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利用屏蔽线设计变电站最优防雷方案

Abolfazl Khodadadi ，Mohammad Hassan Nazari ，Seyed Hossein Hosseinian

Electrical Engineering Department Amirkabir University of Technology Tehran, Iran

摘要：本文通过计算机软件分析，研究了变电站用屏蔽线的最佳防雷方案。通过在保护、屏蔽线的数量和离地高度之间进行合理的权衡，采用了一种经济的方法。本研究首先应用于一个简单的二线系统，然后扩展到一个样本变电站。在MATLAB中对每个问题进行求解，并给出了三维的实现。

关键词：变电站保护；避雷针；屏蔽线；计算机辅助分析

1引言

变电站的故障和破坏是各种因素综合作用的结果，这些因素在变电站的屏蔽故障中起着重要的作用，其中雷电是最重要的因素之一。这种现象作为一种概率事件，可能会造成供电中断、经济损失等严重后果[1-5]。因此，需要一个防雷系统来降低变电站内的对象和母线发生直接雷击故障的概率[6,7]。为了进一步说明闪电过程现象，在[8]中给出了一个简短的描述。在闪电中，阶梯式先导向地球移动，停止了大约50米的脚步。在每一步之后，步进领导暂停，然后沿着一条或多条路径前进。每一步的时间约为50mu;s底部附近的云,但是减小了约13mu;s在它接近地球。先导的速度很慢，大约是光速的0.1%。当这个步进或向下的先导接近地球时，一个向上的先导或回程开始与向下的先导相遇。这个斯托克城的速度大约是光速的10%到30%，这使得用肉眼观察成为可能。该向上通道的振幅大于200ka，中值为33ka。下行先导或上行通道的总长度约为5至6公里。上述描述说明了闪电第一次触发的机理。一次闪光可由54个斯托克斯组成，平均每闪三次。

为了对设备进行保护，可以使用三种不同的方法:屏蔽线、桅杆和这两种方法的结合。上述屏蔽变电站的方法各有优缺点。然而，由于屏蔽线具有广泛的保护面积[9]，因此更值得推荐使用。此外，所采用的方法从杨氏方程、Love s方程、Brown Whitehead、IEEE-1992、IEEE-1995[8]、[10]等多个方程中可以得到防雷保护。对于杨氏方程，只需要对击球距离的值作一小的修正，而对于洛夫方程和IEEE-1995，则不需要作任何调整。然而，利用Brown Whitehead和IEEE-1992需要对不同打击距离的值进行显著的变化。本文在一般情况下，采用杨氏方程。

本文采用MATLAB进行仿真。此外，还考虑了设计的经济性，并提出了成本和安全级别之间的权衡。因此，本文采用了具体的准则，以尽可能低的成本实现设计。

2 方法

用不同的距离来定义打击距离:(1)对屏蔽线或屏蔽桅杆的打击距离，rs(2)对被保护物体的打击距离，rc，(3)对地面的打击距离，rg[11]。所有这些距离如图1所示。这个数字还指定了闪电将终止的区域。由电磁模型推导出以下方程，计算出了打击距离方程[8]:

r_s=gamma;_s·r_g r_c=gamma;_cr_g (1)

其中gamma;_s和gamma;_c是由杨氏方程定义的系数：

当hge;18m时，gamma;_s=1；当yge;18m时，gamma;_c=1 （2）

其中I为kA和rs的设计电流，rg和rc为打击距离，单位为米。设计电流是影响设计输出参数的一个重要因素。在实际设计中，230 kv以下电压的设计电流值通常被认为是 对于230 kV以上的电压，可认为10 kA[8]，这是本文所使用的值。

在变电站中，设备的高度可以从零到屏蔽线的高度不等。因此，确定物体和导线的位置时，应使屏蔽导线的最少数量覆盖变电站的整个区域。每根屏蔽线都有一个特定的保护区域。例如，考虑如图1所示的单一线路。最终保护区的实际面积取决于已使用的屏蔽线数量。为了澄清这一问题，对以下两个案件进行了调查。

图1.打击距离

2.1一根屏蔽线

在这种情况下，为了保护指定的区域，将使用一根屏蔽线。假设有一个高度为y的物体，在高度h处有一根屏蔽线。如果物体的位置 根据已知的屏蔽线，利用以下方程，可以确定屏蔽线的高度(见图1)。

