雷电在水平导体中产生感应电压的观测及数值模拟研究

对自然雷电的9次回击过程在水平导体上产生的感应电压特征进行了分析,并利用数值模拟分析了各种参量对感应电压的影响.自然雷电9次回击在导体上产生的感应电压的变化范围为4.6—18.6 kV,平均值为11.2 kV.感应电压的半峰值宽度和下降时间的几何平均值分别为0.87和2.9 μs.数值模拟结果表明,回击在导体两端产生的感应电压随回击速度的增加而增大,随导体高度的增加而增大.当导体两端的接地电阻匹配时,感应电压随电阻的增加而增大,但并不满足线性关系.当导体两端的接地电阻不匹配时,高电阻端的感应电压远大于低电 关键词： 感应电压 自然雷电 数值模拟     

单根架空线上雷电感应电压的研究

选择传输线模型作为雷电通道的回击模型,采用时域有限差分法首先计算了雷电回击通道附近的感应电磁场,接着运用Agrawal模型考虑雷电感应电磁场与架空电力线的耦合效应,分别计算架空电力线上不同点的感应过电压值,详细分析了雷电感应电压在单根架空线上的分布规律.     

外场激励下架空线响应分布规律的概率分析

 应用蒙特卡罗法和传输线耦合响应计算公式分析了瞬态外场激励下传输线耦合响应的分布规律。分析对象为二导体架空线和以大地为回路的多导体架空线。分析中将电磁波的入射参数,包括极化角、入射角和方位角作为一组随机变量,并由计算机随机产生。应用瞬态外场激励下二导体传输线终端耦合响应的解析公式和多导体传输线节点导纳方程分别分析端接传输线耦合电流和耦合电压响应绝对值的峰值,并得出响应的概率分布曲线。当传输线入射参数在［0,π/2］范围内变化时,对于二导体架空线终端电流而言,随着终端端接电阻的不同,架空线近端与远端的电流响应绝对值峰值的概率分布曲线不同。对于共地三导体架空线来说,在接相同端接电阻的情况下,远端高电压分布概率大于近端的分布概率,中间导体近远两端在高电压区域分布概率要比两边导体低。     

基于时域BLT的多导体传输线串扰响应分析

当传输线上通有电压和电流信号时,会在其周围的传输线上产生串扰响应。采用时域BLT方程建立多导体传输线对多导体传输线的串扰模型,分析了不同数目和不同频率正弦波集总电压源激励下的多导体受扰线终端负载串扰电压响应特性。研究结果表明,受扰线终端负载上的串扰电压响应主要频点的个数与集总电压源的个数相同,响应频点与集总电压源的频率相等,响应幅值与相应电压源离受扰线的间距有关。     

空芯脉冲变压器锥形绕组电压分布

 研究了空芯变压器锥形绕组的电压分布特性。运用多导体传输线理论建立锥形绕组的多导体传输线数值分析模型,推导模型等效电路中各项分布参数的求解公式,利用有限元软件求解分布参数并进行模拟计算。搭建实验平台测量绕组各匝线圈首端的电压波形,得到了匝间电压和对地电压的分布规律,实验结果与模拟计算基本吻合。研究表明：分布参数会引起电压谐振,冲击电压的上升沿在绕组首端产生匝间过电压;多导体传输线模型可对锥形变压器绕组的电压分布进行有效计算。     

埋地电缆雷电感应过电压观测和分析

通过测量自然闪电条件下埋地电缆的雷电感应过电压,探讨了不同类型电缆屏蔽层对芯线上感应过电压的影响。结果表明:电缆屏蔽层具有明显降低雷电感应过电压的作用;对同一次自然闪电,相对于电源电缆,控制电缆和信号电缆上感应电压脉冲波形峰峰值分别为65%和26%。在选取的起始脉冲时间段内,电缆感应过电压正、负峰值的绝对值同时增大或减小,具有一定的对应关系。钢带屏蔽层能够有效抑制控制电缆感应过电压400 kHz~1 MHz的频率分量,铜编织带屏蔽层对信号电缆感应过电压50 kHz以下频率分量的削弱效果明显。总体来看,铜编织带比钢带具有更好的屏蔽效果。     

基于多导体传输线理论的脉冲变压器锥形绕组电压分布数值分析

 为了研究脉冲变压器锥形绕组在脉冲电压作用下的电压分布特性，采用多导体传输线方法，根据实际脉冲变压器锥形绕组的结构，建立了电气参数有限元简化计算模型及等效多导体传输线分析数学模型，以此模型计算了锥形绕组在脉冲电压激励下匝间的电压分布。计算结果表明，此模型可对脉冲变压器锥形绕组的电压分布进行有效计算，对绕组匝间绝缘设计有一定的参考意义。     

