本发明涉及电力系统输电线路过电压防治技术领域，特别涉及一种大跨越高杆塔雷击过电压仿真模型生成方法。
背景技术：
随着电网规模日益扩大，跨越江河、湖泊、山谷等地形的大跨越高杆塔线路段越来越多，相较于常规路径架空输电线路，大跨越高杆塔遭受雷击的概率大，雷击塔顶造成的过电压幅值也比普通杆塔高，对线路的绝缘威胁更大，因此针对大跨越高杆塔线路段耐雷性能的研究也是整条输电线路防雷的关键环节。
对大跨越高杆塔遭雷击时的暂态过电压进行仿真是分析线路防雷性能的一个重要手段，传统的杆塔雷击过电压仿真模型对杆塔的模拟主要采用集中电感模型、单波阻抗模型和多波阻抗模型，其中集中电感模型无法考虑电磁波传播的延迟效应，不能有效反映高杆塔雷击暂态特性，单波/多波阻抗模型通常将杆塔横担以下的塔身视为一段波阻抗来模拟，对于常规高度杆塔的计算精度尚可满足要求，但大跨越高杆塔横担以下的塔身非常长，是该杆塔的主体部分，这段塔身顶部和底部的结构、尺寸相差很大，简化处理可能导致较大误差。
雷电波沿杆塔传播时，沿塔身的单位长度电感和单位长度电容是变化的，沿杆塔分布的波阻抗也是变化的，将大跨越高杆塔横担以下的塔身均分成多段波阻抗来等效模拟更能反映实际的雷击杆塔暂态特性，然而如何分段能兼顾雷击过电压仿真计算的简便性与准确性，目前尚无明确的方案。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提出一种大跨越高杆塔雷击过电压仿真模型生成方法，本发明提出的技术方案如下：
一种大跨越高杆塔雷击过电压仿真模型生成方法，包括步骤：
a)从大跨越高杆塔的典型设计图中获取大跨越高杆塔各部分结构几何尺寸；
b)将大跨越高杆塔按几何结构进行分段：最下层横担以上的杆塔部分按照各导线、地线横担间距进行分段，各层横担之间是一段，最下层横担以下的塔身均匀分成n段，其中n＝1，2，3...；
c)计算杆塔横担的波阻抗：
其中，k为各层横担编号，hak为第k部分横担距地高度，rak为第k部分横担的等值半径；
d)计算杆塔主干的波阻抗：
首先计算相应杆塔段的等效半径：
其中，rtk、rb、dtk、db分别为杆塔对应部分尺寸，分别是杆塔主体竖直支柱半径、杆塔底部支柱半径、杆塔主体竖直支柱间的距离、杆塔底部支柱间的距离，随后计算杆塔主干的波阻抗：
其中，htk为相应杆塔段的高度；
e)计算杆塔支架的波阻抗；
zlk＝9ztk
f)电磁波通过含有支架的多导体系统时需要更长时间，模型支架部分的长度取为对应主体部分的1.5倍；
g)上述杆塔横担的波阻抗zak、主干的波阻抗ztk、支架的波阻抗zlk构成大跨越高杆塔的横担、主干和支架部分的雷击仿真等效模型；
h)绝缘子串上的过电压波与伏秒特性曲线相交即判断为发生闪络，通过如下公式得到绝缘子串伏秒特性曲线：
其中，uv-t为绝缘子串闪络电压，l为绝缘子串长，t为自雷击发生起计时的闪络时刻，上述公式形成大跨越高杆塔的绝缘闪络模型；
i)计算大跨越高杆塔在雷电冲击作用下的接地电阻值：
其中，r0为大跨越高杆塔在工频幅值电流下的接地电阻值，ρ为土壤电阻率，e0为土壤电离时的场强，i为雷电冲击作用下流过大跨越高杆塔接地体的冲击电流幅值，上述公式形成大跨越高杆塔雷电冲击接地电阻模型；
j)将上述大跨越高杆塔横担、主干和支架部分的多波阻抗等效模型，绝缘闪络模型和雷电冲击接地电阻模型按照大跨越高杆塔结构形式连接组合，即形成整基大跨越高杆塔的雷击仿真模型。
优选的，上述方法还包括步骤：
k)对大跨越高杆塔最下层横担以下塔身段数n取不同值时雷击塔顶的反击耐雷水平，即线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值ic进行仿真计算
