雷擊特高壓輸電線路先導連接過程數(shù)值模擬研究.pdf

1、近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力需求日益增加，越來越多的特高壓輸電工程進入到我國電力建設當中。雷擊輸電線路造成的故障是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素，我國的特高壓輸電線路在設計論證過程中，雷電屏蔽性能的評估是討論的熱點問題之一。特高壓輸電線路桿塔結構尺寸大、工作電壓高，上行先導對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，但它們對特高壓線路雷電屏蔽性能預測結果的可信度難以保證，如何科學的描述雷擊輸電線路先導連接物理過程

2、以提高雷電屏蔽性能評估的有效性是有待解決的研究難點。本文重點研究了雷擊輸電線路的物理機制，綜合應用理論分析、實驗研究和仿真建模等手段，通過探索與創(chuàng)新研究改進了雷擊過程中涉及的一些關鍵參數(shù)判據(jù)和建模方法，進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和更有效的分析方法。
　　本文采取先導通道線電荷與頭部點電荷相結合的模式表示雷電下行先導通道內的電荷分布情況，引入放電分支系數(shù)描述負極性雷電下行

3、先導發(fā)展過程中的分叉現(xiàn)象，建立了下行先導通道電荷量與閃電形狀的數(shù)學分析模型，通過雷電放電觀測結果獲取下行先導通道兒何特征，進而提出了納入雷電分支影響的下行先導通道電荷分布模型;基于雷電放電光學觀測結果提出了負極性下行先導發(fā)展模式，利用氣體放電分形理論模擬下行先導的隨機發(fā)展路徑，給出了雷電先導放電擊穿場強閾值與先導所處海拔高度的關系式，建立了負極性雷電下行先導隨機發(fā)展模型;采用本文下行先導隨機發(fā)展模型仿真模擬了雷電放電發(fā)展過程，計算了先導

4、放電路徑的分形維數(shù)以及下行先導發(fā)展過程中的地面電場變化，計算結果與自然負極性地閃的觀測結果較為一致，證明了本文雷電下行先導通道模型的有效性，并進一步探討了雷電下行先導對地擊距。
　　通過開展實驗室典型棒-線、棒-棒間隙的放電試驗研究，探討了長間隙放電過程中的空間電荷效應，證實了空間電荷對電極周圍電場的畸變作用;基于正極性先導放電理論，參考國內外雷電觀測與長間隙放電的已有研究成果，將由空間電荷引起的導線附近電位畸變與上行先導放電發(fā)展

5、過程聯(lián)系起來，建立了雷電下行先導作用下導線表面正極性上行先導起始物理過程的數(shù)值仿真模型，采用模擬電荷法計算分析了雷電先導下行過程中線路周圍空間電場的分布特征，結果表明:穩(wěn)定上行先導起始時刻導線附近平均電場強度達到流注場強的區(qū)域長度幾乎不受雷電參數(shù)和導線參數(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起始新判據(jù)-平均背景電場判據(jù)，并進一步討論了先導放電過程中關鍵物理參數(shù)對平均背景電場判據(jù)的影響;利用實驗室條件下長間隙放電的觀

6、測結果驗證了該判據(jù)的合理性，將本文先導起始判據(jù)與以往的判據(jù)進行對比分析，指出現(xiàn)有的輸電線路上行先導起始判據(jù)可能會夸大上行先導對雷電下行先導的吸引作用。
　　通過分析正極性上行先導放電發(fā)展過程中空間電場的時空分布特性，結合人工引雷實驗觀測數(shù)據(jù)，推導出了描述先導變速運動的上行先導發(fā)展速度計算公式，利用自然雷電作用下高塔上行先導發(fā)展過程的觀測結果驗證了該速度公式的有效性，并討論了不同雷電參數(shù)下的上行先導發(fā)展速度變化情況;納入上行先導攜帶

7、電荷對空間電場的影響，建立了上行多先導發(fā)展的動態(tài)仿真模型，分析了上行多先導之間相互作用對先導起始及發(fā)展的影響，指出上行多先導間相互作用會延緩雷擊先導的連接過程;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間相互作用、導線工作電壓、桿塔保護角對輸電線路雷擊過程中上行先導起始與發(fā)展特性的影響，從先導起始時刻、發(fā)展速度、運動軌跡等方面揭示了輸電線路上行先導競爭機制。
　　結合本文對負極性雷電下行先導通道模型、正極性上行先導

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連接過程的物理仿真模型;基于該模型對典型超/特高壓輸電線路的雷電屏蔽性能進行了仿真計算，計算結果與輸電線路遭受雷擊的實際運行經(jīng)驗相符，驗證了本文仿真模型對特高壓線路雷電屏蔽性能評估的有效性;采用本文雷擊物理模型評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計可能的改進措施。
　　本文研究工作涉及雷擊線路過程中的諸多普遍性問題，其相關理論成果與