基于先导放电理论的雷击上行先导起始研究

作为输电线路雷电屏蔽分析模型中的关键物理过程,关于上行先导起始机制及其判据的研究尚待深入。基于先导放电物理机制,建立了导线表面稳定上行先导起始仿真模型,并利用模拟电荷法计算分析了导线周围电场分布特征。结果表明,稳定先导起始时,导线周围平均电场强度达到流注场强的区域几乎不受雷电参数和导线参数的影响,由此提出一种上行先导起始新判据,即当线路周围一定区域内的平均电场强度达到流注场强时,稳定连续的上行先导起始。长间隙放电观测结果及对国内外典型线路雷电屏蔽性能的计算结果与运行数据相符,验证了该判据的有效性。通过与以往上行先导起始判据的比较分析,指出已有的输电线路先导起始判据可能会夸大上行先导的引雷作用。     

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。     

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。     

电晕空间电荷对特高压直流输电线路地线雷电屏蔽性能的影响

受雷云电场和直流工作电压的叠加作用,导地线因电晕放电产生大量正、负离子积聚在线路附近形成空间电荷层。为研究电晕空间电荷对特高压直流线路雷电绕击性能的影响,建立了雷云电场作用下线路电晕空间电荷分布的数值计算模型,并耦合雷电先导发展模型,计算获得了典型±1100 kV特高压直流输电线路的地线雷电上行先导放电特性和雷电击距,定量分析了电晕空间电荷对特高压直流输电线路地线雷电上行先导起始时刻、放电电流和长度的影响。通过计算电晕空间电荷作用下地线的雷电击距和暴露弧,得出在平原地区仍可通过采用负保护角配置,有效降低线路的雷电绕击概率,未来需进一步研究山区地形下电晕空间电荷对特高压直流线路雷电绕击性能的影响规律。     

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。     

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。     

雷云电场作用下±1100kV特高压直流输电线路电晕空间电荷分布特征的仿真研究

为了研究电晕空间电荷对特高压直流输电线路雷电绕击特性的影响机制,基于带通量限制器的二阶有限体积方法,建立了雷云电场下特高压直流输电线路电晕空间电荷分布的数值仿真模型,通过与实验对比,验证了模型的合理性。计算获得典型±1 100 kV特高压直流输电线路电晕起始过程、电晕电流波形和空间电荷分布特征,得出正空间电荷边界在垂直地面方向的平均运动速度为4.05 m/s。考虑到电晕空间电荷引起的电位畸变对雷电上行先导存在屏蔽作用,通过分析不同时刻电位畸变量分布,得出雷云电场下电位畸变集中分布于地线上方,相较于仅存在直流工作电压情况,电位畸变量最大值增加了约20倍。由此推断,受电晕空间电荷影响平原地区±1 100kV线路地线产生的上行先导更易沿水平方向发展。该工作为后续研究电晕空间电荷对特高压直流线路雷电绕击特性的影响奠定了基础。     

正极性长间隙放电先导起始模型

为了准确地定量计算长间隙放电的先导起始时刻,基于流注-先导转化热电离理论,提出了1个计算先导起始暗区时间的简化物理模型。该模型能考虑初始电晕产生的空间电荷对先导起始过程中2次电晕起始的屏蔽作用。然后通过搭建长间隙放电综合观测平台,开展了3 m棒-板放电试验,利用试验结果验证了提出模型的合理性。最后利用该物理模型对正极性先导起始过程进行了仿真,结果表明对于流注-先导转化,不能忽略振动能弛豫过程对流注根部转化区内气体温度上升的影响;初始电晕空间电荷对抑制先导起始的作用十分明显,是决定先导起始时刻的主要因素。     

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。     

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。     

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。     

超电晕对输电线路导线、避雷线雷电吸引能力的影响研究

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。     

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。     

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。     

带电作业组合间隙放电特性仿真分析方法

为实现对输电线路带电作业安全距离的仿真研究,以长间隙流注–先导的起始和发展机制为基础,结合带电作业组合间隙放电试验观测现象,建立了带电作业组合间隙放电发展物理模型。考虑作业人员和先导–流注放电产生的空间电荷的共同作用,采用模拟电荷法(CSM)建立了组合间隙中空间电场分布的计算模型,通过耦合流注–先导的发展和转化过程,实现了对组合间隙的击穿电压、先导–流注放电发展的空间位置和空间电荷等特征量的准确计算,通过与试验数据对比验证了该方法的有效性。对组合间隙放电特性的仿真研究表明,作业人员位置改变引起的空间电荷量和先导起始的变化对组合间隙放电发展具有双向作用,引起的最低放电位置在人员距导线0.4~0.45 m区域内,与试验数据具有较好的一致性。     

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。     

雷电先导下行过程特高压直流线路电晕向流注放电转化的仿真研究

为了定量研究雷暴过程中电晕空间电荷对特高压直流输电线路后续流注放电起始的影响,基于带通量限制器的2阶有限体积方法和Kaptzov假设,建立雷暴过程中特高压直流输电线路电晕空间电荷分布的数值仿真模型。通过开展动态电场下水平导线电晕放电电流的实测与仿真对比研究,验证了模型的准确性。计算分析典型±1100kV特高压直流输电线路雷暴过程中导地线电晕电流时域波形和电晕空间电荷分布特征。得出下行先导趋近过程会显著增加导、地线表面附近约0.5m范围内正离子密度,并使导、地线电晕电流最大值较雷云电场作用时增加6～7个数量级。随着地线表面附近正离子密度增加,电场最大值从地线表面向导线附近空间移动,而导致后续流注产生。所作研究工作可为后续研究电晕空间电荷对特高压直流线路雷电绕击特性的影响奠定基础。     

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。     

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。