雷电先导分形模型及其线路耐雷性能评估方法的研究

摘要

近年来，随着我国交直流特高压线路相继投入运行，“西电东送，南北互供，全国联网”这一电力发展战略的实施得到不断深化，使得我国电网安全稳定运行的要求日益提高。而输电线路的雷击跳闸故障是影响电网安全供电的一个难题，如何提高电网的耐雷性能，减少输电线路的雷击跳闸次数，已成为保障我国电力网络安全运行的重要措施。面对当今电网快速的发展，输电线路雷害事故又显现出新的特点。一方面，与传统输电线路相比，超特高压输电线路具有高运行电压、大杆塔结构尺寸和长距离大跨越输电的特点，使得输电线路的雷击风险急剧提高。另一方面，由于各区域线路走廊地形地貌、雷电活动参数、电压运行等级以及各线路段结构参数有所不同，使得我国线路防雷问题及雷电防护需求呈现出明显的差异性。而国内外超特高压输电线路运行经验表明，由于线路的绝缘水平较高，绕击是造成线路雷击跳闸事故的主要原因。因此，开展输电线路雷电屏蔽模型及其耐雷性能评估方法的研究，综合考虑线路运行电压、雷电活动水平、地形地貌、杆塔结构等因素准确分析高压输电线路的绕击耐雷特性，对输电线路的防雷设计及雷击跳闸事故研究起至关重要的作用。目前虽然已有多种输电线路屏蔽模型及耐雷性能评估方法，但是如何有效描述雷击线路发展过程的概率统计特性及非标准雷电波下绝缘子串闪络特性等问题依然是线路绕击闪络率评估方法有待解决的研究难点。因此，本文从上述两个问题着手，以期找到一种更符合雷电绕击线路闪络过程的线路耐雷性能评估方法，为实施线路的绕击风险评估及绕击事故分析提供理论工具。
　　 基于对雷云放电过程的观测可知，雷电放电通道具有显著的分形特性。为此，本文从分形几何学出发，深入开展了自然雷云放电路径的分形特性以及雷电先导分形发展模拟方法的研究。为使模型所仿真的雷电先导路径与自然雷电先导传播特性相接近，本文利用盒维数法对不同分形参数η值下雷电模拟路径的分形维数进行计算，并依据自然雷电发展路径分形维数的变化范围对该参数进行了校正。同时采用模拟电荷法建立了雷击线路过程的动态电场计算模型，模型考虑了雷电先导分支、线路运行电压以及起始后的上行先导对雷电发展空间以及输电线路表面电场的影响。在此基础上，将雷电先导分形发展模拟方法应用到传统雷电先导发展模型中，建立了雷电先导分形模型。
　　 输电线路绝缘子串的雷击闪络特性对线路绕击耐雷性能评估起着至关重要的作用。而自然云地闪电的波形参数波动范围极大，使得雷电波波形参数对线路绝缘子雷电冲击闪络特性的影响不可忽视。为此，本文利用电压积分法(The disruptiveeffect method，简称为DE法)对线路绝缘子串在不同雷电波下的伏秒特性变化规律及其在线路绕击耐雷性能分析中的应用进行了研究。本文分析了传统DE法不同模型参数组合对绝缘子串伏秒特性重构曲线的影响，并提出了一种新的DE参数选取方法使重构曲线更能反应实际绝缘子的伏秒特性分布规律。并通过与试验数据进行比对的方式，对该方法在不同雷电波下伏秒特性重构曲线的有效性进行了验证。
　　 本文利用提出的雷电先导分形模型开展了输电线路的雷电屏蔽性能研究。研究结果表明，输电线路的侧面屏蔽失效区域呈现出概率分布的特性，其绕击概率与雷电流幅值以及侧面落雷距离相关。此外，首次提出了采用输电线路空间绕击概率曲线对输电线路的雷电屏蔽性能进行分析。研究结果表明：这种分析方法可以有效地反映出空间分布对输电线路雷击的影响，能够更准确地、全面地对雷击导线事故进行分析。与此同时，输电线路绕击闪络率的计算不仅与线路的雷电屏蔽性能相关，还与绝缘子串的闪络特性相关。因此，本文将雷电先导分形模型与改进DE法相结合，提出一种同时考虑雷电绕击概率统计特性及雷电波参数波动性的输电线路绕击闪络率评估方法。并通过雷击线路模拟试验研究以及现有的超特高压线路雷害运行数据对本文模型及其评估方法进行了验证。此外，本文还对多条目前运行的输电线路其绕击耐雷性能进行了评估，计算结果表明，我国的典型特高压输电线路其绕击率在0.14次/100 km·a以内，基本可满足线路运行的要求；而对于日本特高压同塔双回线路，由于其杆塔设计高度较高，且采用双回线路输电方式，绕击率达到了1.2635次/100 km·a。因此，还需采用其它防雷改进措施提高线路雷电屏蔽性能，降低线路绕击率。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 雷电发展路径模拟和输电线路雷电屏蔽理论研究现状

1.2.2 输电线路耐雷性能评估方法的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 雷电先导分形模型的研究

2.1 概述

2.2 输电线路雷电先导发展模型基本判据研究

2.2.1 上行先导起始判据

2.2.2 上下行先导发展规律

2.2.3 雷电最终击穿判据

2.3 基于分形几何学的雷电通道路径发展模型研究

2.3.1 雷电通道分形模型的理论基础

2.3.2 雷电通道分形模型的实现

2.3.3关键分形参数选择

2.4 雷击线路过程空间电场分布数值计算

2.4.1 空间电场分布的数值计算

2.4.2 上下行先导通道的电荷分布形式

2.4.3 雷电放电通道空间电场动态分布研究

2.4.4 输电线路导线表面电场计算

2.5 雷电先导分形模型的建立及仿真实现

2.5.1 二维雷电先导分形模型

2.5.2 三维雷电先导分形模型

2.6 本章小结

3 绝缘子串雷电冲击闪络判据及DE模型研究

3.1 概述

3.2 传统DE法的理论基础

3.3 DE法关键参数的选取

3.3.1 DE法关键参数对伏秒特性重构曲线的影响

3.3.2 基于最小DE*标准差率的参数取值法及模型验证

3.4 220kV、500kV线路绝缘子伏秒特性试验及改进DE法的应用

3.5 本章小结

4 输电线路绕击概率统计特性及绕击耐雷性能评估方法研究

4.1 概述

4.2 输电线路绕击概率分布规律研究

4.2.1 输电线路屏蔽失效宽度的绕击概率统计特性研究

4.2.2 输电线路屏蔽失效空间的绕击概率分布规律研究

4.3 输电线路绕击耐雷性能评估方法的改进

4.3.1 线路绕击率评估方法

4.3.2 线路绕击闪络率评估方法

4.4 本章小结

5 雷电先导分形模型的验证及其绕击耐雷性能评估方法的应用

5.1 概述

5.2 雷电先导分形模型及其绕击耐雷性能评估方法的验证

5.2.1 基于雷击线路模拟试验的线路屏蔽空间绕击概率分布规律验证

5.2.2 广东省500kV超高压输电线路绕击率的计算验证

5.2.3 日本1000kV同塔双回线路各相导线绕击比例计算验证

5.3 雷电先导分形模型的应用

5.3.1 本文计算所采用雷电参数

5.3.2 高海拔地区220kV及500kV输电线路绕击耐雷性能评估

5.3.3 特高压输电线路绕击耐雷性能评估

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附 录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间参加的科研项目