和传统滚球法没有考虑避雷器对直击雷的影响，目前，发电厂内关键设备节点都装设了避雷器，虽然避雷器主要限制雷电侵入波，但是对直击雷的防护也有一定的作用，能提高发电厂保护率。
4.综上所述，现有防护范围确定方法存在可靠性低、防护范围无法得到严格证明、增大投资等问题，难以满足发电厂防雷要求。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明公开了一种考虑发电厂内避雷器配置的直击雷防护方法，包括：
6.建立发电厂直击雷保护仿真模型；
7.在所述发电厂直击雷保护仿真模型中加入直击雷电流；
8.当所述发电厂直击雷保护仿真模型中，直击雷电流达到或超过避雷器的标称放电电流时，确定所述标称放电电流为最大允许雷电流；
9.根据所述最大允许雷电流确定避雷针/避雷线的滚球半径；
10.根据滚球半径确定直击雷防护范围。
11.更进一步地，所述发电厂直击雷保护仿真模型包括变压器仿真模型、传输线模型和避雷器模型。
12.更进一步地，所述避雷针的滚球半径通过以下公式确定：
13.sz＝αi
s0.65
14.其中，sz为避雷针的滚球半径；is为最大允许雷电流；α为系数。
15.更进一步地，所述避雷线的滚球半径通过以下公式确定：
16.s
l
＝βi
s0.65
17.其中，s
l
为避雷线的滚球半径；β为系数。
18.更进一步地，所述最大允许雷电流通过以下公式确定：
19.is＝k'i
s0
20.其中，k'为比例系数，k'≤1；i
s0
为避雷器的标称放电电流。
21.更进一步地，所述建立发电厂直击雷保护仿真模型包括以下子步骤：
22.确定发电厂中电气设备或元件参数；
23.根据发电厂电气接线图、平面图及断面图，得到变压器、避雷器的相对位置及距离；
24.根据电气设备或元件参数和变压器、避雷器的相对位置及距离建立发电厂直击雷保护仿真模型。
25.更进一步地，所述电气设备或元件参数包括发电厂内外架空线电阻值、绝缘子串击穿电压、gis内母线电阻、电感、电容、波阻抗和波速。
26.一种考虑发电厂内避雷器配置的直击雷防护系统，包括：
27.模型单元，用于建立发电厂直击雷保护仿真模型；
28.电流单元，用于在所述发电厂直击雷保护仿真模型中加入直击雷电流；
29.最大允许雷电流确定单元，用于当所述发电厂直击雷保护仿真模型中，直击雷电流达到或超过避雷器的标称放电电流时，确定所述标称放电电流为最大允许雷电流；
30.滚球半径确定单元，用于根据所述最大允许雷电流确定避雷针/避雷线的滚球半径；
31.防护范围确定单元，用于根据滚球半径确定直击雷防护范围。
32.更进一步地，所述发电厂直击雷保护仿真模型包括变压器仿真模型、传输线模型和避雷器模型。
33.更进一步地，所述模型单元，具体用于：
34.确定发电厂中电气设备或元件参数；
35.根据发电厂电气接线图、平面图及断面图，得到变压器、避雷器的相对位置及距离；
36.根据电气设备或元件参数和变压器、避雷器的相对位置及距离建立发电厂直击雷保护仿真模型。
37.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
38.1)与折线法相比，本发明依据的基于电气几何模型的方法更加接近于雷击放电的电学理论，提出防护范围计算以不破坏设备绝缘为基本原则。计算防护范围时所用的最大允许雷电流，综合考虑了被保护设备(设备、绝缘子等)的绝缘水平和避雷器的设置，为发电厂直击雷防护提供了新的设计思路；
39.2)与传统滚球法相比，本发明计算的滚球半径考虑了与被保护设备相连的避雷器的配置、避雷器的雷电冲击保护水平与设备绝缘水平的配合系数关系，根据配合公式，被保护设备的绝缘水平高于避雷器标称放电电流下的残压，避雷器可至少在其标称放电电流及以下雷电流下对设备绝缘起到保护作用；
40.3)本发明提出计算滚球半径时，其最大允许雷电流按照不大于避雷器的标称放电电流，更符合实际工况，计算的滚球半径更大，防护范围更大，一定程度上可以减少避雷针/避雷线数量和高度。
41.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1示出了根据本发明实施例的发电厂直击雷保护仿真模型；
44.图2示出了根据本发明实施例的仿真雷击相避雷器达到标称放电电流时的电流波形；