（3）式中，a₀为屏蔽线到物体的距离(图2)。

2.2两根屏蔽线

由两根屏蔽线引入的屏蔽区域如图3所示。图中突出显示的区域显示了两条屏蔽线的保护区域。有一个高度为y的物体，则保护的水平距离a计算如下:

（4）

此外，计算两根屏蔽线间水平保护距离的公式可以用(5)来计算，如图4所示。

（5）

图2.单丝保护区域

图3.两根屏蔽线的保护区

保护级的最小高度在两根导线之间的距离的中间，如图3所示，可以通过将(5)中的R_pc设置为零得到，即：

（6）

但是需要指出的是，如果两根导线之间的距离增加，ymc的值为零，图3和图4所示的构型不成立，但可以利用方程。

图4.两根屏蔽线之间的保护区域

为了用两根线来阐明和可视化屏蔽保护区域，图4的三维实现如图5所示。

图5.屏蔽防护区的三维可视化

2.3经济分析

设计的总成本应以符合成本效益的方式计算。因此，应该使用软件来解决具有特定技术和经济约束的问题(以导线的数量和高度为参数)。随着电线高度的增加，它们的数量减少。可应用于经济约束的方程定义如下:

(7)

其中，alpha;是一个常数，它将导线的数目N转换为货币单位($/Number)，而beta;是另一个将导线的高度(以米为单位)转换为货币单位($/height)的常数。这个领域的专家应该定义这些常数，以便得到合理和经济的解决方案。

3 模拟结果

3.1案例研究信息

本文所使用的算法可以对任意样本变电站进行分析。例如，考虑一个变电站，其前视图如图6所示。第一部分 345 kV变压器，其高度为30英尺(约10米)或第二部分a 500 kV超高压气体断路器[12]。

3.2方针算法

在第一个阶段，算法在指定区域的开始和结束分别放置两根导线，使其处于最小可接受的高度。然后计算这两根导线之间的屏蔽区。很明显，这些布置不能保证它们之间设备的充分保护。然后，它使其中一根电线更接近另一根，以增加他们之间的保护水平的高度。这一过程继续进行，直到第二根导线的位置达到确保它们之间的所有设备都得到完全保护的位置为止。用户可定义设备最高部分与屏蔽线所定义的保护等级之间的具体裕度。在这个问题中，前面提到的余量设置在最高设备上方一米。

在确定了第二根导线的位置后，这个过程继续进行，直到最后一根导线的保护区域达到所定义区域的末端。然而，上面提到的过程将解决特定高度的问题。下一步是增加电线的高度，然后重复同样的过程。随着电线高度的增加，它们的数量会减少。因此，最终方案的选择将考虑经济因素。

图6.变电所正面视图

3.3模拟结果

在仿真的第一部分中，选择导线的最小高度，算法计算出完整的保护，如图7所示。如前所述，本设计的执行方式是所有设备与导线提供的屏蔽区域之间至少有一米的距离。在这种情况下，使用了5根屏蔽线，这些屏蔽线的高度是离地面11.5米。三维实现如图8所示 。

图7.电线提供的保护水平

图8.实现三维的屏蔽区域

选择不同的成本函数常数是一个变量，可以根据屏蔽设计所处区域的不同因素，如货币因素或特定材料的可用性，来选择不同的成本函数常数。据此，给出了基于(7)的具有不同常数及其相应代价的表(表1)。该表基于第一个场景，其中导线高度为最小可能高度，根据

计算机软件解决方案。增加电线的高度会导致它们数量的减少。在这个问题中，为了保护所有只有两根电线的设备，最终的结果如图9所示。

表1第一种情况的费用($)

图9.双线保护

在这种情况下，设计这一保护系统的最终费用见表2。

表2第二种情况的费用($)

最优配置推导是基于alpha;= 40和beta;= 10所获得的该地区变电站的位置。算法的最终输出如图10所示。本设计采用三根屏蔽线，屏蔽线距地面高度为15米。因此，该设计的总成本是最低的。最后一步，图10的三维实现如图11所示。

图10.最佳屏蔽保护设计

图11.三维优化设计的实现

4 结论

本文在MATLAB中开发了一种利用屏蔽线设计变电站防雷保护系统的算法。在设计过程中，利用杨氏方程确定了不同打击距离的取值。作为设计中的一个重要因素，定义了一个经济约束条件，该约束条件决定了屏蔽线的数量及其离地高度。最后，将该算法应用于实例变电站，并对仿真结果进行了说明和讨论。

参考文献

1. P. Sen, “Understanding direct lig

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