（高电压与绝缘技术专业论文）考虑静电场力作用下的向量电气几何模型.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产 权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包 含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体， 均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：了磊 j 刃汐年西月2 乒日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 回即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：巧兹 翩虢唧川引胧日 考虑静电场力作用下的向量电气几何模型 摘要 目前，雷击跳闸是引起输电线路故障跳闸的主要原因之一，随着 电压等级不断的提高，因雷击而导致线路跳闸的事故次数也越来越 多，因此为了确保电网能够安全稳定的运行，就必须对线路的绕击耐 雷性能做出准确评价。 本文介绍了雷电危害及其放电过程，建立了雷击仿真模型并设置 了模拟电荷。目前，计算线路绕击率的主要方法有规程法、电气几何 模型和先导发展模型。其中以电气几何模型应用最为广泛。但这些方 法都有其局限性，没有考虑到线路感应电荷对下行先导发展的影响， 不能解释山区线路绕击跳闸率过高的原因。 实际上，雷电下行先导在其发展过程中，避雷线、导体上都会感 应出异性电荷，这些电荷对雷电先导有吸引力从而改变了雷电先导的 方向。根据电磁场知识可知，感应电荷大小与线性物体的截面半径成 正比，输电线路的导线截面半径大于避雷线截面半径，尤其对于存在 分裂导线的高电压等级线路，这种差距显得更为明显，使得下行先导 更加偏向于到导线方向发展，最终导致绕击率增大。 本文基于经典电气几何模型( e g m ) ，并考虑雷电先导与避雷 线、导线及地面之间电场力的作用，提出向量击距这一概念，并建立 了向量电气几何模型( g m ，v e c t o re g m ) 。仿真结果表明：该模 型能更好地用于避雷线绕击率的计算，解释了山区线路绕击率过高的 原因，为雷击事故的分析与预防提供理论基础。 关键词：绕击跳闸率电气几何模型击距输电线路绕击感应电荷 i i i nr e c e n ty e a r s ，l i g h t n i n gs t r o k ei so n eo ft h ep r i m a r yc a u s e so ft h e a c c i d e n t st h a to c c u ro nt r a n s m i s s i o nl i n e s w i t ht h ei n c r e a s eo fv o l t a g e g r a d eo ft r a n s m i s s i o nl i n e ，t h en u m b e ro fp o w e ro u t a g e sb e c a u s eo f l i g h t n i n gs t r o k ea l s oi n c r e a s e s t h e r e f o r e ，f o rm a k i n gs u r ep o w e rs y s t e m c a ns a f e l ya n ds t a b l yo p e r a t e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt ob ee x a c t l ye v a l u a t i n g l i g h t n i n g w i t h s t a n d i n gl e v e lo ft r a n s m i s s i o nl i n e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eh a r ma n dt h ep r o c e s so ft h u n d e r b o l t ，s e t u pl i g h t n i n gs i m u l a t i o nm o d e la n ds i m u l a t i v ec h a r g e a tp r e s e n t ，t h e m a i nm e t h o d st oc a l c u l a t et h es h i e l d i n gf a i l u r er a t ef o rt r a n s m i s s i o nl i n e i n c l u d et h es t