雷击下输电线路上行先导稳定起始的初始流注区域空间电荷判据EI北大核心CSCD

雷电作用下准确判断线路上行先导的稳定起始时刻显著影响线路雷电屏蔽性能分析的准确性,而如何确定合理的判据是研究重点。该文依据导线正极性上行先导发展数值模型,通过计算不同条件下的导线上行先导发展过程,提出正极性上行先导的初始流注区域临界空间电荷判据。研究表明,导线出现稳定的上行先导时,初始流注区域的空间电荷量存在一临界值,该临界值仅受导线半径的影响,与导线高度、运行电压及雷电参数无关。与已有的上行先导起始判据相比,以此临界值作为稳定起始时刻判据可以更好地解释空间电荷对上行先导的屏蔽作用随导线半径增大而减弱的现象,并进一步探讨该判据与海拔高度的关系,可为输电线路雷电屏蔽性能的分析提供参考。     

一种计算输电线路上行连接先导速度的新方法

输电线路雷电屏蔽性能的科学评估对线路防雷设计和施工建设具有重要参考价值。由于输电线路上行连接先导的发展对雷击线路过程影响较大,上行连接先导成为分析线路雷电屏蔽性能的关键因素之一,合理地描述上行连接先导发展速度有利于提高输电线路雷电屏蔽性能评估的准确性。本文基于先导放电理论,推导了计算单位长度流注转化为先导所需电荷量的计算公式,并结合人工引雷试验数据,提出了一种求解上行连接先导速度的计算模型。采用该速度模型对自然雷击高塔上行连接先导过程的模拟结果与观测结果较为一致,验证了该模型的有效性。另外,将提出的速度模型与以往先导速度模型对雷击水平导线的仿真结果进行了比较,得到的上行连接先导长度介于其他学者模型的仿真结果之间。     

基于模拟电荷的上行先导起始模型研究及绕击特性分析

针对传统先导法对导线运行电压模拟与上行先导起始判断的不足,对上行先导起始判据进行改进,并建立先导发展模型。通过研究上行先导起始过程空间电场变化情况,得到了以平均场强为判据的改进上行先导起始模型,与Peek判据对比发现,传统先导模型夸大了雷云对先导的吸引能力。通过实例分析验证了所提模型的有效性,并应用所提模型分析输电线路绕击特性,提出雷电防护措施。     

高压输电线路雷电绕击分析方法及模拟试验研究*

大量线路雷电跳闸故障统计资料显示,雷电绕击是引起电压等级为500 kV及以上输电线路雷击跳闸的主要原因。综述了几种有代表性的输电线路雷电绕击分析方法,并介绍了在南方电网昆明特高压基地开展的雷电绕击模拟试验研究。试验模拟了下行雷电先导接近线路时输电线路上行先导起始和发展的过程。试验结果表明,导线、地线会产生上行先导放电,且地线上行先导放电起始易于导线,导线、地线上行先导发展速度约为1.2～2.4 cm/?s。该结果可为雷电绕击分析提供了试验基础和物理参数。     

负极性雷击下地面物体上行先导稳定起始的初始流注动态临界长度判据

厘清雷击作用下地面物体上行先导的起始物理机制,是防雷系统分析设计以及提升防护性能的重要基础。在现有先导发展模型基础上,该文纳入雷电下行先导发展速度对上行先导起始的影响作用,给出单位长度上行先导发展所需电荷量与先导发展速度的关系,并改进稳定先导的起始条件,建立负极性雷击下的上行先导发展模型。通过模拟风电机组不同位置的上行先导起始情况,指出稳定上行先导起始时,其初始流注长度存在某个临界值。由此提出判别稳定先导起始的初始流注动态临界长度判据,即地面物体附近空间背景电势曲线和流注区域电势曲线的交点横坐标(初始流注长度)超过临界值时,稳定上行先导起始。长间隙放电与实际雷电观测结果验证了该判据的有效性和正确性。该判据显著简化了上行先导起始的判断过程,拓展了现有平均背景电场判据和临界长度判据的概念,并指出动态临界长度受雷电下行先导发展速度和雷电流峰值的共同影响。通过与已有上行先导起始判据的交互比较发现,所提判据能更好地模拟地面高大物体(如风电机组)的上行先导起始过程,可为雷击防护系统优化设计提供理论和方法依据。     

