架空线缆雷电脉冲耦合的时域数值分析

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1、国内图书分类号：TN822密级：公开国际图书分类号：621.38西南交通大学研究生学位论文架空线缆雷电脉冲耦合的时域数值分析年级2015级姓名费跃申请学位级别工学硕士专业电磁场与微波技术指导老师周海京研究员二零一八年五月ClassifiedIndex:TN822U.D.C:621.38SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisTIME-DOMAINNUMERICALANALYSISOFLEMPCOUPLINGOFOVERHEADLINESGrade:2015Candidate:FeiYueAcademi

2、cDegreeAppliedfor:MasterSpeciality:ElectromagneticFieldandMicrowaveTechnologySupervisor:Prof.ZhouHaiJingMay2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要电力系统作为国家不可缺少的重要基础设施，对现代工业的发展和日常生活的便利起到了举足轻重的作用。架空线作为电力系统重要的的组成部分，广泛应用在电网系统和铁路系统等许多领域。电力架空线中绝大部分线路暴露在外界自然环境中，极易受到环境中的强电磁脉冲干扰，雷电作为自然界中发生频率较高的一种高强度放电现

3、象，其产生的强电磁脉冲会对周围输电线路产生极大威胁。而伴随着微电子技术的飞速发展，电子元件和电路的工作频率大大提高的同时工作电压却在不断降低，故空间中的核电磁脉冲等强电磁干扰对屏蔽体内线缆耦合电流对电子线路元件的破坏越来越强。因此，强电磁脉冲对电力系统传输线干扰的分析、预测和防护，对提高电力系统的稳定性和可靠性具有重要的研究意义和工程应用价值。由于架空线线缆通常需要跨越上百米，并且计算雷电电磁脉冲干扰时，激励波的频带很宽，一般的仿真软件和数值计算方法在应用时计算效率较低。针对这种情况，论文首先分析了雷电脉冲对架空线的干扰，建立了雷电回击通道一体化模型

4、，选择合适的雷电通道底部电流。之后为了快速计算雷电通道附近的电磁场分布，采用柱坐标系下的时域有限差分法（FDTD）计算线缆附近电场分布，并对传输线方程进行时域下的差分离散，计算了架空线上的感应电压。通过与经典文献的案例比对，证明了方法的可靠性。与传统FDTD方法相比，计算速度和内存占用方面都有很大优势。然后，研究架空线位置、摆放、数量等不同状态下其线上感应电压的情况，首先选择了架空线上不同位置的三个观察点计算其感应电压，得到架空线耦合效应随距离变化的规律。之后使用不同速度的通道电流，得到电流速度与感应电压强度的响应规律。论文还探求了架空线高度和数量与

5、感应电压的关系。最后分析了部分现象背后的原因，总结了架空线雷电防护的规律和方法。最后，论文介绍了高空核电磁脉冲的特性，对比了不同标准下核电磁的波形参数。之后，针对电力系统设备中非完整屏蔽腔体内传输线的耦合问题，建立了多种强电磁脉冲环境及屏蔽腔体模型，通过仿真模拟矩形、圆形、多孔等缝隙的情况，找到了屏蔽腔在核电磁脉冲下的耦合响应规律。为了探究不同激励波类型对耦合效应的影响，考虑平面波不同的入射角和极化方向，将仿真结果进行分析比对，得到了极化方式和入射角与孔缝耦合的规律。同时选择不同屏蔽线缆进行比对仿真，发现多导体线缆比单导体线缆具有更好的屏蔽效果。关键

6、词：雷电电磁脉冲；电力架空线；时域有限差分法；传输线方程；核电磁脉冲；屏蔽腔；西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractAsanindispensableinfrastructureforthecountry,thepowersystemplaysadecisiveroleinthedevelopmentofmodernindustryandtheconvenienceofdailylife.Asanimportantpartofthepowersystem,overheadlinesarewidelyusedinmanyareassuc

7、haspowergridsystemsandrailwaysystems.Mostofthepoweroverheadlinesareexposedtotheoutsideenvironmentandarehighlysusceptibletoelectromagneticpulseinterferenceintheenvironment.Lightningasahigh-intensitydischargephenomenonoccursfrequentlyinthenaturalworld,andthestrongelectromagneticp

8、ulsegeneratedbyitcausesagreatthreattothesurroundingtra