变电站中高压断路器检修时的磁场模型的构建方法与流程

1.本发明涉及变电站高压断路器磁场技术领域，具体地涉及一种变电站中高压断路器检修时的磁场模型的构建方法。


背景技术：

2.在变电站中，一般会设置有多个高压断路器，以此来维护变电站的稳定安全运行。高压断路器作为变电站的运行的重要电器件，其自身的分合闸性能则成为检修的重点。
3.目前，对于高压断路器的分合闸性能的检测，一般是测试其分合闸的动作时间。现有的一般是在高压断路器一侧的接地线上设置耦合装置，对接地线上耦合出感应电流，在高压断路器的另一侧的接地线上设置感应电流接收器，以此来获取断路器分合闸的动作时间。但是在变电站中，存在导电期间产生的工频磁场，会对感应电流的数值产生影响，进降低对高压断路器分合闸时间测试的精度和准度。
4.本技术发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术的上述方案具有测量的精度和准度低的缺陷。


技术实现要素：

5.本发明实施例的目的是提供一种变电站中高压断路器检修时的磁场模型的构建方法，该变电站中高压断路器检修时的磁场模型的构建方法具有测量精度和准度高的功能。
6.为了实现上述目的，本发明实施例提供一种变电站中高压断路器检修时的磁场模型的构建方法，包括：
7.构建变电站的空间模型；
8.获取所述变电站中高压断路器的空间坐标进行标定；
9.根据所述高压断路器的空间坐标，获取变电站中带电导体在高压断路器处产生的磁感应强度；
10.根据所述磁感应强度，获取高压断路器处闭合回路的感应电动势；
11.根据所述感应电动势对高压断路器进行检修。
12.可选地，根据所述高压断路器的坐标，获取变电站中带电导体在高压断路器处产生的磁感应强度包括：
13.获取所述带电导体的起始点和终止点的坐标；
14.根据公式(1)计算所述带电导体在所述高压断路器处的磁感应强度，
[0015][0016]
其中，为所述带电导体在所述高压断路器处的磁感应强度，μ0为真空磁导率，且μ0＝π
·
10-7
h/m，i
ab
为所述带电导体上流过的电流，r为的长度，为电流元到所述高压断路器的距离，θa为所述带电导体的起始点和所述高压断路器的连线与所述高压断路器与所
述带电导体的起始点和终止点连线的夹角，θb为所述带电导体的终止点和所述高压断路器的连线与所述高压断路器与所述带电导体的起始点和终止点连线的夹角。
[0017]
可选地，根据公式(1)计算所述带电导体在所述高压断路器处的磁感应强度还包括：
[0018]
根据公式(2)计算所述带电导体的起始点和所述高压断路器的连线与所述高压断路器与所述带电导体的起始点和终止点连线的夹角的正弦值，
[0019][0020]
其中，sin(θa)为所述带电导体的起始点和所述高压断路器的连线与所述高压断路器与所述带电导体的起始点和终止点连线的夹角的正弦值，t为所述高压断路器与所述带电导体的起始点和终止点连线的垂点，a为所述带电导体的起始点，l
at
为所述带电导体的起始点和所述垂点的位移，l
za
为所述高压断路器和所述带电导体的起始点的位移。
[0021]
可选地，根据公式(1)计算所述带电导体在所述高压断路器处的磁感应强度还包括：
[0022]
根据公式(3)计算所述带电导体的终止点和所述高压断路器的连线与所述高压断路器与所述带电导体的起始点和终止点连线的夹角的正弦值，
[0023][0024]
其中，sin(θb)为所述带电导体的终止点和所述高压断路器的连线与所述高压断路器与所述带电导体的起始点和终止点连线的夹角的正弦值，b为所述带电导体的终止点，z为所述高压断路器的空间坐标，l
ab
为所述带电导体的起始点和终止点的位移，l
at
为所述带电导体的起始点和所述垂点的位移，l
zb
为所述高压断路器和所述带电导体的终止点的位移。
[0025]
可选地，所述高压断路器处的磁场方向可以如公式(4)和公式(5)所示，
[0026][0027][0028]
