复杂地表下雷电电磁环境及架空输电线感应过电压模拟研究

摘要

雷电电磁脉冲对如今社会中各类电子设备、通讯系统及电力系统的危害越来越大。因此,了解雷电电磁场脉冲在空间的传播特性及其在输电线上的耦合问题对目前的雷电防护工作具有重要的理论和实现价值。
　　首先,文章研究了复杂地表下雷电回击电磁场的传播特性,依据二维分形粗糙模型讨论了光滑和粗糙地表对回击电磁场的影响,并根据Scott提出的土壤模型讨论了土壤湿度引起的电参数变化对雷电回击电磁场的影响。然后,利用时域有限差分法(FDTD)和传输线的耦合模型,讨论了理想地表情况及地面电导率垂直和水平分层情况下,雷电回击电磁场在传输线路上的感应过电压特性。
　　本文研究取得如下结果:(1)当雷电水平电场沿粗糙陆地表面传播时,电场受地表面的粗糙程度影响很大,且随着粗糙度的增加,水平电场开始阶段的负峰值变小;而沿海-陆交接复杂地表传播时,水平电场受陆地部分粗糙度影响比较明显而受海浪起伏影响很小。
　　(2)电磁场沿土壤湿度为0.2％和10％的地表传播时,土壤湿度为0.2％时对电磁场的影响更加明显,尤其是回击水平电场,其表现主要是水平电场的峰值与湿度成反比;而土壤湿度由0.2％增加到10％时,垂直电场和水平磁场的上升沿时间减小,对垂直电场和磁场的峰值影响不太明显。
　　(3)地表理想情况下,架空线上感应过电压值随着雷电回击速度、架空线高度的增加而增加,随架空线距雷击点的距离的增加而减小;雷电回击模型的变化对感应过电压的峰值影响不大,主要影响电压波形的上下沿时间,即对其衰减快慢有影响。
　　(4)电导率垂直分层情况时,感应过电压值受电导率较小段影响更明显,因为电导率越小,电磁场场衰减越大,尤其是对水平电场;电导率水平分层情况下,雷电感应过电压值主要受上层电导率的影响。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景和研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 关于雷电通道周围电磁场的研究

1.2.2 关于架空线雷电感应过电压的耦合研究

1.3 本文的研究内容及主要的工作

第二章 复杂地表对雷电通道周围电磁环境的影响

2.1 雷电电磁场沿地表传播算法简介

2.2 回击模型选取

2.2.1 工程模型

2.2.2 雷电流函数

2.3 粗糙地表对雷电电磁场的影响

2.3.1 改进的二维分形海面模型

2.3.2 二维分形布朗运动(fBm)模型

2.3.3 粗糙模型等效表面阻抗

2.3.4 模拟结果分析

2.4 地表湿度引起的电参数变化对雷电电磁场影响

2.4.1 湿度引起的地表电参数变化模型

2.4.2 湿度对土壤电参数影响分析

2.4.3 模拟结果分析

2.5 本章小结

第三章 雷电感应过电压在架空线上耦合算法

3.1 外电磁场与传输线耦合原理

3.1.1 感应电压

3.1.2 感应电流

3.2 时域有限差分方法

3.2.1 FDTD简介

3.2.2 FDTD基本方法及在电磁场计算中应用

3.3 架空线上耦合过电压的FDTD程序设计

3.4 本章小结

第四章 复杂地表下架空线感应过电压的结果分析

4.1 架空传输线过电压计算思路

4.1.1 外电磁场与架空线空间模型

4.1.2 雷电感应过电压计算步骤

4.1.3 架空传输线过电压的激励源计算

4.2 过电压计算模型的验证

4.3 理想地表雷电感应过电压计算结果分析

4.3.1 雷电回击速度对过电压的影响

4.3.2 架空线高度对过电压的影响

4.3.3 雷电回击模型对线路过电压的影响

4.4 分层地表对雷电感应过电压影响分析

4.4.1 垂直分层地表对雷电感应过电压影响

4.4.2 水平分层地表对雷电感应过电压影响

4.5 本章小结

第五章 总结

5.1 全文总结

5.2 论文创新点

5.3 存在问题及展望

参考文献

作者简介

致谢