本發(fā)明涉及輸電線(xiàn)路雷電防護(hù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于流注-先導(dǎo)體系發(fā)展模型關(guān)鍵參量的確定方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

雷擊是造成輸電線(xiàn)路跳閘的重要原因。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)有一半以上的電力系統(tǒng)故障是由于雷擊造成的，前蘇聯(lián)1150kv輸電線(xiàn)路從1985年到1994年間所發(fā)生的跳閘事故中，有大約84％是雷擊跳閘事故。我國(guó)大量的輸電線(xiàn)路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，超、特高壓輸電線(xiàn)路的雷擊故障主要形式是繞擊，由于超、特高壓輸電線(xiàn)路具有桿塔尺寸大、運(yùn)行電壓高等特點(diǎn)，人們對(duì)其發(fā)生雷電發(fā)展的機(jī)理認(rèn)知仍然有限，使雷電防護(hù)工作變得十分困難，加上沿途氣候、地理環(huán)境復(fù)雜，超、特高壓輸電線(xiàn)路遭受自然雷害的概率增大。在這樣的實(shí)際工程需求下，輸電線(xiàn)路雷電機(jī)理研究這一課題成為了研究熱點(diǎn)。

目前對(duì)于雷電發(fā)展機(jī)理的普遍認(rèn)識(shí)是流注-先導(dǎo)的發(fā)展，即先導(dǎo)頭部的流注不斷發(fā)展，同時(shí)先導(dǎo)以通道的形式不斷發(fā)展，連接著電極與流注，采用流注-先導(dǎo)體系發(fā)展模型。其發(fā)展速度是關(guān)鍵參量，為了計(jì)算先導(dǎo)發(fā)展速度vl，需要確定先導(dǎo)電流il和參數(shù)ql。大量實(shí)驗(yàn)表明先導(dǎo)發(fā)展的平均速度與先導(dǎo)電流存在一定的關(guān)系：

其中，ql表示新產(chǎn)生單位長(zhǎng)度先導(dǎo)所需的電荷量，ql與施加的電壓波形和環(huán)境濕度有關(guān)，一般介于20～50μc/m。

先導(dǎo)頭部電流il是和流注空間電荷δq和時(shí)間δt是相關(guān)的，即：

國(guó)外研究學(xué)者geolian假設(shè)先導(dǎo)頭部的軸向電位分布是背景電位與先導(dǎo)通道電位的線(xiàn)性組合，隨著流注的發(fā)展，空間電位產(chǎn)生畸變，流注空間的正電荷δq是與電位畸變量相關(guān)的，流注空間的正電荷δq是與電位畸變量相關(guān)的。之后becerra在此模型基礎(chǔ)提出類(lèi)似的流注-先導(dǎo)體系發(fā)展模型并對(duì)上行先導(dǎo)過(guò)程仿真，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。geolian提出的方法為計(jì)算先導(dǎo)發(fā)展速度提供了一種思路，但其在推導(dǎo)中進(jìn)行了很多簡(jiǎn)化。becerra和geolian在計(jì)算中都未考慮背景電位隨時(shí)間的變化，這對(duì)于施加了正極性沖擊電壓的棒-板、線(xiàn)-板等間隙比較適用，但在雷電作用下，空間背景電位是時(shí)變的，模型的應(yīng)用具有局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于流注-先導(dǎo)體系發(fā)展模型關(guān)鍵參量的確定方法和系統(tǒng)，能夠擴(kuò)大模型的適用范圍和提高計(jì)算速度。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于流注-先導(dǎo)體系發(fā)展模型關(guān)鍵參量的確定方法，包括以下步驟：

第一步、測(cè)量先導(dǎo)通道的平均場(chǎng)強(qiáng)el和流注通道的平均場(chǎng)強(qiáng)es，場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量采用光電式探頭。