其中，为所述磁场方向的单位矢量，为所述带电导体的起始点和终止点连线的单位矢量，为所述高压断路器和所述带电导体终止点连线的单位矢量，为所述带电导体的起始点和终止点连线的向量，为所述高压断路器和所述带电导体终止点连线的向量，为所述变电站的空间坐标上x轴的单位矢量，为所述变电站的空间坐标上y轴的单位矢量，为所述变电站的空间坐标上z轴的单位矢量，xa为a点在x轴上的值，ya为a点在y轴上的值，za为a点在z轴上的值，xb为b点在x轴上的值，yb为b点在y轴上的值，zb为b点在z轴上的值，x为所述高压断路器在x轴上的值，y为所述高压断路器在y轴上的值，z为所述高压断路器在z轴上的值。
[0029]
可选地，根据所述磁感应强度，获取高压断路器处闭合回路的感应电动势包括：
[0030]
根据公式(6)计算所述闭合回路的感应电动势，
[0031][0032]
其中，ε为所述闭合回路的感应电动势，b为所述磁感应强度，s为所述闭合回路的面积。
[0033]
可选地，构建变电站的空间模型包括：
[0034]
将所述变电站的母线、变电站的进出线、设备之间相连的导线简化为若干直导线；
[0035]
将所述变电站的主要配电装置简化为线性导体；
[0036]
将所述变电站的电气设备的金属支柱简化为多股直导线。
[0037]
可选地，将所述变电站的母线、变电站的进出线、设备之间相连的导线简化为若干直导线包括：
[0038]
根据公式(7)计算分裂导线的等效半径，
[0039][0040]
其中，re为所述等效半径，r为所述分裂导线的半径，n为所述分裂导线的分裂数，r为所述分裂导线的子导线半径。
[0041]
另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有指令，所述指令用于被机器读取以使得所述机器执行如上任一所述的构建方法。
[0042]
通过上述技术方案，本发明提供的变电站中高压断路器检修时的磁场模型的构建方法通过构建变电站的空间模型，并标记变电站中高压断路器的坐标，以及带电导体的坐标，根据带电导体的坐标和高压断路器的坐标，能够计算出变电站中工频磁场对高压断路器产生的感应电动势，进而能够确定测试过程中实际流过的感应电流，提高了对高压断路器分合闸时间测试的精度和准度。
[0043]
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0044]
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
[0045]
图1是根据本发明的一个实施方式额变电站中高压断路器检修时的磁场模型的构建方法的流程图；
[0046]
图2是根据本发明的一个实施方式的变电站中高压断路器检修时的磁场模型的构建方法中获取带电导体在高压断路器处的磁感应强度的流程图；
[0047]
图3是根据本发明的一个实施方式的变电站中高压断路器检修时的磁场模型的构建方法中金属支柱简化模型图。
具体实施方式
[0048]
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此
处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
[0049]
图1是根据本发明的一个实施方式中变电站中高压断路器检修时的磁场模型的构建方法的流程图。在图1中，该构建方法可以包括：
[0050]
在步骤s10中，构建变电站的空间模型。其中，cdegs软件由是加拿大ses公司研发而成，是解决电力系统接地、电磁场、和电磁干扰等工程问题的强大软件。cdegs软件可以计算地上或者地下任意位置的带电导体组成的网状结构在正常、故障、雷电和暂态过程中产生的接地电位、导线电位和电磁场。cdegs也可以为裸露在外和套有绝缘外皮的金属管道、金属导体、各种电缆和埋藏在复杂土壤结构中的导线网络建立计算模型。变电站开关场内设备众多，大量集中分布了高压断路器、电流电压互感器、避雷器等电力设备以及这些电力设备对应的金属接地支柱。变电站内部包含大量不同的设备，电流流通的地方多且分布广，因此直接对变电站开关场内的工频磁场进行研究分析会存在计算量大、磁场叠加复杂、建立设备模型复杂等问题。在实际运行的变电站开关场中，各种电气设备都在变电站内发挥着不同的作用，在进行仿真计算时，很难对所有设备进行完整的建模，在建立变电站开关场的三维模型时，需要对电气设备进行筛选，将一些对变电站开关场内磁场影响较小的设备进行忽略。在对电气设备进行建模时，在满足实际工程需求与磁场分布误差的情况下，将变电站内的电气设备进行简化建模处理，简化处理原则：