l)通过仿真计算找到一个n值，使得取n与n 1的计算结果差值在1％，此时取大跨越高杆塔最下层横担以下塔身段数取n 1时的雷击仿真模型为最终开展防雷分析用的大跨越高杆塔雷击过电压仿真模型。
本发明能够根据大跨越高杆塔的结构特点，建立能准确反映大跨越高杆塔在雷击情况下过电压特性的仿真模型，为大跨越高杆塔线路段防雷设计或防雷改造提供依据。
附图说明
图1为大跨越高杆塔典型结构示意图；
图2为本发明中建立的大跨越高杆塔雷击过电压仿真模型流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例子对本发明作进一步的详细说明：
如图1～2所示大跨越高杆塔雷击仿真模型生成方法，包括如下步骤：
s1.从大跨越高杆塔的典型设计图中获取大跨越高杆塔地线横担1距地高度ha1，横担1对应的杆塔主体竖直支柱的半径为rt1，横担1对应的杆塔主体竖直支柱间的距离为dt1，上层导线横担2距地高度ha2，横担2对应的杆塔主体竖直支柱的半径为rt2，横担2对应的杆塔主体竖直支柱间的距离为dt2，中层导线横担3距地高度ha3，横担3对应的杆塔主体竖直支柱的半径为rt3，横担3对应的杆塔主体竖直支柱间的距离为dt3，下层导线横担4距地高度ha4，横担4对应的杆塔主体竖直支柱的半径为rt4，横担4对应的杆塔主体竖直支柱间的距离为dt4，杆塔底部支柱半径rb，杆塔底部支柱间的距离db；
s2.将大跨越高杆塔按几何结构进行分段：最下层横担以上的杆塔部分按照各导线、地线横担间距进行分段，最下层横担以下的塔身均分成n段(n＝1，2，3...)；
s3.通过如下公式(1)计算杆塔横担的波阻抗zak(k＝1，2，3，4)；
其中，hak为第k部分横担距地高度，rak为第k部分横担的等值半径，可取与杆塔主体节点处横担宽度的1/4；
s4.通过如下公式(2)计算杆塔主干的波阻抗；
htk和rek分别为相应杆塔段的高度及等效半径，通过如下公式计算相应杆塔段等效半径；
其中，rtk、dtk、rb、db分别为杆塔典型设计图中对应部分尺寸；
s5.有支架情况下波阻抗值通常比无支架情况下的波阻抗约小10％，支架每部分波阻抗为对应主体部分的9倍,通过如下公式计算杆塔支架的波阻抗抗zlk；
zlk＝9ztk
s6.电磁波通过含有支架的多导体系统时需要更长时间，模型支架部分的长度可取为对应主体部分的1.5倍；
s7.上述杆塔横担的波阻抗zak、主干的波阻抗ztk、支架的波阻抗zlk构成大跨越高杆塔的横担、主干和支架部分的雷击仿真等效模型；
s8.绝缘子串上的过电压波与伏秒特性曲线相交即判断为发生闪络，通过如下公式得到绝缘子串伏秒特性曲线；
其中，uv-t为绝缘子串闪络电压，l为绝缘子串长，t为自雷击发生起计时的闪络时刻，上述公式形成大跨越高杆塔的绝缘闪络模型；
s9.通过如下公式得到大跨越高杆塔在雷电冲击作用下的接地电阻值；
其中，r0为大跨越高杆塔在工频幅值电流下的接地电阻值，ρ为土壤电阻率，e0为土壤电离时的场强，i为雷电冲击作用下流过大跨越高杆塔接地体的冲击电流幅值；上述r0为参考文献中华人民共和国国家标准《gb/t50064-2014交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中记载的典型值，e0为参考文献《冲击接地电阻模型对输电线路耐雷水平的比较研究》刘杰,刘春,周国伟,等，电瓷避雷器,2015年第6期，中记载的典型值，i为现有大跨越高杆塔雷击仿真软件实时计算得到的值，上述公式形成大跨越高杆塔雷电冲击接地电阻模型；