基于先导发展模型的输电线路绕击跳闸率计算

雷电绕击是影响电力系统安全稳定运行的关键因素之一,现有输电线路雷电绕击分析模型对先导起始和发展过程的描述较为简化。为此,根据正极性上行先导起始和发展机理,提出了用于单根导线和分裂导线的上行先导起始判据,并提出了1种考虑背景电位变化贡献的流注空间电荷计算方法,在此基础上建立了绕击跳闸率计算模型和自适应算法,最后对我国典型的500 kV线路的绕击特性开展了仿真研究。计算结果表明,低电压等级时该模型得到的先导起始时刻与Rizk判据和临界半径判据基本一致,500 kV输电线路绕击跳闸率平原地区为0.012次/(100 km·a),山地地区为0.211次/(100 km·a),与我国运行经验相符。绕击跳闸率自适应算法与原有方法相比,在同样精度下所需计算时间更短。     

雷击输电线路上行先导起始与发展特性模拟试验研究

上行先导是分析雷电绕击输电线路的关键因素之一,由于雷电放电的随机性,鲜有输电线路上行先导的直接影像资料,因而上行先导是否存在是电力系统防雷研究的一个热点。现有的上行先导仿真计算模型主要由棒-板及热力学的结论间接推导所得,缺乏实际输电线路的实验依据。在昆明国家特高压实验基地对输电线路上行先导起始及其发展特性开展了模拟试验研究,经过仿真分析,设计并采用5～8m的板棒-线间隙进行模拟试验,施加最高达3.6MV、200/2 000μs波前的冲击电压,利用最高拍摄速度为106帧/s的高速摄像机对放电过程的放电形态进行观测,利用3dB带宽范围为0～6.5MHz的同轴分流器进行了电流测量。通过500余次试验及其结果分析,发现在该试验条件下,导线和地线上明显有上行先导产生,其发展速度约为1.2～3cm/μs,与正极性操作波下棒-板间隙放电的先导速度基本一致。仿真分析发现,大多数自然雷情况下,输电线路临界半径处场强高于上行先导起始场强的时间比该文试验工况中更长,因此推断自然雷击输电线的过程中上行先导是很有可能存在的。     

一种计算输电线路上行连接先导速度的新方法（英文）

输电线路雷电屏蔽性能的科学评估对线路防雷设计和施工建设具有重要参考价值。由于输电线路上行连接先导的发展对雷击线路过程影响较大,上行连接先导成为分析线路雷电屏蔽性能的关键因素之一,合理地描述上行连接先导发展速度有利于提高输电线路雷电屏蔽性能评估的准确性。本文基于先导放电理论,推导了计算单位长度流注转化为先导所需电荷量的计算公式,并结合人工引雷试验数据,提出了一种求解上行连接先导速度的计算模型。采用该速度模型对自然雷击高塔上行连接先导过程的模拟结果与观测结果较为一致,验证了该模型的有效性。另外,将提出的速度模型与以往先导速度模型对雷击水平导线的仿真结果进行了比较,得到的上行连接先导长度介于其他学者模型的仿真结果之间。     

雷云下空间电荷对直流输电线路上行先导起始特性的影响

以往在分析直流输电线路上行先导的起始过程时,一般只考虑了雷云、下行先导以及直流运行电压对输电线路附近电场的影响,而未充分考虑输电线路周围早已存在的空间电荷对原来电场所带来的畸变。为此,对上行先导起始前的一系列放电过程进行了研究,包括雷云所导致的地表空间电荷层、直流运行电压所引起的离子流电荷层等,并比较了这些过程对上行先导起始特性的影响。分析发现,上行先导起始前线路周围空间电荷的分布主要决定于运行电压及雷云,2者在输电线路周围所产生的空间电荷密度可超过10 nC/m3;相对来说,因雷云所导致的空间电荷层的电荷密度只有约1 nC/m3,故雷云对上行先导起始的影响可以忽略不计;另外,因下行先导只有在发展至较低高度时,才能产生与运行电压、雷云相当的影响,故下行先导对空间电荷分布的作用甚微。基于上述分析,建立了考虑离子流影响后的上行先导起始模型,并对实际的上行先导起始过程进行了仿真。与传统模型比较发现,考虑离子流影响后,下行先导必须发展至更低的高度才能使导线周围电场强度满足上行先导起始条件,导致上行先导的起始时间延后,这说明了直流输电线路的离子流有碍上行先导的起始。     