高温超导变压器在雷电冲击下的电压响应

为研究6.6 MW高温超导变压器的高压磁体在雷电冲击过电压下的暂态电压响应，依据多导体传输线理论，建立了以单匝为一个单元的高频等效电路模型。利用有限元软件和编写程序求得分布参数，通过推导状态方程，并对状态变量求解，在时域内得到了各匝在雷电冲击全波电压和雷电冲击截波电压下的暂态响应。在三种雷电冲击波下高压磁体的绝缘满足安全运行的要求，首端匝间绝缘最为薄弱，雷电波发生截断可大幅降低绕组各匝最大对地电位、绕组末端的层间电压，其中在波前发生截断时可大幅降低磁体各匝间电压、层间电压，说明选用动作快速的避雷器至关重要。     

印制线抗电磁干扰模型分析与计算

对双导体传输线的Taylor模型在频域下的非齐次线性微分方程组,采用常数变异法求得其在边界条件下解的表达式,所求得传输线在终端响应的电压和电流值与BLT方程求得的结果相同。同时,还得到了印刷电路板上的平行双线在外电磁场辐射下终端响应电压的解析表达式,并通过解析解分析得到了不产生干扰电压时的电磁波的入射角度和极化方向。     

雷电电磁场传输线方程的修正与分析

考虑大地的有限导电率时,大地附近的水平电场对电源线和电子设备的影响更为显著,因此,在假设大地为完全导体的情况下推导出来的雷电电磁场传输线方程需进行修正.利用修正过的传输线方程以及大地的各种参数,经过计算得到雷电过电压在传输线上的传播情况,并对大地有限导电率的影响作了讨论分析.     

人工触发闪电通道的导电特性

用光学多道分析仪(OMA)获得了山东地区人工触发闪电回击过程的发射光谱.与以往的自然闪电光谱相比,除了氮、氧的中性原子及一次电离的离子谱和Hα谱线外,这次人工触发闪电的光谱还记录到了微量元素ArⅠ 602.5 nm及ArⅡ 666.5 nm的谱线.在局部热力学平衡近似下,根据光谱线的相对强度等参量,计算了闪电通道等离子体的温度;利用Hα线的Stark加宽、通过半经验方法获得了闪电通道的电子密度;首次结合等离子体理论得到了闪电通道的电导率,并由此讨论了通道的导电特性,分析了通道电导率与回击电流之间的相关性,为进一步计算回击电流提供了参考数据.结果分析得出:闪电通道是良导体,电子是通道电流的主要载体;一般情况下,人工触发闪电的通道亮度比自然闪电通道大,而通道回击电流小于自然闪电.     

广东沿海地区闪电通道的温度特性研究

在广东沿海地区,用无狭缝光栅摄谱仪获得了云对地闪电回击过程的光谱。经过光谱特征分析和谱线辨认,依据测得的谱线相对强度以及多组态Dirac-Fock方法得到的谱线跃迁参数,采用多谱线法,对每个闪电回击通道不同高度处的温度进行了定量计算。结果表明,强闪电放电过程对应的通道温度较高;分析通道不同高度处的温度值,发现对大多数闪电,同一回击通道随高度的增加温度略呈减小趋势;与青海高原相比,广东沿海地区强闪电较多, 光谱上激发能高的一次电离氧离子的跃迁谱线明显增多。     

依据光谱研究闪电回击通道核心的特征参数

闪电回击通道核心中的大电流及其强电磁辐射是引发多种雷电灾害的主要根源。随着现代科技的飞速发展,闪电防护工作显得越为重要。为了完善闪电防护系统,需要从描述闪电回击通道核心的特征参数入手深入研究闪电通道形成和发展过程的微观物理机制。截至目前,光谱观测是获取闪电通道核心特征参数的最佳手段。2015年夏天在青海高原地区的野外试验中,利用由高速摄像机作为记录系统组装的无狭缝光栅摄谱仪,结合快天线地面电场测量仪,记录到一次包括四个回击的云地闪电放电过程的光谱以及与之同步的快电场变化信息。依据光谱,结合等离子体理论计算得到闪电回击通道核心的电导率。在此基础上,应用闪电电动力学模型计算了闪电回击速度、峰值电流、贯穿通道核心的电磁场以及通道核心单位长度的峰值功率等特征参数。结果表明,回击速度在(1.2～2.3)×108 m·s-1的范围内;贯穿回击通道核心的轴向电场、径向电场和磁感应强度的最大值分别在(1.42～1.74)×105 V·m-1,(8.22～9.99)×108 V·m-1和(1.51～2.83) T的范围内。当闪电回击的峰值电流在(7.52～24.05) kA的范围内时,回击通道核心的峰值功率在(0.63～1.92)×109 W·m-1的范围内。另外,分析了电导率、起始电场峰值、回击速度和峰值电流与峰值功率之间的相关性,结果发现峰值电流和峰值功率具有良好的线性关系。研究结果可为探索闪电回击通道形成和发展过程的微观物理机制提供参考依据。     

