細(xì)線的超電暈特性及其在超高壓輸電線路防雷中的應(yīng)用研究.pdf

1、鑒于我國能源中心和電力負(fù)荷中心位置在地域上的差異性，跨區(qū)域遠(yuǎn)距離的電力網(wǎng)絡(luò)已成為我國能源傳輸?shù)囊淮笾饕ǖ?，而超高壓輸電線路是實(shí)現(xiàn)這種遠(yuǎn)距離、大容量能源輸送的重要途徑。然而據(jù)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雷擊輸電線路是導(dǎo)致輸電線路跳閘事故的主要原因，尤其超高壓輸電線路具有高運(yùn)行電壓、大桿塔結(jié)構(gòu)尺寸和長(zhǎng)距離大跨越輸電的特點(diǎn)，使得輸電線路遭受雷擊事故的概率相應(yīng)增加，并且線路總跳閘率中繞擊跳閘率所占比例較大。而雷電繞擊輸電線路的實(shí)質(zhì)是雷電下行先導(dǎo)與輸電線

2、路避雷線、導(dǎo)線產(chǎn)生的迎面上行先導(dǎo)相遇并發(fā)生連接的過程，因此尋求一種抑制導(dǎo)線上行先導(dǎo)的方法，使得導(dǎo)線上行先導(dǎo)的產(chǎn)生時(shí)間被延緩、上行先導(dǎo)的長(zhǎng)度被縮短、甚至從根本上抑制導(dǎo)線上行先導(dǎo)的產(chǎn)生，將有效降低雷電下行先導(dǎo)擊中導(dǎo)線的概率，從而減少輸電線路的繞擊次數(shù)，提高超高壓輸電線路的繞擊耐雷性能。
　　細(xì)線超電暈近年來被國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)并被認(rèn)為是一種能夠有效抑制導(dǎo)線上行先導(dǎo)的方法，它不僅對(duì)流注發(fā)展有良好的抑制效果，同時(shí)其產(chǎn)生的大量空間電荷能夠改變周

3、圍空間的電位分布，從而對(duì)周圍導(dǎo)體的上行先導(dǎo)產(chǎn)生影響，因此已有學(xué)者基于這些電暈特性提出了細(xì)線超電暈在輸電線路防雷中的應(yīng)用方法并開展了相應(yīng)的試驗(yàn)研究。鑒于細(xì)線超電暈在超高壓輸電線路雷電防護(hù)中良好的應(yīng)用前景，研究細(xì)線超電暈的產(chǎn)生機(jī)制和電暈特性，并評(píng)估超電暈情況下的輸電線路繞擊耐雷性能具有十分重要的意義。
　　目前國內(nèi)外針對(duì)細(xì)線超電暈的研究甚少，當(dāng)前對(duì)于細(xì)線超電暈特性的試驗(yàn)研究比較零散且缺少系統(tǒng)性，僅僅針對(duì)細(xì)線超電暈對(duì)流注的抑制特性開展了

4、初步試驗(yàn)分析，未對(duì)細(xì)線超電暈對(duì)周圍空間電位分布的影響以及細(xì)線對(duì)超電暈起始規(guī)律的影響進(jìn)行深入研究；現(xiàn)有的超電暈放電仿真模型大多基于避雷針建立，由于輸電線路避雷線與避雷針結(jié)構(gòu)迥異，電暈放電產(chǎn)生的電場(chǎng)分布與電荷遷移規(guī)律存在較大差異，導(dǎo)致避雷針的研究成果無法在輸電線路直接應(yīng)用，而基于輸電線路結(jié)構(gòu)建立的超電暈放電模型由于進(jìn)行了大量的近似處理，具有較大局限性；此外，由于缺乏精確描述細(xì)線超電暈和雷電先導(dǎo)同步發(fā)展過程的繞擊耐雷性能評(píng)估模型，無法對(duì)細(xì)線超

5、電暈對(duì)輸電線路繞擊耐雷性能的影響進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。因此，若能對(duì)細(xì)線超電暈開展系統(tǒng)的研究，將能更好地指導(dǎo)細(xì)線超電暈在輸電線路的防雷設(shè)計(jì)與應(yīng)用。
　　本文采用理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)細(xì)線超電暈特性、雷云電場(chǎng)作用下的超電暈放電仿真模型、以及細(xì)線超電暈對(duì)輸電線路繞擊耐雷性能影響的評(píng)估分別進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。
　　首先，本文開展了細(xì)線超電暈特性試驗(yàn)研究。建立了細(xì)線超電暈特性測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)，分別針對(duì)細(xì)線超電暈對(duì)流注的抑制特性、細(xì)線