避雷针迎面先导发展物理过程仿真研究

开展避雷针迎面先导起始及发展过程的仿真研究对建立正确的雷电屏蔽分析模型具有重要意义。基于长间隙放电的物理机制,建立了包括正极性电晕起始与流注发展、先导起始、先导–流注体系发展等物理过程的迎面先导发展物理过程仿真模型,并使用实验室和自然雷电条件下的迎面先导发展过程观测结果对其进行了验证,最后采用该模型对避雷针迎面先导特性进行了分析讨论。结果表明:该模型的计算结果与实验室条件下和一次自然雷电条件下获得的正极性迎面先导发展过程观测结果相吻合;迎面先导起始时刻随着雷电流幅值和避雷针高度的增加而提前;避雷针迎面先导的发展过程主要受雷电流幅值、避雷针高度影响,其发展速度随着下行先导的趋近而逐渐增加;由实验室条件下的正极性棒–板间隙放电获得的先导起始特性直接用于自然雷电中正极性迎面先导起始的计算,以及在迎面先导发展过程的计算中假设迎面先导发展速度与下行先导发展速度成一固定比例是不合适的。     

基于脉冲定量纹影系统的正先导放电起始阶段通道瞬态温度测量

正极性先导放电特性是超特高压输变电系统操作过电压外绝缘配合和地面高目标物雷电屏蔽性能优化的基础。先导放电起始过程是流注茎向连续先导通道转化的关键阶段，通道处于非局部热力学平衡态，通道气体温度与电子密度、电场强度及径向尺寸等参数相互耦合，获取先导起始阶段通道温度演化规律对于揭示先导放电物理机制和实现全过程仿真建模至关重要。该文设计构建了一种脉冲LED光源驱动的定量纹影系统，时间和空间分辨率分别达到了0.37μs和31μm/像素，解决了长空气间隙放电通道瞬态温度时域连续测量的难题。开展了1.0 m棒-板间隙正极性先导放电观测实验，获得了放电电流、定量纹影图像及通道光学图像等数据。通过反演定量纹影图像获得了流注茎温度分布特性，发现了流注茎前端生长出一种热细通道的现象，其温度介于400～800 K，通道直径约为0.2 mm，轴向发展速度约为0.1 mm/μs。实验获得了二次流注电流注入阶段通道快速温升，以及不稳定先导弛豫阶段通道温度分布演化特性。     

雷电先导分形特性及其在特高压线路耐雷性能分析中的应用

从对雷云放电过程的观测以及研究可知,雷电放电通道的发展具有确定性及随机性的特点。如何描述这两种特性在雷电先导发展过程中所起的作用以及规律,是输电线路分形先导发展屏蔽模型中需要解决的关键问题之一。为此,应用分形理论对放电通道进行了描述,同时建立了基于分形特性的雷电屏蔽模型,将该模型应用到我国第1条特高压直流输电线路—云广±800 kV特高压直流输电线路的雷电屏蔽性能的分析中。运用盒维数法对雷电模拟路径的分形维数进行计算,研究了分形参数η值对雷电发展路径的分形维数的影响,通过与实际雷电先导路径的分形维数相比较,确定了模型中分形参数η值。在该模型的基础上提出了采用输电线路空间绕击概率曲线对输电线路的雷电屏蔽性能进行分析。结果表明:这种分析方法可以有效地反映出空间分布对输电线路雷击的影响,能够更准确地、全面地对雷击导线事故进行分析。采用基于分形先导发展模型的绕击耐雷性能评估方法,对不同线路参数下特高压直流输电线路的绕击耐雷性能进行了评估,为超特高压输电线路的防雷设计提供依据。     