第二步、根據(jù)el和es計(jì)算所有空間電荷以及背景電位變化后的電位分布us；

第三步、根據(jù)us和es計(jì)算流注空間新增電荷δq；

第四步、根據(jù)新增電荷δq計(jì)算先導(dǎo)電流il，并根據(jù)參量ql計(jì)算發(fā)展速度vl。

進(jìn)一步的，第二步中，根據(jù)el和es計(jì)算所有空間電荷以及背景電位變化后的電位分布us具體為：

電位分布us由下式計(jì)算：

utip表示先導(dǎo)頭部的電位，由先導(dǎo)通道內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)el確定；以導(dǎo)線(xiàn)中心點(diǎn)為原點(diǎn)，建立二維直角坐標(biāo)系(x,u)，x方向與放電軸線(xiàn)方向相同，表示空間位置；u方向與放電軸線(xiàn)方向平行，表示電位；為流注-先導(dǎo)發(fā)展至第i-1步時(shí)背景電位；為流注-先導(dǎo)發(fā)展至第i步時(shí)背景電位。

進(jìn)一步的，第三步中，根據(jù)us和es計(jì)算流注空間新增電荷δq具體為：

利用電流積分得到電量q，確定kq的取值范圍為(3.0～4.0)×10^-11c/vm；

表示流注-先導(dǎo)發(fā)展至第i步時(shí)的先導(dǎo)頭部位置坐標(biāo)；表示流注-先導(dǎo)發(fā)展至第i步時(shí)的流注頭部位置坐標(biāo)；表示流注-先導(dǎo)發(fā)展至第i-1步時(shí)的流注頭部位置坐標(biāo)。

進(jìn)一步的，第四步中，參量ql由下式擬合計(jì)算獲得：

其中，p1＝8.847×10^-23，p2＝-1.209×10^-17，p3＝8.015×10^-13，p4＝-1.243×10^-8，p5＝1.187×10^-4。

一種基于流注-先導(dǎo)體系發(fā)展模型關(guān)鍵參量的確定系統(tǒng)，包括：

場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量模塊，用于測(cè)量先導(dǎo)通道的平均場(chǎng)強(qiáng)el和流注通道的平均場(chǎng)強(qiáng)es；

電位分布計(jì)算模塊，根據(jù)所述el和es計(jì)算所有空間電荷以及背景電位變化后的電位分布us；

新增電荷計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述us和es計(jì)算流注空間新增電荷δq；

發(fā)展速度計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述新增電荷δq計(jì)算先導(dǎo)電流il，并根據(jù)參量ql計(jì)算發(fā)展速度vl。

進(jìn)一步的，根據(jù)el和es計(jì)算所有空間電荷以及背景電位變化后的電位分布us具體為：

電位分布us由下式計(jì)算：

utip表示先導(dǎo)頭部的電位，由先導(dǎo)通道內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)el確定；以導(dǎo)線(xiàn)中心點(diǎn)為原點(diǎn)，建立二維直角坐標(biāo)系(x,u)，x方向與放電軸線(xiàn)方向相同，表示空間位置；u方向與放電軸線(xiàn)方向平行，表示電位；為流注-先導(dǎo)發(fā)展至第i-1步時(shí)背景電位；為流注-先導(dǎo)發(fā)展至第i步時(shí)背景電位。

進(jìn)一步的，根據(jù)us和es計(jì)算流注空間新增電荷δq具體為：

利用電流積分得到電量q，確定kq的取值范圍為(3.0～4.0)×10^-11c/vm；

表示流注-先導(dǎo)發(fā)展至第i步時(shí)的先導(dǎo)頭部位置坐標(biāo)；表示流注-先導(dǎo)發(fā)展至第i步時(shí)的流注頭部位置坐標(biāo)；表示流注-先導(dǎo)發(fā)展至第i-1步時(shí)的流注頭部位置坐標(biāo)。

