架空线感应雷过电压的计算与分析

论文摘要

电力系统的输电及配电线路大部分裸露在空中,因而最易遭受雷击,并造成供电中断、供用电设备损坏等事故。长期以来对雷电的研究主要集中在直击雷上,对感应雷的研究相对较少。有研究表明,10kV架空配电线路由雷击引起的线路闪络或故障的主要因素不是直击雷过电压而是感应雷过电压。感应雷过电压导致的故障比例超过90%。因此本文对架空配电线路感应雷过电压的计算与分析进行研究具有十分重要的意义。首先,在雷电流建模方面,探讨了自然雷电的形成,对雷电回击电流的六种工程模型进行了计算和讨论,阐述了各种模型的特点,确定本文研究模型为MTLL工程模型,并给出了MTLL模型的基电流和雷电流波形及其表达式。其次,在雷电电磁场的理论计算方面,采用Quasi-Images算法和偶极子方法。运用这两种方法,详细讨论了垂直放电通道的麦克斯韦方程组的求解过程。通过建立雷电偶极子模型,得到了空间任意场点的水平电场Er、垂直电场Ez和切向磁场Bφ的微分表达式。对于地面场点则直接导出了Ez和Bφ的解析公式。在雷电电磁场的数值计算方面,通过偶极子法得到了整个空间的雷电电磁场强度。然后,确定电磁场-传输线耦合模型,推导出在外界电磁场激励下传输线方程。本文借助电路理论、计算数学、程序设计等知识推导出一种简单、快速、有效的时域数值解法。利用有限时域差分理论对偏微分方程组进行离散,得到一种全新的差分计算格式,并根据电压、电流在始端、终端上的约束关系,运用传输线集中参数的等效模型确定边界条件。最后,仿真计算得到响应波形,并对传输线在不同边界条件、传输线耦合等情况下的暂态过程进行MATLAB编程计算得到仿真波形。并将其仿真波形与EMTP-ATP软件仿真得到的波形进行对比,验证了此方法的可行性。并且分析了雷电回击速度、雷电流幅值和传输线高度对低压配电线路雷电感应过电压的影响。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 感应雷对架空配电线路的危害
• 1.1.3 课题的研究目标与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 雷电回击模型
• 1.2.2 雷电通道周围电磁场的计算
• 1.2.3 雷电通道周围电磁场与传输线的耦合模型
• 1.2.4 架空配电线路感应雷过电压的计算
• 1.3 本课题的研究任务与难点分析
• 1.3.1 本课题的研究任务
• 1.3.2 课题的难点
• 第二章 感应雷机理及其模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 雷电流的形成
• 2.3 雷电感应机理
• 2.4 雷电流的数学模型
• 2.4.1 雷电通道底部电流模型
• 2.4.2 雷电回击电流模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 雷电通道周围电磁场的计算方法
• 3.1 引言
• 3.2 Quasi-Images算法求解雷电波电磁场
• 3.3 用偶极子方法求解雷电波电磁场
• 3.4 偶极子方法数值计算结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 架空线感应雷过电压的计算与分析
• 4.1 引言
• 4.2 计算感应雷过电压的几点假设
• 4.3 电磁场-传输线耦合理论
• 4.3.1 电磁场-传输线耦合模型
• 4.3.2 外界电磁场激励下传输线方程的推导
• 4.4 用FDTD法求解传输线方程
• 4.4.1 时域有限差分法的应用
• 4.4.2 用FDTD法求解传输线方程
• 4.4.3 电压迭代方程的推导
• 4.4.4 电流迭代方程的推导
• 4.4.5 边界条件
• 4.4.6 计算稳定性要求
• 4.5 雷电感应过电压的算法有效性验证及算例
• 4.6 影响感应雷过电压相关因素的分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 文章发表或录用情况