a n d a r dm e t h o d ，e l e c t r i cg e o m e t r ym o d e l ( e g m ) a n dl e a d e r p r o g r e s s i o nm o d e l ( l p m ) b u tt h e s em e t h o d sa l lh a v el o c a l i z a t i o n ，d on o t t a k ei n t oa c c o u n tt h ei m p a c to fi n d u c t i v ec h a r g et ot h ed e v e l o p m e n t d o w n w a r dl i g h t n i n gl e a d e r , a n dc a nn o te x p l a i nw h ys h i e l d i n gf a i l u r e f l a s h o v e rr a t eo ft r a n s m i s s i o nl i n ei nm o u n t a i n o u sa r e ai se x t o r t i o n a t e i np r a c t i c e ，i nt h ep r o c e s so fd o w n w a r dl i g h t n i n gl e a d e r ，g r o u n d w i r ea n de l e c t r i ct r a n s m i s s i o nl i n ew i l lg e n e r a t eo p p o s i t ec h a r g e ，t h o s e c h a r g e sc o u l da t t r a c tl i g h t n i n gl e a d e ra n da l t e ri t sd i r e c t i o n o nt h eb a s i s o f e l e c t r o m a g n e t i c s ，t h em a g n i t u d eo fi n d u c t i v ec h a r g e i sd i r e c t p r o p o r t i o nt ot h es e c t i o n a lr a d i u so fl i n e a ro b j e c t ，t h es e c t i o n a lr a d i u so f i i i e l e c t r i ct r a n s m i s s i o nl i n ei s g r e a t e rt h a ng r o u n dw i r e s ，e s p e c i a l l yf o r h i g hv o l t a g el e v e rl i n e t h a th a v ed i v i s i v eb u s b a r ，t h eg a pi sm o r e d i s t i n c t l y ，s od o w n w a r dl i g h t n i n gl e a d e ri se a s i l yh i te l e c t r i ct r a n s m i s s i o n l i n e ，e v e n t u a l l ye n l a r g i n gs h i e l d i n gf a i l u r e r a t e t h i st h e s i sb a s e so nc l a s s i c a le l e c t r i c g e o m e t r i c a lm o d e l ( e g m ) ， t a k e sa c c o u n to ft h ee f f e c tb e t w e e nd o w n w a r dl i g h t n i n gl e a d e ra n d g r o u n dw i r e 、t r a n s m i s s i o nl i n e 、e a r t h ，p u t sf o r w a r dv e c t o rs t r i k i n g d i s t a n c ea n ds e t s u p v e c t o re l e c t r i c g e o m e t r i c a lm o d e l ( v e g m ) s i m u l a t i o nr e s u l t sr e f l e c t st h a tt h em o d e lc a nc a l c u l a t ep r e f e