输电线路雷击过电压分析与应用分析

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1、华北电力大学硕士学位论文感应所引起的，称为感应雷过电压；另一种是雷直击于线路引起的，称为直击雷过电压。雷直击于有避雷线线路的情况又分为三种，即雷击杆塔塔顶（反击）、雷击避雷线档距中央和雷绕过避雷线击于导线（绕击）。1.2.1雷电现象从十八世纪下半叶富兰克林第一个用科学的方法研究雷电以来，随着科技的进步，人们对雷电的认识取得了显著的成绩。目前，人们对雷电现象的物理本质的认识虽还不充分，但所取得的成就已足以满足工程的需要。根据先导发展的方向和所带电荷的极性，云地雷电分为向下负雷电、向下正雷电、向上负雷电、向上正雷电4种类型。其中，向下负雷电最普遍

2、，占全球云地雷电的90%以上。向下负雷电过程定义为将云内的负电荷输送到地面的放电过程。一次完整的放电过程定义为一次闪电，其持续时间为几百毫秒到1秒钟不等。一次闪电包括一次或几次大电流脉冲过程，被称为闪击。当先导头部接近地面时，地面的自然尖端或高大建筑物等突出物体上会自行超过空气的击穿电场，并在这些突出物体上诱发一个或几个上行的放电即上行先导，当这样的上行先导在地面上方几十米的地方与下行先导相接时，首次回击过程便开始了。回击在地面附近产生峰值电流。随后还可能有连续的回击过程，但首次回击的强度比较大。1.2.2雷电回击模型在近30年内，雷电回击模

3、型的建立有了很大发展。从20世纪40年代Bruce和[3]Golde首次提出雷电回击模型以来，从不同角度提出的回击模型应运而生。V.A.Rakov和M.A.Uman把雷电回击模型分为4类：气体动力学模型(物理模型)、电磁模型、分布电路模型和工程模型。其实后3类模型都能直接计算雷电回击电磁场。由于只有雷电通道底部电流可以直接测量并通过实验验证，工程模型可以将回击电流和基底电流简单联系起来，所以现在普遍采用工程模型。1.2.3场线耦合模型当雷电击于导线附近地面时，线路处于先导通道与大地构成的电磁场中，由于束缚电荷在导线上的产生和释放，线路会产生感

4、应电压。对于场线耦合的研究起于20世纪70年代。场线耦合问题有多种方法。一种方法是，当满足系统尺寸线2华北电力大学硕士学位论文缆长度小于电磁最小波长的10倍以上时，可以采用准静态方法，将导线用集总网络来等效。另一种方法是处理场耦合问题时，可以采取电场积分方程或磁场积分方程来求解，此时通常将导线近似为理想导体。第三种分析场线耦合效应的方法是传输线模型。传输线模型既可以处理集总参数表达的任意波形电压、电流在导线上的传播，也可以处理电磁耦合问题即外界电磁场在导体上耦合产生的电压、电流沿线传播的现象。根据激励源处理方式的不同，外电磁场与多导体架空线耦

5、合的模型有3种：[4]1）Taylor模型，其激励源有分布电压源和分布电流源两种；2）Agrawal模型[5][6]，其激励源为沿导体切向电场分量引起的电压源；3）Rachidi模型，其激励源为由磁场引起的电流源。目前对于雷击问题比较常用的是Agrawal模型。1.2.4传输线理论及其计算方法对传输线理论的分析中，目前国内外所做的大多数研究都是在准TEM波近似下，即认为传输线只传播横电磁波（TEM），用一组频域常微分方程或时域偏微分方程来描述多导体传输线的分布参数电路模型，然后在一定的边界条件和初始[7]条件下求解这些方程，常用的方法如下：1

6、）Bergeron法：根据流动波的特性建立起传输线的等效电路，用通常的集中参数近似认为传输线仅传输横电磁波（TEM），求解传输线方程。优点是求解速度快，且能满足工程精度要求，缺点是无法获得线上任意点的电压、电流波形。2）时域有限差分法（FDTD-FiniteDifferenceTimeDomain）：应用一阶中心差分公式，对时域偏微分方程进行离散，并结合端部条件进行数值求解。该方法简单直接，可以获得线上任意点的电压、电流波形，同时对处理非均匀传输线比较容易。3）频域模式法：泛指利用频域模式概念直接或间接求解描述多导体传输线的耦合常微分方程组的

7、方法。优点是便于处理频变参数，但是，由于这类方法需要进行FFT，计算代价较高，且不能处理非线性问题，因此其应用受到限制。另外还有特征法、网格法、等效集总参数电路模型法等。这些方法都各有其特点，难以断定某种方法具有绝对的优势，应根据具体问题加以选择。1.2.5直击雷研究直击雷包括绕击和反击两类。绕击是雷绕过避雷线直击导线；反击是雷击杆塔塔顶，产生瞬时高电压使绝缘子串发生闪络。早在20世纪60年代，各国就利3华北电力大学硕士学位论文用模拟实验、现场实测、理论模型分析和计算机综合等手段对输电线路的雷击性能展开了许多研究工作，取得了一些重要的研究成果

8、，提出了许多确定输电线路绕击耐雷性能的方法，为提高输电线路耐雷水平、保障线路的安全可靠运行提供了重要依据和参考。目前用于评价输电线路绕击耐雷性能的方法主要有规程法、