复杂地表下雷电电磁环境与架空输电线感应过电压模拟分析

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1、第一章绪论第一章绪论1.1研究背景和研究意义随着人类社会的进步，社会与电力的联系更加紧密，人们对供电的可靠性要求也越来越高，突然停电事故将会带来巨大的经济损失。作为电力系统组成部分的架空线路，它将巨大的电能输配到四面八方，是连接各个变电站、各重要用户的纽带。架空线路的安全运行，直接影响到了电网的稳定和向用户的可靠供电。因此，架空线路的安全运行在电网中占据着举足轻重的地位。据统计资料表明，雷电是危害架空线路的重要因素""2],而损害的主要原因是雷击架空线或架空线附近对其带来的过电压影响。从18世纪5

2、0年代富兰克林发明避雷针到20世纪60年代，在被保护对象顶部或相应区域安装避雷针、线、带、网保护建筑或物体不受雷击，这也许是延用了将近200多年的唯一的雷电防护技术。然而，随着现代电子科学的迅速发展，40年来，依据国内外对雷电闪击过程的研究和雷击事件造成的灾害损失的统计分析，已经清楚地表明：雷击过程中，沿着接闪器的引下线和雷电闪击的通道产生的雷电瞬态过压也会通过电源线、信号线等线路传输和电磁场感应等方式严重地危害通信、监控、电力、计算机等现代化系统"]。电力系统的输电及配电线路大部分裸露在空中，因而最

3、易遭受雷击，对于传统的电力系统和用电设备来说，直击雷的危害的确远大于感应雷，但是直击雷只占到雷击率的10%，尤其在目前防护措施的逐步完善，其所占比例可能还要低。由于雷电流有极大的峰值和陡度，在它周围的空间有强大的变化的电磁场，处在这电磁场中的导体会感应出较大的电动势。据统计，输电线路的故障占电网事故的大部分，输电线路的故障以雷.电过电压致跳闹或线路烧毁居多，尤其在山区，雷电带来的故障远远大于外力的破坏，高居第一。因此，对雷电回击电磁场以及其对周围建筑、架空线路感应的过电压研究已经成为当今雷电方向的重要

4、研究课题，这包括了两个内容，一是对雷电产生的电磁场的研究，另一方面是雷电在线路和设备上感应过电压的研究。通过对闪电物理机制的研究，进而计算和分析不同情况下的闪电福射场，再通过相应的耦合模型得到线路上雷电感应的过电压的大小，对于架空线路的防雷具有重要的指导意义"]。南京信息工程大学硕士学位论文1.2国内外研究现状雷击线路附近大地时，分析复杂地表上架空配电线上雷电感应过电压的方法主要包括两个部分：首先，通过雷电回击的数学模型得到复杂地表情况下雷电通道周围电磁场；然后，通过建立雷电通道周围电磁场与线路耦

5、合的数学模型，计算复杂地表情况下线路感应过电压。目前，国内外对这方面的研究也有很大的成果。1.2.1关于雷电通道周围电磁场的研究(1)雷电回击模型自然界中的雷电现象是具有明显的随机性和复杂性的，当我们对其进行理论模拟时，建立一个统一的数学模型是不够科学的，然而我们可以通过一些实验数据、观测结果得到不同情况下可接受的雷电数学模型，这些用来描述模型的数据有通道底部电流、回击传播速度、衰减函数等等。雷电回击模型这一概念是20世纪40年代由Bruce和Godle首次提出的「5],自此之后，不同的回击模型也相继

6、应运而生。V.A.Rakov和M.A.Unian把雷电回击模型分为四类：物理模型、电磁模型、分布电路模型和工程模型。Drabkina等人把回击模型看成圆柱形等离子体，用于研究回击的多种物理特性，提出了回击的物理模型。而1987年Podgorski和Landt提"]出的电磁场模型，把雷电回击通道比拟成一个耗散的天线来研究，用于计算回击电磁场的分布。Little于1978年就提出了线性分布电路模型[8:,近似的把雷电通道考虑为R-L-C传输线，随后1988年Mattos和Christopoilos对线性分

7、布电路模型进行改进，并在此基础上提出了非线性分布电路模型[8〕。目前国内外计算电磁场时在选取回击模型中，最常用的是工程模型。Uman认为能确定回击通道中任一高度、任意时间通道电流和该时间通道基电流之间关系的模型都为工程模型""。目前的工程回击模型主要有五种模型，即传输线（TL)、改进型传输线（MTLL、MTLE)、BG、TCS""人1941年Bruce和Golde提出了BG模型，这也是最简单的一种工程模型，认为通道电流与通道高度无关B]，1969年，Uman和Mdain考虑了通道影响提出TL模型。TC

8、S模型由Heidler于1985年提出，认为电流沿通道以光速向下传播，如果认为向下速度为无限大就可以推出BG模型。1988年Nucci等把回击期间电晕电荷分布考虑进模型，认为通道电流随高度程指数衰减提出了MTLE模型，同样，Rakov等认为程线性衰减提出了MTLL模型除以上5种主要模型外，1993年Cooray提出了一种模型''2〕，把雷电回击通道分为两部分即：通道外部和通道内部，也就是所谓的冷电晕套和热电晕套，第一章绪论此模型包含了九个可调整的参数