r a b l yg r o u n d w i r es h i e l d i n gf a i l u r er a t e ，e x p l a i nt h er e a s o nt h a t s h i e l d i n gf a i l u r e f l a s h o v e rr a t eo ft r a n s m i s s i o nl i n ei nm o u n t a i n o u sa r e ai se x t o r t i o n a t e ， a n dp r o v i d e dt h e o r yb a s e sf o rt h ea n a l y s i sa n dp r e v e n t i o no fl i g h t n i n g a c c i d e n t k e y w o r d s ：s h i e l d i n gf a i l u r ef l a s h o v e rr a t e ；e l e c t r i cg e o m e t r i c a l m o d e l ( e g m ) ；s t r i k i n gd i s t a n c e ；t r a n s m i s s i o nl i n e ；s h i e l d i n gf a i l u r e ； i n d u c t i v ec h a r g e i v 目录 第l 章绪论l 1 1 研究的目的及意义l 1 2 雷电绕击计算方法。2 1 2 1 规程法2 1 2 2 电气几何模型3 1 2 3 先导发展模型( l p m ) 5 1 2 4 输电线路绕击概率模型8 1 2 5 仿真法9 1 3 尚待研究和解决的问题。l o 1 4 论文的主要工作一l l 第2 章输电线路雷击仿真模型一1 3 2 1 雷电的危害1 3 2 2 雷电放电过程1 4 2 3 雷击仿真模型1 5 2 3 1 下行先导通道模型1 5 2 3 2 模拟电荷的设置一1 6 第3 章基于电气几何模型的绕击跳闸率的计算1 8 3 1 概述l8 3 2 经典电气几何模型18 3 2 1 经典电气几何模型的基本思想1 8 3 2 2 击距公式的选择2 0 3 2 3 雷电流的上下限选取2 l 3 2 4a 、b 两点坐标的计算一2 2 3 3 绕击跳闸率的计算2 3 3 3 1 暴露投影计算2 4 3 3 2 暴露距离计算绕击率2 6 3 3 3 暴露弧比值计算2 7 3 3 4 等值受雷宽度的计算2 7 3 4 影响线路绕击跳闸率的因素2 8 3 4 1 保护角的影响2 9 3 4 2 地面倾角的影响一2 9 3 4 3 杆塔高度对绕击跳闸率的影响3 0 3 4 4 温度对绕击跳闸率的影响3 0 3 5 本章小结3 0 第4 章考虑电场力作用下的向量电气几何模型3 2 4 1 雷击物理过程3 2 4 2 向量电气几何模型。3 3 4 2 1 雷击仿真模型的建立一3 3 3 2 2 感应电荷的计算3 4 3 2 3 电场力的计算。3 5 4 2 4 模型的建立3 6 4 3 基于向量电气几何模型下的绕击跳闸率计算3 8 4 3 1 绕击跳闸率计算公式的选择一3 8 4 3 2 雷电流幅值概率函数3 9 4 3 2 基于向晕电气几何模型下的绕击跳闸率计算4 0 4 4 仿真分析与实验验证4 2 4 5 基于向量电气几何模型下的山区输电线路的绕击跳闸率分析4 玉 4 4 本章小结4 4 第5 章结论与展望。4 6 5 1 结论4 6 5 2 有待进一步开展的工作4 6 参考文献4 8 致谢! ；( ) 攻读学位期间发表论文5l v i 广西大掌硕士掌位论文考虑静电场力作用下的电气几何模型 1 1 研究的目的及意义 第1 章绪论 电力系统作为国民经济的重要行业之一，提供给现代农业、现代工业、现代 科学技术和现代国防不可或缺的能源，又同广大人民群众的日常生活紧密相关， 为整个国民经济又快、又稳发展奠定了坚实的基础，因此，电力系统的稳定是国 民经济高速发展的关键。输电线路作为电力系统“发，输，变三大主要组成部 分之一，是整个电力输送的重要媒介，高压电通过输电线路分散至全国各地，因 此为了确保整个电力系统的稳定性和所有用电客户的供电可靠性，输电线路必须 具备高质量的运行。可见，输电线路在整个系统中拥有至关重要的地位。架空输 电线路地处旷野，纵横交错，绵延数千里，而自然界天气千变万化，雷电现象频 频出现，使得输电线路很容易遭受雷击，导致线路故障跳闸，国民经济和人民生 活因此而受到严重的损失【】。因此，输电线路的防雷屏蔽技术成为了电力研究 人员研究的关键问题。 有雷击引发的事故大约占电力系统输配电事故和障碍的一半。