進(jìn)一步的，參量ql由下式擬合計(jì)算獲得：

其中，p1＝8.847×10^-23，p2＝-1.209×10^-17，p3＝8.015×10^-13，p4＝-1.243×10^-8，p5＝1.187×10^-4。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、對(duì)雷電現(xiàn)象中的流注-先導(dǎo)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行建模，其創(chuàng)新性體現(xiàn)在提出了一種能夠考慮背景電位變化的電位畸變方法以確定空間新增電荷δq。保證模型計(jì)算精度，擴(kuò)大其適用范圍。

2、本發(fā)明提出的自適應(yīng)算法可以有效降低冗余的計(jì)算，簡(jiǎn)化了整個(gè)計(jì)算過(guò)程，能夠快速計(jì)算雷電發(fā)展過(guò)程的關(guān)鍵參量，對(duì)雷電機(jī)理研究具有指導(dǎo)意義，適合應(yīng)用在工程實(shí)際當(dāng)中。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書(shū)中變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說(shuō)明

附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本申請(qǐng)的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明的技術(shù)方案，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制。

圖1是本發(fā)明提出的每一步流注、先導(dǎo)頭部的位置，流注、先導(dǎo)通道的場(chǎng)強(qiáng)、空間電荷以及背景電場(chǎng)變化后的電位分布圖；

圖2是基于同軸分流器的高電位瞬態(tài)電流測(cè)量系統(tǒng)示意圖；

圖3是以光電集成電場(chǎng)傳感器為核心傳感元件構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。

在附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行。并且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟。

本發(fā)明提出基于流注-先導(dǎo)體系發(fā)展模型的關(guān)鍵參量確定方法和系統(tǒng)，提出了一種能夠考慮背景電位變化的電位畸變方法以確定關(guān)鍵參量，擴(kuò)大模型的適用范圍和提高計(jì)算速度，以便更好的應(yīng)用到工程實(shí)際中。

geolian假設(shè)先導(dǎo)頭部的軸向電位分布是背景電位與先導(dǎo)通道電位的線(xiàn)性組合，隨著流注的發(fā)展，空間電位產(chǎn)生畸變，流注空間的正電荷δq是與電位畸變量相關(guān)的，可以按照下式計(jì)算

中u2(t,x)表示考慮空間電荷后t時(shí)刻x處的電位，而δq與δt時(shí)間內(nèi)注入先導(dǎo)頭部的電流il是相關(guān)的。本發(fā)明實(shí)施例是在上述模型的基礎(chǔ)上考慮背景電場(chǎng)隨時(shí)間的變化確定電位畸變的方法，并提高了計(jì)算效率。

提出基于流注-先導(dǎo)體系發(fā)展模型的關(guān)鍵參量δq的確定方法，主要包含確定每一步流注、先導(dǎo)頭部的位置，流注、先導(dǎo)通道的場(chǎng)強(qiáng)、空間電荷以及背景電場(chǎng)變化后的電位分布。

其中某些參數(shù)的測(cè)量借助實(shí)驗(yàn)中高電壓測(cè)量系統(tǒng)、電位瞬態(tài)電流測(cè)量系統(tǒng)和高瞬態(tài)響應(yīng)電場(chǎng)傳感器測(cè)量系統(tǒng)。電壓測(cè)量采用弱阻尼電容分壓器，由兩節(jié)脈沖電容器組成，高壓臂電容量為986pf，低壓臂電容量為1.151μf，經(jīng)測(cè)試其變比為1168，分壓器輸出信號(hào)經(jīng)100比1衰減器后輸出至示波器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