[0051]
1、将母线、变电站的进出线、设备之间相连的导线均简化为长度有限的若干段直导线组成，由于导线长度有限，故忽略导线的弧垂效应，导线视为理想导线，不计算线路上的损耗，导线内流过的电流沿线路没有变化；
[0052]
2、建模分析时，开关场内电气设备的绝缘瓷套、陶瓷外壳等绝缘介质对开关场内工频磁场的影响忽略不计；
[0053]
3、在建模时对断路器、隔离开关、接地刀闸、电流互感器、电压互感器等主要配电装置，将根据其实际的外形特点及几何尺寸进行简化,采用各种线性导体代替,设置相应的边界条件；
[0054]
4、变电站开关场内用于支撑高压断路器等电气设备的金属支柱采用多股直导线来模拟计算，在设置边界条件时这些导线的电位设置为零；
[0055]
5、变电站地面为平整地面，接地电阻很小不予考虑，大地表面电位设置为零，视为导体。
[0056]
在现场实际测量过程中测量点高度为1.5m，因此在设置cdegs的工频磁场观测面时将高度设置为1.5m。
[0057]
在步骤s11中，获取变电站中高压断路器的空间坐标进行标定。
[0058]
在步骤s12中，根据高压断路器的空间坐标，获取变电站中带电导体在高压断路器处产生的磁感应强度。其中，能够根据带电导体的坐标以及高压断路器的坐标确定高压断路器处工频磁场的大小。
[0059]
在步骤s13中，根据磁感应强度，获取高压断路器处闭合回路的感应电动势。
[0060]
在步骤s14中，根据感应电动势对高压断路器进行检修。其中，在获取到工频磁场对高压断路器产生的感应电动势后，进而能够获取耦合装置对高压断路器回路实际产生的感应电流，即可根据该感应电流确定高压断路器的分合闸准确时间特性。
[0061]
在步骤s10至步骤s14中，先构建变电站的空间模型，以及高压断路器和带电导体
的坐标，并根据该坐标确定工频磁场的对高压断路器回路的磁感应强度，进而可以计算出工频磁场在高压断路器回路中产生的感应电流的大小。去除工频磁场对高压断路器回路产生的感应电流，即可获取到耦合装置实际的耦合电流，进而能够根据该感应电流获取高压断路器分合闸的时间性能，便于后续工作人员采取相应的检修措施。
[0062]
传统的高压断路器的分合闸时间性能的检测，一般是在高压断路器一侧的接地线上设置耦合装置，对接地线上耦合出感应电流，在高压断路器的另一侧的接地线上设置感应电流接收器，以此来获取断路器分合闸的动作时间。但是在变电站中，存在导电期间产生的工频磁场，会对感应电流的数值产生影响，进降低对高压断路器分合闸时间测试的精度和准度。但是在本发明的该实施方式中，采用构建变电站模型以获取变电站工频磁场对高压断路器产生感应电动势的方式，够确定测试过程中实际流过的感应电流，提高了对高压断路器分合闸时间测试的精度和准度。
[0063]
在本发明的该实施方式中，为了获取变电站中带电导体在高压断路器处产生的磁感应强度，还需要对高压断路器的坐标以及变电站中带电导体的坐标进行计算，具体地步骤可以如图2所示。具体地，在图2中，该构建方法可以包括：
[0064]
在步骤s20中，获取带电导体的起始点和终止点的坐标。
[0065]
在步骤s21中，根据公式(2)计算带电导体的起始点和高压断路器的连线与高压断路器与带电导体的起始点和终止点连线的夹角的正弦值，
[0066][0067]
其中，sin(θa)为带电导体的起始点和高压断路器的连线与高压断路器与带电导体的起始点和终止点连线的夹角的正弦值，t为高压断路器与带电导体的起始点和终止点连线的垂点，a为带电导体的起始点，l
at
为带电导体的起始点和垂点的位移，l
za
为高压断路器和带电导体的起始点的位移。
[0068]
在步骤s22中，根据公式(3)计算带电导体的终止点和高压断路器的连线与高压断路器与带电导体的起始点和终止点连线的夹角的正弦值，
[0069][0070]