随着输电线路 电压等级不断增高，以及跨省、跨地区输电线路不断增加，雷击跳闸己经成为输 电线路，尤其是山区输电线路跳闸的最主要原因。从各国的统计数据睁7 】来看， 雷击事故占电力系统事故的5 0 以上。瑞典1 9 8 6 年因雷击导致的线路故障占全 部事故的5 l ；在日本，雷击线路导致的故障占5 0 以上；国际大电网会议公 布的美国、前苏联等1 2 个国家，雷击事故占总事故的6 0 。对于电压等级高的 输电线路，其输送容量虽然有所增加，但其杆塔高度增高，线路走廊的尺寸也增 大，因此，其引雷能力也随之增强，导致其更容易被雷击中，事故率增加，因此， 高压输电线路的防雷保护措施更为严格。 俄罗斯通过对1 9 8 5 1 9 9 4 年积累的跳闸故障资料雕9 1 进行分析指出：绕击是 导致线路跳闸的主要原因，而不是反击。美国爱迪生电气研究所对美国 1 4 0 0 0 0 k m 年的绕击事故的统计表明，1 0 1 次闪络数据中5 1 次为绕击，5 0 次为反 击，当杆塔高、保护角大时，绕击闪络率占绝大部分；当杆塔低、绝缘水平低、 冲击接地电阻高时，反击闪络出现的几率大。日本为了减少因绕击带来的闪络事 故，引入负保护角，例如，在其伊势干线上，上层导线的保护角为一6 。，中层为 , i j - t 电静电场力作用下的电气几何模型 1 5 。，下层为0 。在我国，2 2 0 k v 及以上线路的绕击跳闸事故也越来越多， 华东地区的平原地段2 2 0 k v 及以上线路即使在满足有效屏蔽条件下，也会发生 绕击。我国目前正在起步建设特高压线路，其绕击屏蔽效果对其是否能够稳定运 行将会是个严峻的考虑。因此，为确保系统稳定安全可靠的运行，绕击耐雷水平 和绕击跳闸率的准确计算和评估就显得极为重要。 1 2 雷电绕击计算方法 输电线路防雷保护的发展总体上历经了以下四个时期： 第一时期( 1 9 3 0 年以前) 以防止感应雷为主。起初，线路电压等级很低，线路 防雷的主要矛盾在于感应雷引起的雷害事故。面对此事故，大体解决方法是在输 电线路的相线下加装避雷线，作为藕合分流用，这样可以减少导线上感应过电压。 第二时期( 1 9 3 0 1 9 5 0 年) 以防止直击雷为主，系统的归纳设计了雷电参数。 这一时期逐渐确定了直击雷是ll o - 2 2 0 k v 高压线路的主要矛盾，并提出了计算 直击雷防护的方法。此间，各国通过大量的雷电观察，提出了行波理论，用来计 算绝缘子串两端的电压。 第三时期( 1 9 5 0 年1 9 6 2 年左右) ，在此期间，由于美国o v e c m 3 4 5 k v 线路 闪络率异常高，从而引发争论，并重新估价了之前的防雷计算方法和数据。这次 争论推动了线路防雷研究的快速进展，使理论分析、现场测试、模拟试验和运行 经验的积累等方面都有了很大的提高。 第四时期( 1 9 6 2 年前后至今) ，各国学者应用现场实测、模拟试验、计算机计 算和概率统计方法综合使用的方法对输电线路的绕击性能进行了一系列研究工 作，并得到了很多研究成果。到目前为止，计算线路绕击率和绕击跳闸率的方法 主要有规程法、先导发展模型、电气几何模型法、绕击概率模型以及仿真法等。 1 2 1 规程法 目前，国内线路防雷以中华人民共和国电力行业标准交流电气装置的过电 压和绝缘配合d l t 6 2 0 1 9 9 7 ( 以下简称行标) 为设计准则1 0 , 1 1 , 1 2 】。根据模 拟实验与运行经验指出， 行标指出绕击率只与杆塔高度、保护角以及沿线 2 式中只绕击率，a 保护角( 度) ，办杆塔高度( m ) 。 通过( 1 1 ) 式和( 1 2 ) 式可得出，平原线路的绕击率约为山区线路的三分 之一，或等同于保护角减少8 倍。 设线路绕击跳闸率n ，可通过下式表述： 刀= n p a p 2 叩 ( 1 - 3 ) 式中，每l o o k m 线路每年( 4 0 个雷电日) 遭受雷击的次数( 1 l o o k m a ) ； 仍雷电流幅值超过绕击耐雷水平的概率； 麓。：二 7 7 建弧率。 规程法的优点在于能够简单方便的应用于工程上，且经过了实践验证，简单 线路的防雷设计都能够得以满足。但其缺点也很明显：该算法主要来自于杆塔较 低、电压等级不高、保护角较大线路的运行经验，以及小电流下的模型试验结果， 当将其直接用于杆塔和电压等级都较高、保护角较小的线路时，可能与实际情况 触9 存在较大的区别，不能反映具体线路的特点，也不能解释线路屏蔽失效的原因。 1 2 2 电气几何模型 电气几何模型e l e c t r i cg e o m e t r i c a lm o d e l ( e g m ) 法又称击距法，该方法以雷电 机理为基础，并将雷电放电特性与线路结构尺寸联系起来，与实际运行经验比较 符合，早已得到大多数国家的认可和应用【l3 1 。