一种电力系统避雷器的仿真计算方法.pdf

本发明公开了一种电力系统避雷器的仿真计算方法，所述方法包括：步骤1：建立电力系统陡波前雷电暂态过电压作用下氧化锌避雷器的仿真模型；步骤2：基于建立的仿真模型，输入冲击电流，获得仿真模型输出信号；步骤3：基于仿真模型输出信号，对避雷器进行仿真计算，实现了对避雷器在过电压作用下动作过程的真实仿真的技术效果。

1.一种电力系统避雷器的仿真计算方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：建立电力系统陡波前雷电暂态过电压作用下氧化锌避雷器的仿真模型；
步骤2：基于建立的仿真模型，输入冲击电流，获得仿真模型输出信号；
步骤3：基于仿真模型输出信号，对避雷器进行仿真计算。
2.根据权利要求1所述的电力系统避雷器的仿真计算方法，其特征在于，所述仿真模型
具体包括：线性电阻R1、线性电阻R3、线性电感L1、线性电感L2、非线性电阻R2、非线性电阻
R4、线性电容C，其中，线性电阻R1的一端和线性电感L1的一端均与输入端连接，线性电阻R1
的另一端与输出端连接；非线性电阻R2的一端、线性电感L2的一端、线性电阻R3的一端均与
线性电感L1的另一端连接；非线性电阻R2的另一端与输出端连接，线性电阻R3的另一端与
线性电容C的一端连接，线性电感L2的另一端和线性电容C的另一端均与非线性电阻R4的一
端连接，非线性电阻R4的另一端与输出端连接。
3.根据权利要求2所述的电力系统避雷器的仿真计算方法，其特征在于，线性电阻R1为
控制元件，用于防止仿真波形结果出现震荡；线性电感L1表征放电电流滞后于残余电压；非
线性电阻R2表征陡波前过电压作用下避雷器的V-I特性；线性电感L2为滤波元件，与线性电
容C组成低通滤波电路；线性电阻R3为控制元件，用于防止仿真波形结果出现震荡；线性电
容C为滤波元件，与线性电感L2组成低通滤波电路；非线性电阻R4表征缓波前过电压作用下
避雷器的V-I特性。
4.根据权利要求1所述的电力系统避雷器的仿真计算方法，其特征在于，所述步骤2具
体包括：基于建立的仿真模型，利用输出1μs陡波前的同轴发生装置及测量系统，在氧化性
避雷器上输出波前时间1μs以上、电流峰值0.2～11kA的冲击电流，试验求取避雷器的相关
参数。
5.根据权利要求1所述的电力系统避雷器的仿真计算方法，其特征在于，避雷器仿真模
型中线性电感参数通过以下方式求取：
$L_1=\frac{1}{12}\·\frac{U_{r1}-U_{r8/20}}{U_{r8/20}}\·U_n\left(\mathrm{\μ}F\right)---\left(1\right)$
$L_2=\frac{1}{4}\·\frac{U_{r1}-U_{r8/20}}{U_{r8/20}}\·U_n\left(\mathrm{\μ}F\right)---\left(2\right)$
上式中U_r1为避雷器在幅值为10kA、波前时间为1μs的陡波前冲击电流作用下的残压
值，波尾时间可由避雷器厂家自行选取，U_r8/20为避雷器在幅值为10kA的8/20μs标准雷电冲
击电流作用下的残压值，U_n为避雷器的额定电压；
避雷器模型中用以表征伏安特性的非线性电阻参数通过以下方式求取：
$R_2={\mathrm{\α}}_1\·{I_2}^{0.049}\frac{U_{r8/20}}{1.6}---\left(3\right)$
$R_4={\mathrm{\α}}_2\·{I_4}^{0.051}\frac{U_{r8/20}}{1.6}---\left(4\right)$
上式中I₂和I₄分别为流过非线性电阻R₂和R₄的电流，α₁取初值1.219，α₂取初值0.964，α₁
和α₂均为电阻系数。

一种电力系统避雷器的仿真计算方法

技术领域

本发明涉及电力系统数值仿真是分析领域，具体地，涉及一种电力系统避雷器的
仿真计算方法。

背景技术

数值仿真是分析电力系统雷电过电压暂态特性的主要方法，建立合适的避雷器模
型有助于精确分析雷电过电压作用下避雷器的动作特性。基于试验结果，国内外学者提出
了多种氧化性避雷器阀片及本体的仿真计算模型。IEC标准提出了陡波作用下的一种非线
性电阻建议模型，IEEE标准提出了适用于波前时间为0.5μs～45μs的等值计算模型，意大利
学者PINCEITI对IEEE模型进行了简化改进，但是在陡波前冲击电流作用下，由于存在电磁
振荡过程,仍存在避雷器残压过冲过大的现象。

