雷擊特高壓輸電線路先導(dǎo)連接過(guò)程數(shù)值模擬研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求日益增加，越來(lái)越多的特高壓輸電工程進(jìn)入到我國(guó)電力建設(shè)當(dāng)中。雷擊輸電線路造成的故障是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，我國(guó)的特高壓輸電線路在設(shè)計(jì)論證過(guò)程中，雷電屏蔽性能的評(píng)估是討論的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。特高壓輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)尺寸大、工作電壓高，上行先導(dǎo)對(duì)屏蔽性能的影響加劇，盡管目前已有多種輸電線路雷電屏蔽分析方法，但它們對(duì)特高壓線路雷電屏蔽性能預(yù)測(cè)結(jié)果的可信度難以保證，如何科學(xué)的描述雷擊輸電線路先導(dǎo)連接物理過(guò)程

2、以提高雷電屏蔽性能評(píng)估的有效性是有待解決的研究難點(diǎn)。本文重點(diǎn)研究了雷擊輸電線路的物理機(jī)制，綜合應(yīng)用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和仿真建模等手段，通過(guò)探索與創(chuàng)新研究改進(jìn)了雷擊過(guò)程中涉及的一些關(guān)鍵參數(shù)判據(jù)和建模方法，進(jìn)一步完善了雷擊輸電線路的物理仿真模型，為特高壓輸電線路雷電屏蔽性能的研究提供了理論基礎(chǔ)和更有效的分析方法。
　　本文采取先導(dǎo)通道線電荷與頭部點(diǎn)電荷相結(jié)合的模式表示雷電下行先導(dǎo)通道內(nèi)的電荷分布情況，引入放電分支系數(shù)描述負(fù)極性雷電下行

3、先導(dǎo)發(fā)展過(guò)程中的分叉現(xiàn)象，建立了下行先導(dǎo)通道電荷量與閃電形狀的數(shù)學(xué)分析模型，通過(guò)雷電放電觀測(cè)結(jié)果獲取下行先導(dǎo)通道兒何特征，進(jìn)而提出了納入雷電分支影響的下行先導(dǎo)通道電荷分布模型;基于雷電放電光學(xué)觀測(cè)結(jié)果提出了負(fù)極性下行先導(dǎo)發(fā)展模式，利用氣體放電分形理論模擬下行先導(dǎo)的隨機(jī)發(fā)展路徑，給出了雷電先導(dǎo)放電擊穿場(chǎng)強(qiáng)閾值與先導(dǎo)所處海拔高度的關(guān)系式，建立了負(fù)極性雷電下行先導(dǎo)隨機(jī)發(fā)展模型;采用本文下行先導(dǎo)隨機(jī)發(fā)展模型仿真模擬了雷電放電發(fā)展過(guò)程，計(jì)算了先導(dǎo)

4、放電路徑的分形維數(shù)以及下行先導(dǎo)發(fā)展過(guò)程中的地面電場(chǎng)變化，計(jì)算結(jié)果與自然負(fù)極性地閃的觀測(cè)結(jié)果較為一致，證明了本文雷電下行先導(dǎo)通道模型的有效性，并進(jìn)一步探討了雷電下行先導(dǎo)對(duì)地?fù)艟唷?br>　　通過(guò)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室典型棒-線、棒-棒間隙的放電試驗(yàn)研究，探討了長(zhǎng)間隙放電過(guò)程中的空間電荷效應(yīng)，證實(shí)了空間電荷對(duì)電極周?chē)妶?chǎng)的畸變作用;基于正極性先導(dǎo)放電理論，參考國(guó)內(nèi)外雷電觀測(cè)與長(zhǎng)間隙放電的已有研究成果，將由空間電荷引起的導(dǎo)線附近電位畸變與上行先導(dǎo)放電發(fā)展

5、過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，建立了雷電下行先導(dǎo)作用下導(dǎo)線表面正極性上行先導(dǎo)起始物理過(guò)程的數(shù)值仿真模型，采用模擬電荷法計(jì)算分析了雷電先導(dǎo)下行過(guò)程中線路周?chē)臻g電場(chǎng)的分布特征，結(jié)果表明:穩(wěn)定上行先導(dǎo)起始時(shí)刻導(dǎo)線附近平均電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到流注場(chǎng)強(qiáng)的區(qū)域長(zhǎng)度幾乎不受雷電參數(shù)和導(dǎo)線參數(shù)的影響，從而提出了一種適用于輸電線路雷電屏蔽分析的上行先導(dǎo)起始新判據(jù)-平均背景電場(chǎng)判據(jù)，并進(jìn)一步討論了先導(dǎo)放電過(guò)程中關(guān)鍵物理參數(shù)對(duì)平均背景電場(chǎng)判據(jù)的影響;利用實(shí)驗(yàn)室條件下長(zhǎng)間隙放電的觀

6、測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該判據(jù)的合理性，將本文先導(dǎo)起始判據(jù)與以往的判據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，指出現(xiàn)有的輸電線路上行先導(dǎo)起始判據(jù)可能會(huì)夸大上行先導(dǎo)對(duì)雷電下行先導(dǎo)的吸引作用。
　　通過(guò)分析正極性上行先導(dǎo)放電發(fā)展過(guò)程中空間電場(chǎng)的時(shí)空分布特性，結(jié)合人工引雷實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出了描述先導(dǎo)變速運(yùn)動(dòng)的上行先導(dǎo)發(fā)展速度計(jì)算公式，利用自然雷電作用下高塔上行先導(dǎo)發(fā)展過(guò)程的觀測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該速度公式的有效性，并討論了不同雷電參數(shù)下的上行先導(dǎo)發(fā)展速度變化情況;納入上行先導(dǎo)攜帶

7、電荷對(duì)空間電場(chǎng)的影響，建立了上行多先導(dǎo)發(fā)展的動(dòng)態(tài)仿真模型，分析了上行多先導(dǎo)之間相互作用對(duì)先導(dǎo)起始及發(fā)展的影響，指出上行多先導(dǎo)間相互作用會(huì)延緩雷擊先導(dǎo)的連接過(guò)程;以典型特高壓直流輸電線路為例，分析了線路表面起始的上行先導(dǎo)間相互作用、導(dǎo)線工作電壓、桿塔保護(hù)角對(duì)輸電線路雷擊過(guò)程中上行先導(dǎo)起始與發(fā)展特性的影響，從先導(dǎo)起始時(shí)刻、發(fā)展速度、運(yùn)動(dòng)軌跡等方面揭示了輸電線路上行先導(dǎo)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。
　　結(jié)合本文對(duì)負(fù)極性雷電下行先導(dǎo)通道模型、正極性上行先導(dǎo)

8、起始和發(fā)展特性等方面的研究，建立了雷擊輸電線路先導(dǎo)連接過(guò)程的物理仿真模型;基于該模型對(duì)典型超/特高壓輸電線路的雷電屏蔽性能進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與輸電線路遭受雷擊的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相符，驗(yàn)證了本文仿真模型對(duì)特高壓線路雷電屏蔽性能評(píng)估的有效性;采用本文雷擊物理模型評(píng)估分析了不同工況下超/特高壓交直流同塔混架輸電線路的雷電屏蔽性能，并提出了線路防雷設(shè)計(jì)可能的改進(jìn)措施。
　　本文研究工作涉及雷擊線路過(guò)程中的諸多普遍性問(wèn)題，其相關(guān)理論成果與