其核心是w h i t e h e a db r o w n 的绕击 模型，如图1 1 所示【1 4 , 1 5 1 。 e g m 的基本原理建立在如下假设基础之上： ( 1 )雷云对地发展的下行先导在未达到被击物体的临界击穿距离( 击距) 时，是无法确定其击中点的，先到达哪个物体的击距之内，就向哪个物体放电。 ( 2 )依据理论研究和实验，击距与雷电流幅值两者之间的关系可用下式 3 广西大掌硕士掌位论文考虑静电场力作用下的电气几何模型 体现： =k，(1-4) 式中k 、p 是两个常数。k 、p 因不同的研究人员而不刚1 6 ，1 7 1 。 ( 3 ) 忽略雷击目标物邻近效应和形状等因素对击距的影响，认为先导对导 线、避雷线、杆塔的击距相等。 图1 - 1 电气几何模型 f i g 1 - 1e l e c t r i cg e o m e t r i c a lm o d e l 根据以上假设，求出雷电流幅值的对应击距，根据导线和避雷线的对地高 度及相对距离作图，见图l l ，以避雷线b 和导线d 为圆心，击距为半径，分 别作两个圆弧，交于岛点；再在离地面高度为，处作水平线，与以d 为圆心的弧 交于c f 点，由圆弧4 岛、岛q 和直线c 掳在沿线路方向形成一个曲面，称为定位 曲面。当雷电流为的先导未到定位曲面前，其发展方向不受地面物体的影响。 若的先导落在4 f 岛弧面上，则雷击避雷线；若落在岛g 弧面上，则雷绕击在导 线上；若落在c ：f q 平面上，则雷击大地。其中岛c f 弧称绕击暴露面。不同的雷电 流幅值有不同的，可作一系列的定位面和绕击暴露弧。图中定位曲面中岛点的 轨迹是导线与避雷线连线的垂直平分线，g 点的轨迹曲线c l q 腰是抛物线。随， 4 考虑静电场力 f i r 用- f 的电气几何模型 的增大，增大，岛q 弧段缩小为零，此时不在发生绕击，反之，雷电流越小、 绕击的可能性就越大。 1 2 3 先导发展模型( l p m ) 砌水通过观察棒板间隙在负极性条件下的放电过程发现，击穿的过程 主要包括上棒的下行先导的起始和发展、接地棒的上行先导起始和发展，上下行 先导间的相对运动以及最后跃变过程。雷闪放电过程与火花放电过程近似，l p m 正是建立在此基础上的一种分析模型【1 8 】。该模型用线电荷等效雷电下行先导， 下行先导发展过程中，使得地面物体产生感应电压( 或电场) ，当地面物体上的表 面场强达到上行先导起始场强后，产生上行先导并发展，最终导致击穿而发生雷 击。所以，l p m 有如下物理假设条件： ( 1 ) 在上下行先导间的场强未达到最后跃变时，下行先导一直垂直于地面向下发 展。在到达最后跃变的条件后，下行先导朝着上行先导方向发展并最终相遇。 ( 2 ) 上行先导的发展始终指向下行先导的头部。 ( 3 ) 上下行先导的速度比k 矿在1 到4 之间变化，当上下行先导间的平均场强 达到5 0 0 k w m 以上时，发生最后跃变。一般情况下咋y p 取1 。 ：和， ( 4 ) 当上行先导与下行先导到达同一高度，两者之间的场强还未达到最后跃变的 条件时，雷电则击中地面。 根据上述假设，下行先导和上行先导发展过程可用图1 2 表示： 图1 - 2 雷击仿真模型示意图 5 广西大掌硕士学位论文考虑静电场力 r g 用- f 的电气几何模型 f i g 1 _ 2s k e t c hm a p o fl i g h t n i n gs i m u l a t i o nm o d e l 图1 2 中：1 下行负先导轨迹；2 上行正先导轨迹； e 产生上行先导时下行先导所在的位置；羁对地距离； 最后跃变时下行先导所在的位置；以只对地距离； 心地面物体吸引半径；t 最后跃变时闪击击距； d ，最后跃变时上下行先导间的水平间距； r i z k 认为大多数输电线路绕击不是发生在杆塔处，而是在档距中间上，因 此可以等效用水平导体结构来对输电线路的绕击进行分析，如图1 3 所示。 图l 3 输电线路屏蔽失效翠计算图解 f i g 1 - 3t h ec a l c u l a t i v ei l l u s t r a t i o nw h e nt h et r a n s m i s s i o nl i n es h i e l d i n gf a i l u r e 图中，s 为避雷线；c 为导线； 6 屏蔽角( 。) ；屏蔽失效宽度( m ) 。k 避雷线对地高度； 吃导线对地高度；d 口钡4 面吸引距离( m ) ； r i z k 通过多次数据统计得出线状物体的在一定条件下满足以下公式： 见( ，h ) = 1 5 7 i n 6 5 h 0 。4 5( 1 - 5 ) 式中，雷电流幅值；五线状物体的平均高度。 