利用高電位瞬態(tài)電流測(cè)量系統(tǒng)，可對(duì)長(zhǎng)空氣間隙放電全過(guò)程的放電電流進(jìn)行測(cè)量記錄。高電位電流測(cè)量系統(tǒng)如附圖2所示。該系統(tǒng)串聯(lián)在分壓器與測(cè)試間隙的高壓電極1之間，大功率同軸分流器2為核心測(cè)量元件，阻值0.1ω，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其3db下限和上限截止頻分別為0hz和6.5mhz。同軸分流器2測(cè)得的電壓信號(hào)傳輸給nationalinstrumentsusb-5133數(shù)字采集卡3進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采集卡輸入電壓范圍為40mv到40v，具有50mhz帶寬和8位分辨率的雙同步采樣通道，且?guī)в幸粋€(gè)外部觸發(fā)端口。采集卡的數(shù)字信號(hào)再通過(guò)icronusbranger2224電光轉(zhuǎn)換設(shè)備，由光纖4傳輸至低壓側(cè)的對(duì)應(yīng)光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，輸出至計(jì)算機(jī)測(cè)控端。此外，針對(duì)同軸分流器上限帶寬的不足，也可補(bǔ)充一套rogowski線(xiàn)圈(也稱(chēng)羅氏線(xiàn)圈)作為第二測(cè)量單元。同軸分流器2和數(shù)字采集卡3設(shè)置于金屬桶7中，并通過(guò)同軸連接頭6連接；同軸分流器2帶有保護(hù)裝置5。

高瞬態(tài)響應(yīng)電場(chǎng)傳感器測(cè)量系統(tǒng)于接收傳感器輸出的圓偏振態(tài)或橢圓偏振態(tài)激光，并使偏振態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)化為兩路光強(qiáng)度信號(hào)，偏振分束器的輸入端與傳感器相連，偏振分束器的一端輸出與光接收機(jī)相連。其率響應(yīng)寬，動(dòng)態(tài)范圍大，適合測(cè)量線(xiàn)路上的諧波和脈沖暫態(tài)電壓。其高壓側(cè)信號(hào)通過(guò)絕緣材料做成的光纖傳輸?shù)蕉卧O(shè)備，這使得其絕緣結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，而且隨著電壓等級(jí)的升高，其性?xún)r(jià)比的優(yōu)勢(shì)越明顯。

計(jì)算流注空間新增電荷的步驟如下：

1)建立二維直角坐標(biāo)系(x,u)，原點(diǎn)位于導(dǎo)線(xiàn)中心點(diǎn)，x方向與放電軸線(xiàn)方向相同，表示空間位置。u方向與放電軸線(xiàn)方向垂直，表示電位。導(dǎo)線(xiàn)視為無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)，地面視為無(wú)限大平面，且與放電軸線(xiàn)垂直，如附圖1所示。

2)表示第i-1步先導(dǎo)頭部位置坐標(biāo)，表示第i-1步流注頭部位置坐標(biāo)。流注-先導(dǎo)發(fā)展至第(i–1)步時(shí)，軸線(xiàn)上電中背景電位分布為利用高瞬態(tài)電場(chǎng)傳感器測(cè)量先導(dǎo)通道和流注通道的平均場(chǎng)強(qiáng)el和es,流注區(qū)域電位由先導(dǎo)頭部電位和流注區(qū)域平均場(chǎng)強(qiáng)es確定的直線(xiàn)決定，即附圖1中的es虛線(xiàn)。

3)流注-先導(dǎo)發(fā)展至第i步時(shí)，軸線(xiàn)上電位分布如示，其中背景電位分布下降至先導(dǎo)通道發(fā)展至通道內(nèi)電位由通道場(chǎng)強(qiáng)el確定，流注發(fā)展至流注區(qū)域電位如附圖1中es實(shí)線(xiàn)所示。

4)第i步新增的流注電荷δq的電位畸變可以用附圖1中陰影部分表示。其中utip表示先導(dǎo)頭部的電位，由先導(dǎo)通道內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)el確定。下邊界us表示考慮前(i–1)步所有空間電荷以及背景電位變化后的電位分布，可由下式計(jì)算：

utip表示先導(dǎo)頭部的電位，由先導(dǎo)通道內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)el確定；以導(dǎo)線(xiàn)中心點(diǎn)為原點(diǎn)，建立二維直角坐標(biāo)系(x,u)，x方向與放電軸線(xiàn)方向相同，表示空間位置；u方向與放電軸線(xiàn)方向平行，表示電位；為流注-先導(dǎo)發(fā)展至第i-1步時(shí)背景電位；為流注-先導(dǎo)發(fā)展至第i步時(shí)背景電位。