45.图3示出了根据本发明实施例的防护范围对比图。
具体实施方式
46.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.本发明提出的一种考虑发电厂内避雷器配置的直击雷防护方法，包括以下步骤：
48.建立发电厂直击雷保护仿真模型；
49.在所述发电厂直击雷保护仿真模型中加入直击雷电流，即雷电流与雷击点设备电连接；其中，直击雷电流源采用2.6/50μs标准雷电流波和并联通道阻抗模拟；
50.当所述发电厂直击雷保护仿真模型中，直击雷电流达到或超过避雷器的标称放电电流时，确定所述标称放电电流为最大允许雷电流；
51.根据所述最大允许雷电流确定避雷针/避雷线的滚球半径；
52.根据滚球半径确定直击雷防护范围。
53.图1示出了根据本发明实施例的发电厂直击雷保护仿真模型。如图1所示，本发明基于电磁暂态程序(emtp—rv)软件建立发电厂直击雷保护仿真模型，建立发电厂直击雷保护仿真模型包括以下子步骤：
54.确定发电厂中电气设备或元件参数；其中，电气设备或元件参数包括发电厂内外架空线电阻值、绝缘子串击穿电压、gis(gas insulated switchgear，气体绝缘开关设备)内母线电阻、电感、电容、波阻抗、波速等；示例性地，发电厂内外架空线取电阻0.0125ω/km，波阻抗为289ω，波速为3
×
108m/s；绝缘子串击穿电压为2084kv；gis内母线电阻为5.9mω/km，电容为58.8
×
10-12
f/m，电感为199.5nh/m，波阻抗为60ω，波速为2.92
×
108m/s；
55.根据发电厂电气接线图、平面图及断面图，得到变压器、避雷器的相对位置及距离；
56.根据电气设备或元件参数和变压器、避雷器的相对位置及距离建立发电厂直击雷保护仿真模型。
57.发电厂直击雷保护仿真模型包括变压器仿真模型、传输线模型和避雷器模型。变压器仿真模型与传输线模型电性连接，变压器仿真模型与避雷器模型电性连接。
58.如图1所示，变压器仿真模型采用考虑励磁饱和特性与电容特性的宽频变压器模型，包括理想变压器、低压绕组对地电容c20、高压绕组对地电容c21、高低压绕组间匝间电容c31。理想变压器用来完成电压和电流的高低压变换，c20和c21分别反映高低压绕组的电容效应，c31反映高低压绕组间的电磁耦合。
59.如图1所示，传输线模型采用常参数模型，直接调用emtp-rv软件中的常参数(cp)模型，然后设置相应的波阻抗、波速、电阻等电路参数即可。
60.避雷器模型采用非线性电阻和电容并联的形式来模拟，并考虑避雷器引线段的影响，采用一段等长的传输线模型进行等效。如图1所示，避雷器模型包括氧化锌非线性电阻和对地电容c28，氧化锌非线性电阻模拟避雷器的电压-电流特性，对地电容c28模拟避雷器阀片间的杂散电容和对地电容的综合效果。示例性地，发电厂内的避雷器标称放电电流为20ka，残压为960kv。
61.最大允许雷电流通过下式确定：
62.is＝k'i
s0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
63.其中，is为最大允许雷电流；k'为比例系数，k'≤1，优选地，k'＝1；i
s0
为避雷器的标称放电电流，单位ka。
64.雷击距离即滚球半径(m)通过以下公式确定：
65.s＝8ki
s0.65
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
66.其中，s为滚球半径；k为系数，优选地，对于避雷线或避雷针与避雷线混合k＝1，对于避雷针k＝1.2。
67.避雷针的雷击距离即滚球半径通过以下公式确定：
68.sz＝9.6i
s0.65
＝9.6(k'i
s0
)
0.65
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
69.其中，sz为避雷针的滚球半径。
70.避雷线或避雷针与避雷线混合的雷击距离即滚球半径通过以下公式确定：
71.s
l
＝8i
s0.65
＝8(k'i
s0
)
0.65
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
72.其中，s
l
为避雷线或避雷针与避雷线混合的滚球半径。