同时，础z l ( 也提出了线状物体的上行先导起始条件为： 6 广西大掌硕士掌位论文考虑静n b , 场力作用下的电气几何模型 2 i 匦2 2 4 7 ( 1 6 ) h l n ( 2 h a ) 式中，下行先导在导线处的感应电压( k v ) ； j i i 导线对地高度( m ) ；口导线半径( m ) 。 线路绕击屏蔽失效率可表示为： 矿= 2 n gx 1 0 。3 f 一【d 口( ，h d ) + x - - 见( j ，玩) 扩( j ) 棚( 1 - 7 ) 式中，m ，线路屏蔽失效且闪络次数( 次公里年) ； 也地闪密度( 次平方公里年) ； 厂( ，) 雷电流幅值概率密度( 1 1 a ) ； ，。；。引发线路绕击闪络的最小雷电流( k a ) ； i m , , x 引发线路绕击闪络的最大雷电流( 1 a ) ； x 避雷线、导线的水平距离( m ) 。 当6 小于某一临界值6 时，避雷线能够保护导线，雷电即使绕击到导线上也 不会发生闪络，此时的屏蔽角称为临界屏蔽角。如图1 - 3 所示，使雷电流幅值 i = i m m ，此时= o ( 亦即绕击闪络区消失) ，因此，临界屏蔽角可通过以下方 程组求得： d 。( ，。n ，玩) = 见( ，r a i nh d ) + x ( 1 - 8 ) 8 e = t a n - l ( 去) ( 1 - 9 ) r i z k 的先导发展模型系统的分析了上下行先导的发展过程，并初步定量描 述了该过程。但该模型要想得到确证，还得有线路运行结果的支持。同时，该模 型没有考虑到雷电下行先导到达低于线路高度时引起的雷击现象，没有考虑到雷 云背景噪声这一因素，因此，高杆塔线路或山区线路的绕击性能不适宜采用该模 型进行估算。 7 考虑静电场力作用下的电气几何模型 1 2 4 输电线路绕击概率模型 近几年，华中科技大学王晓瑜教授等把雷电绕击的分散性加入到输电线路绕 击模拟实验研究当中，得出了输电线路的雷电绕击概率模型1 2 】【1 9 1 2 0 l 。模拟实验 以z m l - - 3 9 型杆塔为模型，比例尺为1 4 3 ：1 和2 0 ：1 ，在足够大的接地面板上放置模 型物进行实验。模拟实验的依据是：雷击过程的最后阶段采用棒一板间隙结构模 拟是合理的，最后跃变的下行先导可采用长棒上电极来模拟，当放电间隙较小时， 实验会夸大棒形物的引雷能力，而当间隙大于l 米时，棒形物的引雷能力跟运行 观测所得到的击距系数近似。 从实验结果可知，定位于输电线路旁同一位置的雷电下行先导，将随机击中 导线、避雷线和大地。该模型将避雷线、导线与大地置于一整体中，并统一做电 场计算，得出的绕击概率实验结果( 平原地段) 如图1 - 4 。由图可知，下行先导 在空间的定位点能够影响绕击概率，两者之间的关系可采用绕击概率空间分布曲 线来描述，每条绕击概率空间分布曲线可分为两部分。当上电极置于曲线的上部 分时，雷击向地线或导线，而当上电极置于曲线的下部分时，雷击向导线或大地。 对这两部分曲线分别采用回归分析，可得： 墨= 0 9 3 + 0 1 6 p + 0 0 0 1 x ( 1 1 0 ) 如= 1 2 5 0 5 p ( 1 一1 1 ) 式中，墨曲线上部分定位点到避雷线跟导线的几何击距之比； k 曲线下部分定位点到避雷线跟大地的几何击距之比； p 导线的绕击概率； x 定位点到线路的侧面距离( m ) 。 8 r 。4 t 图l - 4z m l - - 3 9 型线路的绕击概率空i 司分布曲线 f i g 1 - 4t h e d i s t r i b u t i v ec u r v eo f s h i e l d i n gf a i l u r er a t ef o rz m i 3 9l i n e 注：图1 4 中，五条曲线的绕击概率范围为1 0 9 0 ；并以2 0 依次递减。 该模型的优点在于：能够得出任意输电线路的绕击概率分布情况，并采用 e g m 、l p m 来合理的分析现场事故原因。其缺点在于：该模型以实验室模拟试 验为基础，不但增加了计算的工作量与难度，并且雷击在小模型实验条件下的是 否与自然条件下雷击导线相同，地面引雷能力是否被夸大等尚未确证，因此该模 型要想得到实际应用有待进一步研究。 1 2 5 仿真法 随着计算机技术的发展，雷击过程可采用仿真程序和仿真软件来模拟分析， 从而得出线路的绕击率。 雷击仿真流程图如图1 5 所示。输入杆塔的线路结构、几何尺寸、雷云距地 面高度、雷电幅值及线路侧向距离等参数，确定下行先导的发展方向，计算先导 头部电压，得出避雷线、导线的表面场强，再依据长间隙放电的击穿条件，判别 先导是否发展到主放电。在此期间，若地面物体产生上行先导，则考虑上行先导 对下行先导发展方向的影响。上、下行先导分别朝着其最大的场强方向发展，当 上下先导间的场强达到击穿条件时即发生雷击，哪个上行先导最先与下行先导相 遇，则雷击中哪个形成此上行先导的物体。