6、超電暈對(duì)周圍空間電位分布的影響以及細(xì)線對(duì)超電暈起始規(guī)律的影響開展研究。根據(jù)不同電極形式的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，推導(dǎo)了不同電極形式下的超電暈穩(wěn)定判據(jù)，從中選取能夠較好保持超電暈穩(wěn)定性的電極并在表面纏繞細(xì)線，通過負(fù)極性高壓直流試驗(yàn)進(jìn)行超電暈對(duì)流注的抑制特性試驗(yàn)，得到了不同細(xì)線纏繞螺距下的空氣間隙擊穿電壓，驗(yàn)證了超電暈的流注抑制特性；根據(jù)超電暈在周圍空間任一點(diǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓表達(dá)式分析了超電暈對(duì)周圍空間電位分布影響的機(jī)理，設(shè)計(jì)并開展了超電暈對(duì)周圍導(dǎo)線表

7、面電位影響的驗(yàn)證試驗(yàn)；通過開展細(xì)線超電暈的起暈試驗(yàn)，分析了細(xì)線對(duì)超電暈起始的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和相應(yīng)的仿真分析得到了細(xì)線超電暈的起始規(guī)律。
　　隨后，根據(jù)細(xì)線效應(yīng)特性分析了細(xì)線對(duì)超電暈穩(wěn)定性的影響，并研究了雷云背景場(chǎng)作用下細(xì)線超電暈的產(chǎn)生機(jī)制和原理。然后以一維超電暈?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，設(shè)定避雷線為能夠產(chǎn)生超電暈的細(xì)線，結(jié)合輸電線路的結(jié)構(gòu)形式，考慮正極性離子與其他離子的附著與碰撞作用，建立了雷云場(chǎng)作用下輸電線路的細(xì)線超電暈放電的二維仿真模型

8、，對(duì)超電暈在雷云感應(yīng)作用下從避雷線表面的起始發(fā)展過程與電暈特性進(jìn)行仿真模擬。通過研究得到了電暈電流、正離子密度分布規(guī)律以及正離子遷移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)正離子在避雷線上方遷移區(qū)的聚集形成的正空間電荷背景對(duì)行進(jìn)電子束具有衰減和消耗作用，抑制了電子崩的形成，并降低了電子崩轉(zhuǎn)化為流注的幾率，阻止了新的電子崩對(duì)流注的不斷注入，同時(shí)正空間電荷背景使氣體的碰撞面增大，增加了與電子的復(fù)合幾率，引起大量電子的消耗，最終抑制了電子崩的形成與流注的發(fā)展，迎面上行先導(dǎo)

9、得到抑制。
　　最后，基于雷云場(chǎng)作用下細(xì)線超電暈放電的二維模型，建立了超電暈發(fā)展的數(shù)學(xué)模型，并與雷電先導(dǎo)發(fā)展模型相結(jié)合，采用本文提出的細(xì)線超電暈起始經(jīng)驗(yàn)公式，建立細(xì)線超電暈對(duì)輸電線路繞擊耐雷性能影響的評(píng)估模型，研究輸電線路的先導(dǎo)起始過程以及雷電先導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)過程，對(duì)雷電先導(dǎo)和超電暈的同步發(fā)展過程進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)仿真結(jié)果分析了細(xì)線超電暈對(duì)導(dǎo)線和避雷線雷電吸引能力的影響規(guī)律，通過對(duì)仿真結(jié)果的公式擬合得到避雷線表面產(chǎn)生細(xì)線超電暈后導(dǎo)線、避

10、雷線的雷電吸引半徑表達(dá)式，并將其未采用細(xì)線的輸電線路進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明避雷線產(chǎn)生超電暈后導(dǎo)線和避雷線的吸引半徑和雷電吸引能力均被削弱且大幅降低，且導(dǎo)線引雷能力的削弱程度大于避雷線，并基于這一結(jié)果推導(dǎo)了避雷線產(chǎn)生超電暈后輸電線路屏蔽失效寬度的變化，最后通過500kV超高壓輸電線路的實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)分析與驗(yàn)證，結(jié)果表明細(xì)線超電暈產(chǎn)生的反極性電位，降低了導(dǎo)線表面電位，從而抑制導(dǎo)線表面上行先導(dǎo)的產(chǎn)生。即使超電暈同時(shí)削弱了避雷線和導(dǎo)線的引雷能力，但導(dǎo)