73.通过公式(3)或(4)计算的滚球半径为被保护设备可以承受的最大滚球半径。被保护设备指发电厂的主变压器。
74.确定滚球半径后，再通过进一步仿真计算可得到直击雷防护范围(即通过电磁暂态程序(emtp—rv)软件计算)。
75.滚球半径考虑了被保护设备附近避雷器的雷电冲击保护水平与被保护设备绝缘水平的配合关系。
76.被保护设备内绝缘的雷电冲击耐压：
77.u
e.l.i
≥k
16ul.p
ꢀꢀꢀ
(5)
78.被保护设备外绝缘的雷电冲击耐压：
79.u
e.l.o
≥k
17ul.p
ꢀꢀꢀ
(6)
80.其中，u
e.l.i
为被保护设备内绝缘的雷电冲击耐压；u
e.l.o
为被保护设备外绝缘的雷电冲击耐压；u
l.p
为避雷器的雷电保护水平；k
16
为被保护设备内绝缘的雷电冲击耐压配合系
数，避雷器靠近设备时取1.25，其它情况可取1.4；k
17
为被保护设备外绝缘的雷电冲击耐压配合系数，取1.4。
81.由公式(5)、(6)可见，被保护设备的绝缘水平为避雷器标称放电电流下的残压的1.25～1.4倍，避雷器可至少在其标称放电电流及以下雷电流下对被保护设备绝缘起到保护作用。
82.直击雷防护范围方法与传统滚球法相比，考虑了被保护设备附近避雷器对于直击雷防护的作用，更接近于工程实际情况。
83.如图2所示，示出了仿真雷击相避雷器达到标称放电电流20ka时的电流波形，避雷器达到标称电流时，雷电流的峰值(即最大允许雷电流)，这个峰值是计算直击雷防护范围的关键。
84.如图3所示，示出了折线法、传统滚球法和直击雷防护方法(改进滚球法)三种方法的单支避雷针防护范围对比图，从图中可以看出直击雷防护方法的防护范围比传统滚球法更大，当主变压器处于相同高度时，防护半径增大了20.9％，具体数据见表1所示，具有明显的雷电防护优势。表1中的防护半径、最小防护宽度、防护点最低高度通过公式或电磁暂态程序(emtp—rv)软件计算得到。
85.表1三种方法计算结果对比表
[0086][0087]
与折线法相比，本发明依据的基于电气几何模型的方法更加接近于雷击放电的电学理论，提出防护范围计算以不破坏设备绝缘为基本原则。计算防护范围时所用的最大允许雷电流，综合考虑了被保护设备(电气设备、绝缘子等)的绝缘水平和避雷器的设置，为发电厂直击雷防护提供了新的设计思路；
[0088]
电气几何模型的基本原理为：由雷云向地面发展的先导头部到达被击物体的临界击穿距离之前，击中点是不确定的，先到哪个物体的击距内，即向该物体放电，雷击距离是雷电流的函数。
[0089]
与传统滚球法相比，本发明计算的滚球半径考虑了与被保护设备相连的避雷器的配置、避雷器的雷电冲击保护水平与设备绝缘水平的配合系数关系，根据配合公式，被保护设备的绝缘水平高于避雷器标称放电电流下的残压，避雷器可至少在其标称放电电流及以下雷电流下对设备绝缘起到保护作用；
[0090]
本发明提出计算滚球半径时，其最大允许雷电流按照不大于避雷器的标称放电电流，更符合实际工况，计算的滚球半径更大，防护范围更大，一定程度上可以减少避雷针/避雷线数量和高度。
[0091]
基于上述的考虑发电厂内避雷器配置的直击雷防护方法，本发明提出一种考虑发电厂内避雷器配置的直击雷防护系统，包括：
[0092]
模型单元，用于建立发电厂直击雷保护仿真模型；
[0093]
电流单元，用于在所述发电厂直击雷保护仿真模型中加入直击雷电流；
[0094]
最大允许雷电流确定单元，用于当所述发电厂直击雷保护仿真模型中，直击雷电流达到或超过避雷器的标称放电电流时，确定所述标称放电电流为最大允许雷电流；
[0095]
滚球半径确定单元，用于根据所述最大允许雷电流确定避雷针/避雷线的滚球半径；
[0096]
防护范围确定单元，用于根据滚球半径确定直击雷防护范围。
[0097]
所述发电厂直击雷保护仿真模型包括变压器仿真模型、传输线模型和避雷器模型。
[0098]
所述模型单元，具体用于：
[0099]
确定发电厂中电气设备或元件参数；
[0100]
根据发电厂电气接线图、平面图及断面图，得到变压器、避雷器的相对位置及距离；
[0101]
根据电气设备或元件参数和变压器、避雷器的相对位置及距离建立发电厂直击雷保护仿真模型。
[0102]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。