雷电对建筑物和输电线路的电磁影响研究

摘要

雷电是自然界频繁发生的一种电磁现象，会造成电力能源供应中断、设备损害及人身伤害等各类安全事故，防雷和减少雷电产生的灾害是人类的长期奋斗目标。雷电对处于其通道近区的建筑物和输电线路安全产生较大威胁，但目前雷电通道近区电磁场分布规律的研究还刚刚起步，缺乏系统性的认识。
　　论文在中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(14MS90)“雷电电磁骚扰对建筑物和输电线路的影响研究”的资助下，重点开展了雷电对建筑物和输电线路的电磁影响研究，主要内容如下。
　　建立了雷电先导模型、雷电基底电流模型和雷电回击模型。分析了雷电发生发展过程的物理机制，利用雷电通道的半径、速度、电流、电荷等来描述雷电通道的特性。雷电先导模型将雷暴云、雷电先导通道和大地视为电准静态系统，雷电基底电流模型利用修正的Heilder函数表示，雷电回击模型将雷暴云、雷电通道和大地视为磁准静态系统。
　　提出了雷电通道近区电磁场计算方法。在先导发展阶段，近区电场由雷暴云中的电荷、雷电通道中的电荷和大地上的感应电荷共同产生。在回击过程中，近区电场由雷暴云、雷电通道中的剩余电荷和回击电流共同产生，近区磁场由回击电流产生。基于建立的雷电通道模型，推导了在先导发展阶段和回击过程中，将大地视为完纯导体和有损媒质情况下，雷电通道近区电磁场的表达式。通过与人工引雷试验数据对比，验证了所提近区电磁场计算方法的有效性。
　　建立了雷电保护系统的传输线等效电路模型，计算了雷电直击建筑物时雷电保护系统导体上的瞬态电流分布。依据雷电保护系统的结构特征和雷电流频谱特点，采用传输线模型对雷电保护系统进行建模，考虑了雷电通道和雷电保护系统之间的电磁耦合。对离散复镜像法进行改进，提取索末菲积分中核函数的准动态项和表面波的贡献，大大提高了计算效率。通过与国际雷电研究与测试中心在佛罗里达州进行的雷击建筑物试验电流进行比较，证明了方法的有效性。
　　建立了建筑物雷电保护系统的部分元等效电路模型，利用分布参数电路对雷电回击通道进行建模，雷电通道与建筑物雷电保护系统的电磁耦合用部分互感表示，计算了雷电直击建筑物时雷电保护系统上的雷电流瞬态分布，并与文献结果进行比较，证明了方法的有效性。根据雷电保护系统导体数目较大的特点，设计了一种可用于复杂多导体系统部分电感快速计算的高效计算程序。
　　提出山区输电线路保护角的修正计算方法。通过数字高程模型提取线路走廊坡度、坡向等微地形数据，推导了不同地形条件下的修正保护角计算方法，量化分析了坡向和坡度对雷击跳闸率的影响，将地形因素对绕击跳闸率的影响统一归结到修正保护角中;研究了一套预评估、再评估的层进式输电线路雷击风险评估方法，预评估以规程法为计算依据并结合运行经验和环境特征确定全线易击段，然后对线路易击段建立反击分析模型和绕击分析模型，计算易击段的雷击跳闸率。通过实例分析，证明了该系统的可行性和有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 雷电通道模型

1．2．2 雷电电磁场计算

1．2．3 雷电对建筑物的影响

1．2．4 雷电对山区输电线路的影响

1．3 论文主要工作

第2章 雷电通道模型

2．1 引言

2．2 雷电放电过程物理机制

2．2．1 下行先导的通道特性

2．2．2 回击通道的特性

2．3 雷电通道模型

2．3．1 先导模型

2．3．2 基底电流模型

2．3．3 回击模型

2．4 本章小结

第3章 雷电通道近区电磁场计算

3．1 引言

3．2 完纯导体地面上方雷电通道近区电磁场计算

3．2．1 先导发展阶段雷电通道近区电场计算

3．2．2 回击过程雷电通道近区电磁场计算

3．3 有损土壤地面上方雷电近区电磁场计算

3．3．1 先导发展阶段雷电通道近区电场计算

3．3．2 回击过程雷电通道近区电磁场计算

3．4 算例分析

3．5 本章小结

第4章 基于传输线理论分析雷电对建筑物的影响

4．1 引言

4．2 建筑物雷电保护系统的电路模型

4．2．1 雷电流模型

4．2．2 雷电保护系统模型

4．2．3 接地极模型

4．2．4 列写节点电压方程求解

4．3 考虑雷电通道的影响

4．3．1 垂直和水平电偶极子矢量磁位表达式

4．3．2 直接积分法求解索末菲积分

4．3．3 离散复镜像法求解索末菲积分

4．4 算例分析

4．5 本章小结

第5章 基于PEEC理论分析雷电对建筑物的影响

5．1 引言

5．2 部分元等效电路模型

5．2．1 部分电感的定义

5．2．2 部分电感矩阵快速计算程序设计

5．3 建筑物雷电保护系统的PEEC模型

5．3．1 雷电回击模型

5．3．2 雷电保护系统的PEEC模型

5．3．3 接地极模型

5．3．4 列写节点电压方程求解

5．4 算例分析

5．5 本章小结

第6章 雷电对山区输电线路的影响

6．1 引言

6．2 防雷保护角的修正计算方法

6．2．1 修正保护角的定义

6．2．2 坡向和坡度角的获取

6．2．3 坡向和坡度角对修正保护角和绕击跳闸率的影响

6．3 山区输电线路雷击风险评估

6．3．1 风险预评估

6．3．2 风险再评估

6．4 算例分析

6．4．1 全线预评估

6．4．2 雷击风险再评估

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介