冲击电晕特性及其对线路雷电瞬态计算的影响

摘要

在架空线的雷电瞬态分析与计算中，冲击电晕对雷电波的衰减与变形作用是通过其电压-电荷特性，即伏库特性来考虑的。现有的研究所涉及的电晕伏库特性基本上都是在双指数雷电波下取得的。而实测和仿真均表明，由于波的折、反射，侵入变电站的雷电过电压波形多数呈衰减振荡特征。为此，研究这种非标准型的衰减振荡波下的电晕伏库特性及其对线路雷电瞬态计算的影响就具有重要实际意义。针对该问题，本文拟从试验和建模计算入手来开展系统的研究工作，具体落实在以下诸方面。
　　建立了一套冲击电晕伏库特性试验系统，包括改造冲击电压发生器、电晕笼和测量模块，该系统可测量衰减振荡冲击波下的伏库特性。采用了比较有效的抗干扰措施，排除系统中杂散电容、电感对测量的影响，使得测量结果的准确性得到保障。试验表明，衰减振荡波下的伏库特性表现出明显的次回环特征，这是其与传统双指数冲击波下伏库特性的主要区别。通过改变外施电压的波形研究了频率和振荡深度对伏库特性的影响，研究发现，频率越高电晕放电产生的电荷量越大，振荡深度则与次回环的大小直接相关。通过缩小比例模型试验研究了分裂导线对衰减振荡波下电晕伏库特性的影响。试验发现，随着分裂数增大电晕放电量减小的同时，次回环也随之缩小。
　　根据现有的气体放电基本理论建立了冲击电晕微观数学物理模型，该模型通过对空间进行离散化处理可以同时计及碰撞电离、空间光电离、带电粒子的漂移等微观物理过程，可计算出冲击电晕的伏库特性。通过与本文以及文献中试验结果进行对比，验证了该模型的有效性。根据计算得到的空间电场分布随时间变化关系，讨论了衰减振荡波下电晕发展过程，特别是次回环的形成机制。电场计算结果表明，反极性电晕有可能是次回环形成的原因之一。
　　使用时域有限差分法求解传输线方程，建立了多相架空线模型。使用矢量拟合方法和递归卷积技术，推出了在时域考虑线路参数频率相关性的有限差分迭代公式。通过与EMTP-RV的计算结果以及文献中的试验结果进行校验，验证了架空线模型的有效性。应用该模型对典型输电线路进行了计算分析，在不计及电晕的条件下调查了是否考虑多相导线间的耦合对雷电瞬态计算结果的影响，并研究了衰减振荡波下振荡频率和振荡深度对衰减变形的影响。
　　将一种适用于双指数冲击的电晕模拟方式加入本文建立的架空线模型中，使之能够计算双指数波下的雷电瞬态过程，与文献测量结果对比验证了该方法的可行性。在此基础上，进一步对该电晕模拟方式进行拓展，使其能够计及衰减振荡波下电晕的次回环特征。然后利用其来研究次回环对衰减变形计算结果的影响。计算结果表明，在负极性下，计及次回环与否将会对瞬态计算结果造成较大差别;而在正极性下，计及与忽略次回环对瞬态计算结果影响则较小。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究冲击电晕的意义

1．2 导线上冲击电晕的研究概况

1．2．1．国内外研究现状回顾

1．2．2．伏库特性

1．2．3．导线上冲击电晕的建模

1．2．4．导线上冲击电晕伏库特性测量

1．2．5．冲击电晕对雷电波衰减变形的影响

1．3 问题的提出

1．4 本文的主要工作

2．1 引言

2．2 试验装置

2．2．1．冲击电压发生器

2．2．2．电晕笼

2．2．3．测量系统

2．3 同步性校验

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 伏库特性曲线的特性参数

3．3 振荡频率对q-u曲线的影响

3．4 振荡深度对q-u曲线的影响

3．5 分裂导线对q-u曲线的影响

3．6 本章小结

4．1 引言

4．2 几点假设

4．3 离散化计算

4．3．1．计算空间电场分布

4．3．2．计算带电粒子的漂移

4．3．3．计算碰撞电离、附着过程

4．3．4．计算光电离过程

4．3．5．计算正负离子的复合

4．4 计算和测量结果校验

4．4．1．双指数波

4．4．2．衰减振荡波

4．5 计算结果讨论

4．5．1．同极性电晕阶段

4．5．2．反极性电晕阶段

4．6 本章小结

5．1 引言

5．2 常参数架空线模型

5．2．1．FDTD法

5．2．2．常参数架空线模型有效性验证

5．3 线路参数的频率相关性

5．3．1．传输线方程的频域表达

5．3．2．卷积的处理

5．3．3．频率相关的架空线模型有效性验证

5．4 单相模型和多相模型对计算结果的影响

5．4．1．220kV典型线路

5．4．2．500kV典型线路

5．5 衰减振荡波的波形对计算结果的影响

5．5．1．振荡频率

5．5．2．振荡深度

5．6 本章小结

6．1 引言

6．2 雷电瞬态计算中使用的电晕模拟方式

6．2．1．Suliciu模拟方式

6．2．2．拓展的Suliciu模拟方式

6．2．3．考虑冲击电晕的架空线模型

6．3 双指数波下的雷电瞬态计算

6．4 衰减振荡波下的雷电瞬态计算

6．5 本章小结

7．1 论文的主要结论

7．2 展望

参考文献

附录

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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