其中，sin(θb)为带电导体的终止点和高压断路器的连线与高压断路器与带电导体的起始点和终止点连线的夹角的正弦值，b为带电导体的终止点，z为高压断路器的空间坐标，l
ab
为带电导体的起始点和终止点的位移，l
at
为带电导体的起始点和垂点的位移，l
zb
为高压断路器和带电导体的终止点的位移。
[0071]
在步骤s23中，根据公式(1)计算带电导体在高压断路器处的磁感应强度，
[0072][0073]
其中，为带电导体在高压断路器处的磁感应强度，μ0为真空磁导率，且μ0＝π
·
10-7
h/m，i
ab
为带电导体上流过的电流，r为的长度，为电流元到高压断路器的距离，θa为带电导体的起始点和高压断路器的连线与高压断路器与带电导体的起始点和终止点连线的夹角，θb为带电导体的终止点和高压断路器的连线与高压断路器与带电导体的起始点和终止点连线的夹角。
[0074]
在静磁场中载有电流的导线元段称之为电流元，为了得到不同的载流导体所产生的静磁场b，需要首先求出电流元所产生的元磁场db的计算公式。设流过导线的电流为i，载流导线上任意有向元段使用矢量dl代表(dl与电流流过的方向相同)，那么可以使用idl定量描述该载流元段(idl对应于点电荷的q)。因为电流需要存在闭合回路，所以恒定的电流元不会单独存在，只是通过实验也无法测出恒定电流元的磁场。由于磁场也遵循叠加原理，那么任何形状的载流导体的磁场都可以使用所有元段的磁场矢量和来叠加。电流元idl所产生的元磁场db可以由公式(8)表示(国际单位制)，
[0075][0076]
其中，db为元磁场，idl为电流元，r为电流元idl与高压断路器在空间中坐标的距离，er为从电流元idl指向高压断路器在空间中坐标的单位矢量，为库伦定律的国际制表达式。具体地，电流元在空间任意点z(x，y，z)处激发的磁场可以如公式(9)所示，
[0077][0078]
其中，为所电流元激发的磁场，i为源电流，dl为源电流的微分，μ0为真空磁导率，且μ0＝π
·
10-7
h/m，为电流元到高压断路器在空间中坐标位置的距离，θ为dl与的夹角。
[0079]
根据公式(10)计算任意一段长度对高压断路器在空间中坐标位置产生的磁感应强度，
[0080][0081]
其中，为高压断路器在空间中坐标位置产生的磁感应强度，r0为dl指向z点的单位矢量，r为dl指向z点的距离。将公式(10)变量替代后，可得公式(1)。
[0082]
此外，对于带电导体产生的工频磁场的磁场方向可以如公式(4)和公式(5)所示，
[0083][0084][0085]
其中，为磁场方向的单位矢量，为带电导体的起始点和终止点连线的单位矢量，为高压断路器和带电导体终止点连线的单位矢量，为带电导体的起始点和终止点连线的向量，为高压断路器和带电导体终止点连线的向量，为变电站的空间坐标上x轴的单位矢量，为变电站的空间坐标上y轴的单位矢量，为变电站的空间坐标上z轴的单位矢量，xa为a点在x轴上的值，ya为a点在y轴上的值，za为a点在z轴上的值，xb为b点在x轴上的值，yb为b点在y轴上的值，zb为b点在z轴上的值，x为高压断路器在x轴上的值，y为
高压断路器在y轴上的值，z为高压断路器在z轴上的值。
[0086]
在本发明的该实施方式，为了获取高压断路器处闭合回路的感应电动势，还需要对工频磁场产生的磁感应强度进行换算。具体地，根据公式(6)计算闭合回路的感应电动势，
[0087][0088]
其中，ε为闭合回路的感应电动势，b为磁感应强度，s为闭合回路的面积。
[0089]
在本发明的该实施方式中，因为变电站开关场内的母线、进出线的高度远远大于分裂导线之间的几何尺寸，在实际工程仿真建模时，将分裂导线看作为一根导线，分裂导线的等效半径可以根据公式(7)计算，
[0090][0091]
其中，re为等效半径，r为分裂导线的半径，n为分裂导线的分裂数，r为分裂导线的子导线半径。通常由于输电距离很远时，受到导线自重的影响在两端支撑点之间的导线会形成一定的弧度，使得导线呈弯曲状，但是在变电站开关场内的导线两个支撑点之间距离较小，导线几乎没有弧垂效应，因此对工频磁场的影响可以忽略不记，不考虑弧垂效应对仿真结果工频磁场的分布不会对结果产生较大影响。
[0092]