计算中步长选择随计算精度要求不同 而不同。仿真法比较系统的描述了雷电过程，仿真结果也比较准确，但其计算复 杂，不具有代表性。 9 考虑静电场力作用下的电气几何模互芝 图1 5 雷击仿真模型图 f i g 1 5t h ep r o g 豫mc h i no f n l em o d e ls i i i m l a t i i l gl i g l l m i n g 1 3 尚待研究和解决的问题 上节提到的规程法、电气几何模型、先导发展模型、绕击概率模型和仿真法 中，根据规程法进行线路绕击率计算，经过了实践的验证，能够简单方便得应用 于工程上，并能够符合一般线路的防雷屏蔽设计要求，但也存在很明显的缺点。 规程法中的计算方法是根据多年的运行经验和小电流下的模型实验结果而得出 的，因而带有综合的平均性质，往往不能反映实际线路的特征，屏蔽失效的现象 无法用其来解释。例如杆塔较高的超高压线路有可能遭受来自侧面的雷击，为此 常常要求减小保护角至很小甚至负角等。 l o 广西大学硕士学位论文j g - a 虐：静电场力作用下的电气几何模型 e g m 作为一种绕击计算方法，把雷电放电特性跟线路结构尺寸联系起来， 比以往的经验方法迈进了一大步，广泛的应用于大多数国家，显示了强大的生命 力。但是目前的电气几何模型也有一些缺陷：它未考虑放电的分散性，未考虑其 它因素对击距的影响。虽然e r i k s s o n 指出击距不但跟雷电流幅值有关，还同地面 物体高度有关，但其具体函数关系是否吻合还未得到确切验证，还有待进一步的 研究。经典的电气几何模型假定先导对避雷线、导线、地面的击距相等，击距的 大小反映了先导跟地面物体击穿强度的大小。由于杆塔屹立于地面，认为先导跟 导线的击穿强度与先导跟地面的击穿强度相等，显然是不合理的，很多研究人员 引入击距系数来描述先导跟避雷线、导线和地面的击穿强度的差别，但是当前， 对于击距系数的表达依然没有一致意见。 r i z k 的先导发展模型系统的分析了上下行先导的发展过程，并初步定量描 述了该过程，这是输电线路雷电绕击研究方面的一个很大的进步。但该模型要想 得到确证，还得有线路运行结果的支持。同时，该模型没有考虑到雷电下行先导 到达低于线路高度时引起的雷击现象，没有考虑到雷云背景噪声这一因素，因此， 高杆塔线路或山区线路的绕击性能不适宜采用该模型进行估算。尽管如此，e g m 仍然具有很高的研究价值，本文也将对e g m 进行进一步的研究。 王晓瑜的输电线路绕击概率模型是以实验室模拟实验为基础，该模型可以计 算任意结构参数的输电线路旁定位空间的绕击概率分布情况。但正是由于其以实 验室模拟实验为基础，要想使该模型得到实际应用还有待进一步研究。 1 4 论文的主要工作 本文在研究过程中，采用理论分析、模型建立和模拟实验三者相结合的方法 进行研究讨论。以电气几何模型的基本原理为基础，并同时考虑电场力的影响， 引入向量击距这一概念，提出向量电气几何模型，计算该模型下线路的绕击率， 与经典电气几何模型得出的绕击率相比较，并通过模拟实验来验证，得出向量电 气几何模型得出的绕击率更加接近于实验结果。 本论文各章节内容安排如下： 1 第一章介绍了本文的研究背景和目前输电线路绕击耐雷性能评价的主要 理论和方法，提出了尚待研究和解决的问题和本论文的主要内容。 广西大掌硕士掌位论文考虑静电场力作用下的电气几何模型 2 第二章介绍了下雷电的危害，其放电过程，并建立了雷击仿真模型。 3 第三章介绍电气几何模型的基本原理，对现有的绕击跳闸率的计算方法 进行分类比较，先简单描述了下各因素对绕击跳闸率的影响。 4 第四章简述了雷击物理过程，通过电磁场知识，求出避雷线、导线和大 地上的感应电荷，以及三者对雷电先导的电场力，建立起向量电气几何模型模型， 并与经典几何模型相比较，通过模拟实验来验证本模型的合理性。同时，也对山 区输电线路进行了分析，解释了为什么地处斜坡上的输电线路的绕击跳闸率过高 的原因。 5 第五章对全文的主要内容进行归纳总结，并引导今后的进一步研究工作。 1 2 广西大学硕士掌位论文考虑静电场力作用下的电气几何模型 第2 章输电线路雷击仿真模型 2 1 雷电的危害 雷电是一种常见自然现象，因其对人类社会的生活和生产有着巨大影响而倍 受人们的关注，雷电提供了生命形成所必需的有机化合物的合成条件，对生命起 源有着深远影响。我国雷电的分布特点是：陆地多于海洋，夏季多于春秋季，南 方多于北方，山区多于平原。雷电电压高至数百万伏，瞬间电流可高至数十万安 培。一次雷电的放电时间尽管只有0 0 1 秒左右，但能释放出巨大的能量。雷电 流很大，电压很高，因此，人或动物一旦被雷击中，将使其大脑和心脏发生麻痹 而导致伤亡。同时，雷电流会释放出大量的热量，一旦遇到易燃物品，就有可以 能引发火灾。