s10.将上述大跨越高杆塔横担、主干和支架部分的多波阻抗等效模型，绝缘闪络模型和雷电冲击接地电阻模型按照大跨越高杆塔结构形式连接组合，即形成整基大跨越高杆塔的雷击仿真模型；
s11.对大跨越高杆塔最下层横担以下塔身段数n取不同值时雷击塔顶的反击耐雷水平ic(线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值)进行仿真计算，随着塔身分段数n的增加，输电线路反击耐雷水平ic逐渐降低并趋于稳定，当
s12.大跨越高杆塔最下层横担以下塔身段数取ic时的雷击仿真模型为最终开展防雷分析用的大跨越高杆塔雷击过电压仿真模型，该模型可以参与到输电线路的雷击过电压仿真计算中，从而掌握大跨越高杆塔的防雷性能。
上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施方式。但是凡是未脱离本发明技术原理的前提下，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与改型，皆应落入本发明的专利保护范围。
1.一种大跨越高杆塔雷击过电压仿真模型生成方法，其特征在于，包括步骤：
a)从大跨越高杆塔的典型设计图中获取大跨越高杆塔各部分结构几何尺寸；
b)将大跨越高杆塔按几何结构进行分段：最下层横担以上的杆塔部分按照各导线、地线横担间距进行分段，各层横担之间是一段，最下层横担以下的塔身均匀分成n段，其中n＝1，2，3…；
c)计算杆塔横担的波阻抗：
其中，k为各层横担编号，hak为第k部分横担距地高度，rak为第k部分横担的等值半径；
d)计算杆塔主干的波阻抗：
首先计算相应杆塔段的等效半径：
其中，rtk、rb、dtk、db分别为杆塔对应部分尺寸，分别是杆塔主体竖直支柱半径、杆塔底部支柱半径、杆塔主体竖直支柱间的距离、杆塔底部支柱间的距离，随后计算杆塔主干的波阻抗：
其中，htk为相应杆塔段的高度；
e)计算杆塔支架的波阻抗；
zlk＝9ztk
f)电磁波通过含有支架的多导体系统时需要更长时间，模型支架部分的长度取为对应主体部分的1.5倍；
g)上述杆塔横担的波阻抗zak、主干的波阻抗ztk、支架的波阻抗zlk构成大跨越高杆塔的横担、主干和支架部分的雷击仿真等效模型；
h)绝缘子串上的过电压波与伏秒特性曲线相交即判断为发生闪络，通过如下公式得到绝缘子串伏秒特性曲线：
其中，uv-t为绝缘子串闪络电压，l为绝缘子串长，t为自雷击发生起计时的闪络时刻，上述公式形成大跨越高杆塔的绝缘闪络模型；
i)计算大跨越高杆塔在雷电冲击作用下的接地电阻值：
其中，r0为大跨越高杆塔在工频幅值电流下的接地电阻值，ρ为土壤电阻率，e0为土壤电离时的场强，i为雷电冲击作用下流过大跨越高杆塔接地体的冲击电流幅值，上述公式形成大跨越高杆塔雷电冲击接地电阻模型；
j)将上述大跨越高杆塔横担、主干和支架部分的多波阻抗等效模型，绝缘闪络模型和雷电冲击接地电阻模型按照大跨越高杆塔结构形式连接组合，即形成整基大跨越高杆塔的雷击仿真模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤：
k)对大跨越高杆塔最下层横担以下塔身段数n取不同值时雷击塔顶的反击耐雷水平，即线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值ic进行仿真计算；
l)通过仿真计算找到一个n值，使得取n与n 1的计算结果差值在1％，此时取大跨越高杆塔最下层横担以下塔身段数取n 1时的雷击仿真模型为最终开展防雷分析用的大跨越高杆塔雷击过电压仿真模型。
技术总结