特高压交流输电线路的雷电屏蔽分析模型

绕击是引起超高压、特高压输电线路雷击跳闸的主要原因。将低电压等级输电线路绕击防护经验直接外推至更高电压等级时具有一定的局限性,可能导致新建线路的绕击耐雷性能显著低于预期值。基于先导发展的绕击分析模型细致地考虑了影响雷击发展物理过程各种因素的影响,较传统工程化分析方法更适用于新建电压等级线路的绕击性能评估。但由于对雷击物理过程和长间隙放电机理认识的不足,不同时期不同学者对雷击过程描述所采用的模型和方法不尽相同,若将现有学者所提出的绕击分析模型直接用于工程中,不同分析模型所得结果差异较大。为此,通过对比现有的雷电观测资料,认为Cooray提出的下行先导通道模型与最新的雷电观测结果比较相符;对迎面先导起始工程判据的对比分析结果表明,当导线对地高度10.0 m时,Rizk感应电压法和临界电晕半径法计算得的先导起始电压结果一致,外推至实际导线对地高度时,Rizk感应电压法的计算结果与长间隙放电理论相违背;同时依据长间隙放电理论,提出了下行先导和迎面先导的相对速度比近似等于迎面先导通道单位长度电压降与导线感应电压增量之比的迎面先导持续发展条件,建立了基于Schwarz-Christoffel变换的能考虑任意地形的2维特高压输电线路雷电屏蔽分析模型;该分析模型解释了传统先导发展模型无法解释的特高压输电线路ZMP2和ZBS2型杆塔的中相屏蔽问题。计算结果表明,在典型的平原、斜坡和山顶地形下,ZMP2和ZBS2型杆塔的绕击跳闸率低于设计预期值0.1次/(100 km.a)。     

超电晕对输电线路导线、避雷线雷电吸引能力的影响研究EI北大核心CSCD

在雷云电荷或雷电先导的感应作用下,表面缠绕了细线的导线或导体会产生超电晕,不仅能够抑制流注的形成,还能改变周围空间的电位分布,从而对周围导体的上行先导产生影响。因此超电晕近年来被认为在提高防雷性能方面具有良好的应用前景。然而相关研究表明,由于在输电线路防雷应用时超电晕由避雷线表面产生并发展,导致由避雷线表面起始并向上发展的上行先导也被抑制,因此输电线路整体的绕击防雷性能究竟是否提高还有待商榷。基于此,该文针对应用了超电晕的输电线路开展研究,通过建立超电晕与雷电先导同步发展的仿真模型,得到了应用超电晕后导线、避雷线的雷电吸引半径表达式,详细分析了超电晕对导线、避雷线引雷能力的影响,并与未应用超电晕时的引雷能力进行对比,研究结果表明尽管超电晕的应用同时削弱了导线、避雷线的引雷能力,但由于对导线引雷能力的削弱程度更高,使得应用超电晕后的屏蔽失效宽度大幅降低,从而输电线路整体的绕击防雷性能得到提高。最后通过500kV超高压输电线路的实例进行分析与验证。     

风机叶片雷击上行先导的起始物理机制与临界长度判据

作为风机叶片防雷研究过程中的关键物理问题,关于叶片上行先导起始机制及其判据的研究尚待深入。该文利用线电荷和头部点电荷的等效模型模拟雷电下行先导电荷分布,考虑到叶片附近空间电荷的运动、扩散与中和现象,计算了叶片表面电荷密度曲线,发现正电荷集中分布在叶片尖端。利用有限元仿真软件COMSOL计算发现,在雷电下行先导通道内电荷与叶片表面电荷的共同影响下,叶片尖端附近电位发生明显的畸变。基于叶片上行先导发展过程的简化模型,提出了临界长度判据:在叶片尖端上部存在空间背景电势大于流注区域电势的区域,当该区域长度大于临界长度时,稳定连续的上行先导起始。雷电参数(雷电流幅值,下行先导侧面距离等)和风机叶片参数(叶片长度,接闪器半径等)对临界长度无影响;临界长度随空气相对密度、湿度的增加而减小,随海拔的增加而增大。仿真结果与长间隙放电观测数据相符合,验证了该判据的有效性。     

改进先导传播模型法500 kV架空线路雷电绕击分析

用先导传播模型法(leader progression model,LPM)分析架空输电线路的防雷特性的关键在于主要模型参数、先导起始和拦截判据的确定。参考国际上对长间隙放电研究的成果,考察LPM中参数和判据的适用性,提出对LPM的判据改进。并且考虑雷云的背景静电场和线路运行电压的影响,建立改进的先导模型法。经改进的LPM应用于平原和山区地形条件下的500 kV架空线雷电绕击分析计算。改进前后的计算结果与运行经验数据的对比分析表明,该改进先导模型法的计算结果与我国500 kV架空线路的运行经验数据相吻合。     

