基于FDTD的雷击杆塔瞬态响应仿真研究

摘要

在对雷电反击的防护领域,能够准确地仿真出雷击杆塔的瞬态响应一直是大家追寻的目标。有研究表明,较之于传统的采用EMTP软件对雷击杆塔的瞬态响应进行仿真的方法,采用FDTD方法从电磁场的角度对雷击杆塔瞬态响应的仿真结果更准确些。因此,为研究雷击杆塔的瞬态响应,本文主要采用FDTD方法对其进行仿真。
　　本文首先介绍了FDTD方法的基本原理和关键技术,除原有书本内容外,添加了部分重要内容,如Liao氏二阶吸收边界条件的差分形式、一种新的模拟集中电流源的方法和基于准静态场推导的细导线处理方法。
　　为实现对雷击杆塔瞬态响应的仿真,详细介绍了FDTD方法中雷电通道的建模方法、避雷线和分裂导线的建模方法和具有复杂结构的输电线路杆塔的建模方法,通过与三个算例的对比,验证了该建模方法的有效性和准确性。
　　采用FDTD方法分别对酒杯塔、同塔双回线路杆塔和同塔四回线路杆塔的雷击瞬态响应进行了仿真。仿真结果表明,当雷电流的幅值为1A时,对于塔高为50m的酒杯塔,其各导线与横担之间的过电压峰值为19.9~23.1V,达到峰值时0.817~0.998μs;对于塔高为89.5m的同塔双回线路杆塔,其各导线与横担之间的过电压峰21.9~29.1V,达到峰值时间为1.12~1.3μs;对于塔高为79.9m的同塔四回线路杆塔,当雷电流幅值为1A时,其各导线与横担之间的过电压峰值为14.4~33V,达到峰值时间为1.15~1.35μs。
　　最后根据基于FDTD的雷击杆塔瞬态响应仿真结果,确定了酒杯塔、同塔双回线路杆塔和同塔四回线路杆塔的波阻抗模型中波阻抗的取值。当采用该波阻抗模型时,基于EMTP软件对雷击杆塔瞬态响应的仿真结果较接近于基于FDTD的仿真结果。

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1 引 言

1.1 研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要工作

2 FDTD的基本原理及关键技术

2.1 Maxwell方程的Yee氏差分形式

2.2 数值稳定性与色散性

2.3 吸收边界条件

2.4 激励源的加入

2.5 细导线的处理方法

2.6 本章小结

3 研究对象的建模方法及有效性验证

3.1 雷电通道的建模

3.2 避雷线和分裂导线的建模

3.3 杆塔的建模

3.4 建模方法的有效性验证

3.5 本章小结

4 基于FDTD的雷击杆塔瞬态响应仿真研究

4.1 杆塔参数及仿真条件

4.2 基于FDTD的雷击杆塔瞬态响应仿真

4.3 基于FDTD仿真结果所建的杆塔波阻抗模型

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1全文总结

5.2 对未来的展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文及参与的科研项目