一次人工触发闪电通道光谱结构分析

用无狭缝光谱仪获得了广东地区一次人工触发闪电首次回击过程的发射光谱,同时测量了回击电流峰值为18.3kA,回击持续时间为4.5ms。发现导线部分通道的发射谱线中存在407.5,419.0,425.3和517.9nm等激发能比较高的谱线,具有强闪电通道发射光谱的谱线结构,空气部分则具有弱闪电通道的谱线结构;导线部分与空气部分的基本谱线的相对强度差别较小,强闪电特征谱线相对强度相差非常大。通过对导线部分与空气部分谱线激发能等参数的分析,发现回击开始时,导线部分先导通道还未完全消失,回击脉冲电流对先导闪电通道等离子体进行了进一步激发,增加了等离子体的温度和密度,使得导线部分具有较高激发能的谱线被完全激发,相对于空气部分407.5,419.0,425.3和517.9nm等谱线的强度有较大程度的增加,造成导线部分通道与空气通道两种不同的光谱结构。通过光谱分析,获得了闪电通道不同部分的温度、电子密度等参数,发现导线部分通道的辐射特性不同于空气通道是导线部分通道发光亮度与电流相关性较差的原因。     

自然闪电条件下敷地线缆耦合试验

研制了一套能够同时测量线缆皮线和芯线感应电流的试验系统,研究自然闪电条件下敷地线缆的耦合问题。结果表明:不同位置处的线缆皮线感应电流波形基本一致,但幅值存在一定差异,说明感应电流空间分布不均匀; 所测线缆芯线和皮线感应电流的时域波形和频谱比较相似,能量集中在1 kHz~1 MHz之间; 正负地闪芯线感应电压波形均为单一脉冲型,波形持续时间10~49 μs; 正地闪线缆感应电压的幅值范围及幅值平均值都大于负地闪相应结果,说明正地闪产生的线缆耦合作用大于负地闪; 不同雷电过程的线缆感应电压幅值与磁感应强度有较小的相关性,而同一雷电过程则基本成线性关系; 正地闪线缆感应电压波形持续时间、半峰值宽度、10%~90%上升时间的范围及均值都比负地闪的要大。     

连续辐射谱法计算闪电通道电子温度

基于连续辐射理论,得到连续辐射能量与等离子体电子温度的关系式。依据青海地区一次强地闪回击过程的光谱,从中分离出连续辐射强度,对其吸收特征进行分析以减小吸收带来的计算误差。通过对连续谱强度的曲线拟合得到闪电放电通道电子温度,温度峰值为29 800 K,温度下限为16 200 K,由同一波段光谱中的O Ⅰ线和N Ⅱ线分别拟合了电子温度。比较结果发现：由连续辐射得到的闪电通道电子温度从高温向低温过渡,高温值与离子线信息获得的闪电核心电流通道处的温度符合较好,而低温则与原子线计算的结果接近,反映了外围电晕发光通道的温度。所以,依据连续谱得到的结果能更全面地反映温度沿通道径向的分布。对于闪电热等离子体通道,连续谱法提供了一种计算闪电放电通道电子温度的新途径,对地闪回击研究有一定的意义。     

The striking distance of lightning flashes and the early streamer emission (ESE) hypothesis

The attachment of a lightning flash to a lightning conductor (or to any other structure) takes place through a connecting leader that rises from the structure towards the descending stepped leader of a lightning flash. The spatial separation between the tip of the stepped leader and the lightning conductor (or the grounded structure) at the initiation of the connecting leader is known as the striking distance. In this paper the striking distance of stepped leaders is derived as a function of conductor height, conductor radii and the prospective return stroke current. Based on these results the validity of the early streamer emission (ESE) hypothesis is discussed. According to the ESE hypothesis, the striking distance of a lightning conductor can be increased by the artificial initiation of streamers from a lightning conductor. The results cast doubt on the validity of the ESE hypothesis. This in turn calls for more experimental data and field validations before using the ESE hypothesis in standard lightning protection practice.     

高压交流输电线路故障检修技术研究

对高压交流输电线路故障检修技术进行研究,可以提高电力质量,减少因线路故障产生的一系列人财有损情况的发生。当前方法将短期的输电线路检修当作单重不确定性的优化问题,对其进行建模以及求解。而在现场运行过程中,架空线路可靠性指标不能准确表达线路故障发生的可能性,其理论基础相对薄弱,仅考虑了单重不确定性的问题,无法对高压交流输电线路进行高精度地检修。为此,提出一种基于层次分析的高压交流输电线路故障检修方法。该方法先将高压交流输电线路故障划分为：单相接地故障、高压交流输电线路短路故障、高压交流输电线路导线断路故障。然后利用多个电流测量点,通过FFT程序对电流故障分量相位进行求解,根据比较相邻测点相位差判别故障区域,最后利用图论实现高压交流输电线路故障检修时间控制函数,以及线路故障检修经济控制目标函数的制定,与分类和定位结果结合完成高压交流输电线路故障的检修。实验结果证明,所提方法可以有效地对高压交流输电线路故障进行检修,具有一定的利用价值。     

Significant parameters affecting a lightning stroke to a horizontal conductor

This paper studies different parameters affecting a lightning stroke to a horizontal conductor. An electromagnetic model has been constructed to consider the influences of different lightning and horizontal conductor parameters and ambient conditions on the lateral striking distance. The results show that lightning leader parameters, horizontal conductor voltage, horizontal conductor height, and ground slope have a series effect on the lateral striking distance. Based on the results, recommendations are made to decrease the lightning stroke to the horizontal conductor.