5)計(jì)算流注空間新增電荷δq的需要對(duì)兩部分陰影面積進(jìn)行積分求解，計(jì)算公式由下式求得。其中kq是比例系數(shù)流注分支根數(shù)、流注通道半徑等參數(shù)影響，一般難以確定。通過(guò)壓測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量時(shí)變的電壓，計(jì)算得到空間時(shí)變的電位分布。通過(guò)電位瞬態(tài)電流測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量電流數(shù)據(jù)，利用電流積分得到電量q，確定kq的取值范圍為(3.0～4.0)×10^-11c/vm。

6)對(duì)于ql的取值，可以表示為以下公式，fe、ft和fr分別為電子激發(fā)能量、平動(dòng)能量及轉(zhuǎn)動(dòng)能量的分配系數(shù)，其值與粒子的溫度有關(guān)，τvt為時(shí)間常數(shù)。

如果ql為定值，計(jì)算得到先導(dǎo)發(fā)展速度vl過(guò)大，這是因?yàn)樽匀焕着c長(zhǎng)間隙條件并不等效，隨著先導(dǎo)速度的增加，先導(dǎo)頭部電荷轉(zhuǎn)換為熱能的效率下降，需要更多的電荷注入來(lái)維持先導(dǎo)發(fā)展，ql應(yīng)隨著先導(dǎo)速度vl增加而增加。通過(guò)上式算得到了ql與vl的關(guān)系，擬合得到的公式如下：

其中p1＝8.847×10^-23，p2＝-1.209×10^-17，p3＝8.015×10^-13，p4＝-1.243×10^-8，p5＝1.187×10^-4。按照此方法計(jì)算ql。

由第5步計(jì)算的流注新增電荷δq計(jì)算先導(dǎo)電流il，并根據(jù)參量ql計(jì)算發(fā)展速度vl。

基于上述描述，本發(fā)明還提供一種基于流注-先導(dǎo)體系發(fā)展模型關(guān)鍵參量的計(jì)算系統(tǒng)，包括：

場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量模塊，用于測(cè)量先導(dǎo)通道的平均場(chǎng)強(qiáng)el和流注通道的平均場(chǎng)強(qiáng)es；

電位分布計(jì)算模塊，根據(jù)所述el和es計(jì)算所有空間電荷以及背景電位變化后的電位分布us；

新增電荷計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述us和es計(jì)算流注空間新增電荷δq；

發(fā)展速度計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述新增電荷δq計(jì)算先導(dǎo)電流il，并根據(jù)參量ql計(jì)算發(fā)展速度vl。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，上述的本發(fā)明實(shí)施例的模塊或步驟可以用通用的計(jì)算裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，它們可以集中在單個(gè)的計(jì)算裝置上，或者分布在多個(gè)計(jì)算裝置所組成的網(wǎng)絡(luò)上，可選地，它們可以用計(jì)算裝置可執(zhí)行的程序代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而，可以將它們存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中由計(jì)算裝置來(lái)執(zhí)行，并且在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟，或者將它們分別制作成集成電路模塊，或者將它們中的多個(gè)模塊或步驟制作成單個(gè)集成電路模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，本發(fā)明實(shí)施例不限制于任何特定的硬件和軟件結(jié)合。

雖然本發(fā)明所揭露的實(shí)施方式如上，但所述的內(nèi)容僅為便于理解本發(fā)明而采用的實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實(shí)施的形式及細(xì)節(jié)上進(jìn)行任何的修改與變化，但本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書(shū)所界定的范圍為準(zhǔn)。