综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至
少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的分析电力系统雷电过电压暂态特性方法，存在避雷器残压
过冲过大现象的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种电力系统避雷器的仿真计算方法，解决了现有的分析电力系统
雷电过电压暂态特性方法，存在避雷器残压过冲过大现象的技术问题，实现了对避雷器在
过电压作用下动作过程的真实仿真的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种电力系统避雷器的仿真计算方法，所述
方法包括：

步骤1：建立电力系统陡波前雷电暂态过电压作用下氧化锌避雷器的仿真模型；

步骤2：基于建立的仿真模型，输入冲击电流，获得仿真模型输出信号；

步骤3：基于仿真模型输出信号，对避雷器进行仿真计算。

进一步的，所述仿真模型具体包括：线性电阻R1、线性电阻R3、线性电感L1、线性电
感L2、非线性电阻R2、非线性电阻R4、线性电容C，其中，线性电阻R1的一端和线性电感L1的
一端均与输入端连接，线性电阻R1的另一端与输出端连接；非线性电阻R2的一端、线性电感
L2的一端、线性电阻R3的一端均与线性电感L1的另一端连接；非线性电阻R2的另一端与输
出端连接，线性电阻R3的另一端与线性电容C的一端连接，线性电感L2的另一端和线性电容
C的另一端均与非线性电阻R4的一端连接，非线性电阻R4的另一端与输出端连接。

进一步的，线性电阻R1为控制元件，用于防止仿真波形结果出现震荡；线性电感L1
表征放电电流滞后于残余电压；非线性电阻R2表征陡波前过电压作用下避雷器的V-I特性
(伏安特性)；线性电感L2为滤波元件，与线性电容C组成低通滤波电路；线性电阻R3为控制
元件，用于防止仿真波形结果出现震荡；线性电容C为滤波元件，与线性电感L2组成低通滤
波电路；非线性电阻R4表征缓波前过电压作用下避雷器的V-I特性。

进一步的，所述步骤2具体包括：基于建立的仿真模型，利用输出1μs陡波前的同轴
脉冲电压发生装置及电压波形测量系统，在氧化性避雷器上输出波前时间1μs以上、电流峰
值0.2～11kA的冲击电流，试验求取避雷器的相关参数。

进一步的，避雷器仿真模型中线性电感参数通过以下方式求取：

上式中U_r1为避雷器在幅值为10kA、波前时间为1μs的陡波前冲击电流作用下的残
压值，波尾时间可由避雷器厂家自行选取，U_r8/20为避雷器在幅值为10kA的8/20μs标准雷电
冲击电流作用下的残压值，U_n为避雷器的额定电压；

避雷器模型中用以表征伏安特性的非线性电阻参数通过以下方式求取：

上式中I₂和I₄分别为流过非线性电阻R₂和R₄的电流，α₁取初值1.219，α₂取初值
0.964。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于在等值模型中加入了串联电容，对传统模型在应用过程中所形成的过冲进行
了有效吸收，所以，有效解决了现有的分析电力系统雷电过电压暂态特性方法，存在避雷器
残压过冲过大现象的技术问题，进而实现了对避雷器在过电压作用下动作过程的真实仿真
的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部
分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中电力系统避雷器的仿真计算方法的流程示意图；

图2是本申请中避雷器电气等值模型示意图；

图3是本申请中0.8/5μs陡波前冲击电流作用下避雷器残压仿真结果示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种电力系统避雷器的仿真计算方法，解决了现有的分析电力系统
雷电过电压暂态特性方法，存在避雷器残压过冲过大现象的技术问题，实现了对避雷器在
过电压作用下动作过程的真实仿真的技术效果

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实
施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的
实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可
以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下
面公开的具体实施例的限制。

实施例一：

在实施例一中，提供了一种电力系统避雷器的仿真计算方法，请参考图1，所述方
法包括：

步骤1：建立电力系统陡波前雷电暂态过电压作用下氧化锌避雷器的仿真模型；

步骤2：基于建立的仿真模型，输入冲击电流，获得仿真模型输出信号；

步骤3：基于仿真模型输出信号，对避雷器进行仿真计算。

请参考图2，图2为避雷器电气等值模型示意图，如图2所示为电力系统陡波前雷电
暂态过电压作用下氧化锌避雷器的emtp仿真模型，模型包括线性电阻(R1，R3)，线性电感
(L1，L2)，非线性电阻(R2，R4)，以及线性电容(C)。线性电阻(R3)与线性电容(C)组成串联支
路一，其与线性电感(L2)组成并联支路一，而后与非线性电阻(R4)组成串联支路二，与非线
性电阻(R2)组成并联支路二，与线性电感(L1)组成串联支路三，与线性电阻R1组成并联支
路三。且并联支路三的1号端为高压端，2号端为低压端。本模型用于电力系统陡波前雷电暂
态过电压作用下氧化锌避雷器的emtp仿真计算。其中，EMTP是现有技术中用于电力系统电
磁暂态分析的仿真软件。