此外，在本发明的该实施方式中，还包括对金属接地模型的构建。具体地，在开关场内有众多的金属接地体，这些金属接地体有些是导线的支柱，也有是高压断路器、隔离开关、电流互感器等设备的支撑柱，这些支柱与地面接触的部分是金属柱体，上面的电气设备是非金属的瓷柱。金属柱体会对变电站开关场内的工频电磁场的分布造成影响。在进行简化建模时需要将这些金属支柱也搭建模型，考虑它们对开关场内电磁场分布的影响，使得结果接近变电站开关场内实际工频磁场的分布。在对金属支柱建模时，将支柱上方的绝缘部分忽略不计只考虑金属接地体对周围工频电磁场的影响，在建模时简化金属接地体的模型结构，在建模过程中，使用圆柱状多根导线模拟金属支柱的模型结构。在进行参数设置时金属支柱的半径设置为0.15m，金属支柱的电位设置为零。不同的电气设备金属支柱高度设置也不同：隔离开关、高压断路器、接地刀闸、电流互感器和电压互感器金属支柱高度分别设置为5.1m、4m、5.1m、3.2m。
[0093]
以现场测试感应电流的变电站为例，500kv开关场有两母线和十二回出线，导线类型为4
×
lgj400-35钢芯铝绞线，等效半径为0.204m。两回母线的纵向延长线与出线端点横向延长线交叉的位置设置为坐标原点，以水平方向设置为x轴，竖直方向设置为y轴，垂直于地面方向设置为z轴。每回母线在x轴方向长度设置为168m，母线高度为16.2m，设置a、b、c三相之间相隔6.5米，其中c相在右侧，每一回都按照c相、b相、a相排列，第一回母线a、b、c三相在y轴上的坐标点依次设置为37、30.5、24；第二回母线a、b、c三相在y轴上的坐标点依次设置为133、126.5、120。每回出线在y轴方向上长度设置为143m，出线相间7.5m，出线高度23m，六回出线c相依次在x轴坐标点为15.5、43.5、71.5、99.5、127.5和155.5，其对应的b、a相依次沿x轴正方向移动7.5m，其余设置不变。两回进线高度为25m，a相与b相间距8m、b相与c相间距14m。导线下方设置金属支柱的简化模型，所建模型如图3所示。
[0094]
另一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储
介质存储有指令，指令用于被机器读取以使得机器执行如上任一的构建方法。
[0095]
通过上述技术方案，本发明提供的变电站中高压断路器检修时的磁场模型的构建方法通过构建变电站的空间模型，并标记变电站中高压断路器的坐标，以及带电导体的坐标，根据带电导体的坐标和高压断路器的坐标，能够计算出变电站中工频磁场对高压断路器产生的感应电动势，进而能够确定测试过程中实际流过的感应电流，提高了对高压断路器分合闸时间测试的精度和准度。
[0096]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0097]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0098]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0099]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0100]
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
[0101]
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。存储器是计算机可读介质的示例。
[0102]
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
[0103]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的
包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0104]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。