雷电还会导致明显的机械性破坏，如果直接击中各种砖的烟囱、房 屋、高塔、树木、钟楼及其它建筑物，常常会导致其劈裂甚至倒塌，此情况每年 在全国各地都有发生，造成严重的损失。 雷电主要有以下几种危害： l 、雷电高压效应会产生高至几万伏乃至几十万伏的冲击电压，电气设备绝 缘在如此巨大的电压瞬间冲击下，会被击穿而使设备短路，从而引发设备燃烧甚 至爆炸等严重事故。 2 、雷电高热效应会产生数十至上千安的强大电流，并释放大量热量，使得 雷击点的温度急剧升高，金属被熔化而导致火灾和爆炸。 3 、雷电机械效应使得被雷击物体撕裂、扭曲、崩溃、爆炸，引起人员伤亡 及经济损失。 4 、雷电静电感应效应使被击物导体感应出大量与雷电性质相反的电荷，当 雷电消失后，感应电荷来不及疏散，被击物电位升高而放电，最终导致火灾。 5 、雷电电磁感应效应使得雷击点附近产生强大的交变电磁场，其感应出的 电流使得变电器局部过热而引发火灾。 6 、雷电波的侵入以及防雷设备上的高电压对建筑物的反击作用也会导致配 电设备或电气线路短路而燃烧引发火灾。 7 、雷电流能损坏电网的各个部件，有可能使断路器、电力变压器、发电机 等电气设备绝缘损坏，线路上的绝缘子也会因雷击而导致碎裂或闪络、木质电杆 广西大掌硕士掌位论文考虑静电：场r 力作用下的电气几何模型 被雷劈裂和烧断导线等事故。 2 2 雷电放电过程 雷电科学研究人员和雷电防护工作人员长期以来对雷电放电过程进行不断 研究，它的研究不但是研究雷电现象的关键，而且是做好雷电防护的基础。电网 因为尺度大、分布广，极易遭受雷击，造成非常严重的损失，因此，雷电放电过 程的研究显得更加紧迫和重要，它可为准确仿真模拟雷电先导发展过程，提高输 电线路雷电屏蔽技术提供重要资料。 雷电是一种极其猛烈且短暂的放电现象，产生于强对流天气条件下而形成的 雷云间或雷云跟大地之间。雷电具有电压高、电流大、短暂性和放电距离长的特 征。其炽热的高温、强大的冲击电流、强烈的电磁辐射、猛烈的冲击波对放电通 道上的输电线、建筑物、室外设备造成严重破坏，甚至造成人畜伤亡。通常雷击 主要有三种形式：直击雷、感应雷、球形雷。 雷云即积累了大量电荷的云层。到目前为止，一般认为雷云形成的原理是： 大气中如果包含饱和水蒸气，其中的水珠因强烈的上升气流而带电，气流带动这 些带电水珠，逐渐集中在云层的某些部位，而形成带电雷云。观察数据表明，通 常情况下，雷云的上部带正电荷，下部带负电荷，而中部是正负电荷的混合区间。 雷云平均场强为1 5 k v c m ，实测到在雷云雷击前的最大场强高达3 4k w c m ，而 在稳定下雨时，大概只有4 0w c m 。 雷云对大地的放电由若干次重复的放电过程组成，而每次放电又可分为两个 阶段：先导放电阶段和主放电阶段。雷云存在电荷后，其电荷主要集聚在若干带 电中心，这些中间所带的电荷数也不完全相等。如果某一中心的电荷较多，且在 它周围的电场强度足够大到能破坏空气绝缘( 约2 5 3 0 k w c m ) 时，空气便开始电 离，形成一个导电性的通道。该导电性通道的形成过程，就是先导放电阶段。先 导放电不是连续的，雷云对地放电的第一先导是分级发展的，每一级先导发展的 速度相当快，但每发展到一定长度( 平均约5 0 m ) 就有一个间隔。因此，它的平均 速度较慢，约为光速的1 1 0 0 0 左右。分级先导的原因一般解释为：由于先导通 道内游离还不是很强烈，它的导电性就不是很好，由于雷云下移的电荷需要一段 时间，待通道头部的电荷增多，电场超过空气游离场强时，先导将又继续发展。 1 4 广西大掌硕士学位论文考虑静电场力作用下的电气几何模型 在先导通道形成的起始阶段，由于受到一些偶然因素的影响，发展方向并不 确定。等其发展到离地面一定高度时，地面的建筑物感应出电荷，局部电场得以 加强，先导通道的方向将沿其头部到感应电荷集中点之间发展，先导通道的发展 具有选择性，或者说雷击有定向性，上述使先导通道具有选择性的高度，即称为 定向高度。 当先导通道的头部接近带异号电荷的集中点时，先导通道端约为雷云对地的 电位( 可高达1 0 m v ) ，而另一端为地电位，因此，剩下的空气间隙场强很高，使 空气间隙快速游离。游离后形成的正电荷向上运动、负电荷则向下运动，使得先 导通道与被击物的电荷被中和，放电的第二阶段即主放电阶段这时便开始了。主 放电阶段的移动速度快，约为光速的1 2 0 1 2 ，放电时间非常短，大概为5 0 1 0 0 us ；主放电阶段的雷电流可达几k a ，最高可达2 0 0 , - - 3 0 0 k a 。当主放电到达云端 时，标志着主放电阶段结束。接着，雷云将进入余辉放电阶段，此时雷云中剩余 的电荷，将继续沿主放电通道向下运动。余辉放电电流相比主放电电流不大，仅 数百安，但其持续的时间可达0 0 3 , 4 ) 1 5 s 。因为雷云中可能含有数个电荷中心， 所以雷云放电