其中，该模型具有以下特征：

(1)包括线性电阻(R1，R3)，线性电感(L1，L2)，非线性电阻(R2，R4)，以及线性电容
(C)。线性电阻(R3)与线性电容(C)组成串联支路一，其与线性电感(L2)组成并联支路一，而
后与非线性电阻(R4)组成串联支路二，与非线性电阻(R2)组成并联支路二，与线性电感
(L1)组成串联支路三，与线性电阻R1组成并联支路三。

(2)并联支路三的1号端为高压端，2号端为低压端。

(3)线性电阻(R1)为控制元件，用于防止仿真波形结果出现震荡。

(4)线性电感(L1)表征放电电流滞后于残余电压，由避雷器陡波冲击残压、雷电波
冲击残压与额定电压求取。

(5)非线性电阻(R2)表征陡波前过电压作用下避雷器的V-I特性，为试验获得的陡
波前过电压作用下避雷器的V-I特性。

(6)线性电感(L2)为滤波元件，与线性电容(C)组成低通滤波电路，由避雷器陡波
冲击残压、雷电波冲击残压与额定电压求取。

(7)线性电阻(R3)为控制元件，用于防止仿真波形结果出现震荡。

(8)线性电容(C)为滤波元件，与线性电感(L2)组成低通滤波电路，由避雷器本体
长度和并联柱数求取。

(9)非线性电阻(R4)表征缓波前过电压作用下避雷器的V-I特性，为试验获得的缓
波前过电压作用下避雷器的V-I特性。

雷电暂态过电压作用下氧化锌避雷器的电气等值模型，利用一套可输出1μs陡波
前的同轴发生装置及测量系统，可在氧化性避雷器上输出波前时间1μs以上、电流峰值0.2
～11kA的冲击电流，试验求取了避雷器的相关参数。

试验回路为紧凑型结构，避雷器模型中线性电感参数通过以下方式求取：

上述式中U_r1为避雷器在幅值为10kA、波前时间为1μs的陡波前冲击电流作用下的
残压值，波尾时间可由避雷器厂家自行选取，不会影响计算结果。U_r8/20为避雷器在幅值为
10kA的8/20μs标准雷电冲击电流作用下的残压值，U_n为避雷器的额定电压。

避雷器模型中用以表征伏安特性的非线性电阻参数通过以下方式求取：

以上式中I₂和I₄分别为流过非线性电阻R₂和R₄的电流，α₁取初值1.219，α₂取初值
0.964。

避雷器模型中线性电阻R₁取值为1MΩ，线性电阻R₃取初值1Ω，线性电容C取初值1μ
H。

根据上述方式得到避雷器模型各元件参数初值，在emtp中建立避雷器模型，而后
通过以下方式进行模型参数修正：

根据生产厂家的试验条件，在emtp中建立操作冲击电流模型，对避雷器模型注入
此电流，调整系数α₁和α₂，使仿真得到的避雷器残压与试验结果相符。

调整线性电阻R3和线性电容C的数值，使在8/20μs雷电冲击电流作用下避雷器残
压波形的残压过冲与试验结果相符。

调整线性电感L₁的数值，使8/20μs雷电冲击电流作用下避雷器残压数值与试验结
果相符。

以某Y10W-216/562型号避雷器为例，其技术参数由生产厂家提供，如表1所示。

表1避雷器技术参数

根据表1中的技术参数进行计算并进行修正处理后，得到非线性电阻R₂和R₄的伏安
特性，如表2所示。

表2非线性电阻R₂和R₄的伏安特性

得到非线性电感L1数值为0.218μH，非线性电感L2为6.534μH，线性电容C为0.75μ
F，线性电阻R3为2.5Ω。

对该模型施加陡波前冲击电流，波前时间为0.8μs，电流幅值为10kA，得到仿真结
果如图3所示。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

由于在等值模型中加入了串联电容，对传统模型在应用过程中所形成的过冲进行
了有效吸收，所以，有效解决了现有的分析电力系统雷电过电压暂态特性方法，存在避雷器
残压过冲过大现象的技术问题，进而实现了对避雷器在过电压作用下动作过程的真实仿真
的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造
性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优
选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精
神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围
之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。