雷电下直流运行电压对输电线路上行先导起始与发展特性的影响

在分析上行先导发展过程时,许多仿真模型虽在一定程度上考虑了直流运行电压的影响,但其依据主要由棒-板间隙下的试验结果、热力学及电磁学间接外推所得,其适用性并未得到验证。为此,在昆明国家特高压试验基地,就直流运行电压对输电线路上行先导起始与发展特性的影响展开了试验研究。经过仿真分析,设计并采用7m的板棒-导线间隙,并对该间隙施加最高达4MV的200/2 000μs负极性冲击电压,对导线施加最高达800kV的正极性直流运行电压,以此模拟了雷电下的上行先导起始与发展情况。采用最高拍摄速度为1 000 000帧/s的高速摄像机对放电过程的形态进行了观测,同时利用频率响应范围为0～6.5MHz的同轴分流器进行了电流测量。通过数百次试验发现,当线路上施加500kV正极性直流运行电压时,上行先导起始时间提前了21μs,平均发展速度增加了0.3cm/μs,这一结果说明,负极性雷电下较高的正极性直流运行电压有助于导线上行先导的发展。最后,进行了输电线路模拟试验,试验结果说明,负极性雷电下正极性直流运行电压能使导线上行先导的起始时间提前,甚至早于地线;同时正极性直流运行电压也会使导线上行先导的发展速度增加,从而使它对下行先导的截击概率增大,增加了线路绕击的可能性。     

高压输电线路先导发展绕击分析模型研究

雷电绕击是关系到特(超)高压输电线路安全稳定运行的关键问题之一。针对特(超)高压输电线路的特点,在总结前人研究结果的基础上,提出适用于特(超)高压线路的雷电上行先导起始判据,建立了基于先导发展法的绕击模型,并以日本特高压同塔双回线路的运行经验对模型进行了验证。基于该模型,对不同地形条件下、考虑线路运行电压的特高压直流线路的雷击问题进行研究,为改善线路的防雷性能提供帮助。     

基于分形理论的超特高压线路绕击耐雷性能评估

超特高压输电线路雷电屏蔽模型对线路的防雷设计有着重要的指导意义。为此研究了一种基于分形理论的输电线路绕击先导发展模型,首先从雷云电荷分布、上行先导起始、上下行先导发展和最终判据等方面研究了分形先导发展模型计算流程中的关键问题。并根据分形理论研究了上下行先导发展的电介质击穿模型DBM以及实现方式,通过雷电先导发展过程中空间电场的计算,得出了先导向空间各可能击穿点发展的概率分布,实现了雷电先导发展过程的分形生长。基于分形先导发展模型,还给出了超特高压输电线路绕击耐雷性能的评估方法,结合雷电流空间概率分布和由分形先导模型计算得出的绕击概率分布,可计算得出输电线路的绕击率。此方法在±800kV特高压输电线路上的绕击耐雷性能评估中的应用表明,该方法不仅能获得较精确的绕击率,同时使先导发展过程中既保持了沿最大场强发展的概率最大这一确定性因素,也呈现了先导发展的随机性因素。     

正极性冲击流注—先导转化放电通道温度测量研究

正极性长空气间隙放电是输变电系统外绝缘和雷电放电物理的研究基础,而流注—先导转化过程一直是长间隙放电机理以及雷电上行先导放电研究所关注的重点。为了获得流注—先导放电转化过程中电学、热力学参数演化规律及其关联关系,以1.0m棒–板空气间隙为研究对象,通过构建适用于流注—先导转化放电过程热特性试验观测系统,实现电压、高电位放电电流、放电通道光学形态、纹影图像的同步观测。获得从流注放电起始到先导通道形成过程的高速纹影图片,并通过Abel逆变换反演获得初始先导放电通道气体密度、温度的径向分布及其时间演化规律,发现因首次流注放电注入电荷量的增加,暗区时间内放电通道中心温度随时间的变化趋势由上升变为下降的两类现象。基于Gallimberti流注—先导转化零维模型,分析不同流注茎初始半径和能量分配系数对暗区内温度变化规律的影响,得出模型只适用于暗区温度上升的放电情况。该文的研究工作可为正极性先导起始判据修正和物理模型的完善提供参考。