避雷针端部曲率半径对雷击接闪效能的影响

通常认为避雷针端部曲率半径越小,端部附近电场越强,雷击接闪效能越强;一些学者认为不同高度避雷针端部曲率半径对接闪效能的影响不同;还有学者则认为曲率半径对接闪效能没有影响。因此,研究避雷针端部曲率半径是否影响其雷击接闪效能对新型避雷针的设计研发和工程应用具有指导意义。论文开展了针–板间隙下不同曲率半径避雷针流注放电与先导放电模拟实验,结合实验室针–板间隙和避雷针–雷云超长间隙放电的空间电场计算,对曲率半径是否影响避雷针迎面流注和迎面先导接闪效能进行了分析。结果表明,不同曲率半径下避雷针流注放电起始时刻差异<0.22μs,发展速度差异<5%;当曲率半径小于临界半径时,避雷针连续稳定先导起始时刻差异<1.27μs,发展速度差异小于5%;自然雷电环境下,避雷针端部曲率半径的变化仅对端部附近区域电场产生影响。研究表明,避雷针端部曲率半径对其雷击接闪效能几乎不产生影响。     

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。     

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。     

一次自然雷击过程的光学观测分析

雷击过程光学观测是研究雷击放电物理过程最直观的手段,长期坚持开展自然雷击放电光学观测有助于改善我国雷击光学观测数据匮乏的现状。鉴于此,分析了一次下行先导并未与迎面先导相连接的雷击放电过程的光学观测结果。根据观测结果,获取了下行先导和迎面先导的发展轨迹,计算得到了先导发展的特征参数,包括:负极性下行先导2维发展速度为(1.98~7.28)×105 m/s,平均值为3.78×105 m/s;正极性迎面先导2维尺度达到56.99m,2维发展速度为4.8×104~3.08×105 m/s,持续时间为(462.5±18.5)μs。由于观测对象高度接近我国特高压同塔双回输电线路杆塔高度,观测的迎面先导发展过程可为这类线路的防雷设计提供参考。对下行先导未与迎面先导相连接的原因进行了初步分析,证实了在下行先导发展随机性的影响下,迎面先导起始并不能保证成功拦截下行先导。最后对未来开展自然雷电光学观测研究应采用的观测方法提出了建议。     

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。     

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。     

长间隙正极性放电流注-先导发展3维物理仿真研究

利用长间隙放电3维仿真模型对实际的放电现象进行机理分析、放电特性预测与绝缘设计评价具有指导意义。因此在流注-先导系统起始和动态发展的物理机制基础上,分析了初始电晕起始与流注发展的基本物理过程,推导了基于模拟电荷法与电位畸变法的流注空间电荷增量对电位畸变贡献的计算方法,建立了基于热电离理论的流注-先导转化模型,并利用电介质击穿模型(DBM)模型将2维模型外延至3维空间,从而完成了对长间隙放电正极性流注-先导发展全过程的3维仿真模型构建。利用该模型进行仿真获得的先导平均轴向速度为1.58~1.62cm/μs,空间电荷电位畸变系数KQ的平均值介于3.8×10-11~4.4×10-11 C/(V m)之间,并得到了不同间隙长度下击穿电压与先导发展过程等的变化规律,与长间隙放电试验综合同步观测平台在平均轴向速度、末跃高度等方面所获得的试验数据较为符合,证明了模型在3 m棒-板间隙下模拟正极性流注-先导发展方面的适用性。     

不同类型避雷针雷击接闪效能差异的实验评价方法

探讨一种直观、易于理解且反映雷击放电机理的实验方法,以评价不同类型避雷针的雷击接闪效能差异,对雷电防护领域形成共识显得尤为重要.为此,论文首先分析了雷电环境下地面目标物上避雷针的雷击接闪过程,指出不同类型避雷针接闪效能的差异主要体现在对迎面放电过程的影响上;接着,提出了如下实验评价方法:采用针-板间隙的放电实验布置,对4m及以上间隙施加1.2/50μs标准雷电波模拟迎面流注放电过程,对6m及以上间隙施加250/2500μs标准操作波模拟迎面先导放电过程;然后,通过比较非传统避雷针与传统避雷针的放电起始时刻与平均发展速度2个指标,以评价不同类型针的接闪效能差异;最后,利用所提方法对典型提前放电(early streamer emission,ESE)非传统避雷针与传统避雷针开展了接闪效能差异的评价实验.实验结果表明:ESE针与传统避雷针的评价指标基本一致,不具备研发商所宣称的引雷增效作用.     

正极性操作冲击下球–板长间隙流注–先导转化模型

流注–先导转化是长空气间隙放电发展过程中最为重要的能量转化节点,针对换流站阀厅中大量存在的由屏蔽球和周围接地体组成的球–板长空气间隙类型,研究其流注–先导转化过程及机理具有重要的学术意义和工程价值。该文开展正极性标准操作冲击下球–板长间隙放电试验,利用光电联合检测系统采集放电过程瞬时光功率和电场强度等光电信息,测量流注–先导转化实测时长ta,对比由经典Gallimberti流注–先导转化模型获得的计算时长ts,发现经典模型适用于仅生成单根流注茎且注入电荷量较少的小尺寸电极放电分析;搭建考虑流注放电对流扩散和流注茎形态特征的流注–先导转化修正模型,依据电场跃升计算初始流注注入电荷量Qz和放电电流Iz,确定流注茎根数n和流注茎半径r,仿真获得流注–先导转化修正时长tsz,并与实测时长ta和计算时长ts进行对比。分析结果表明,考虑大直径电极流注茎根数及初始流注注入电荷量增多影响的流注–先导转化修正模型能显著提高计算精度。该文研究成果为今后建立更加完善的球–板长空气间隙放电先导起始模型奠定了基础。     

操作冲击下正极性长间隙放电物理仿真模型

开展正极性长空气间隙放电过程物理仿真模型的研究对优化特高压外绝缘设计具有重要的意义。基于正极性长间隙放电物理机制,建立了包括初始电晕起始与流注发展、先导起始、流注-先导体系发展和最后跃变等过程的物理仿真模型,该模型考虑了电晕起始分散性和先导路径随机性特征。采用有限元软件计算了放电结构间隙的背景电位分布,并使用试验观测结果对本文建立的模型进行了验证,最后采用该模型对导线-塔窗结构间隙的放电特性进行了仿真计算。结果表明：导线-塔窗间隙的50%击穿电压处于棒-板和棒-棒的50%击穿电压之间;波前时间对其50%击穿电压有比较明显的影响,呈现“U”形曲线;杆塔塔窗宽度对50%击穿电压影响较小,随着宽度增大,50%击穿电压有减小的趋势。     

基于长间隙放电研究雷电屏蔽问题的进展

长间隙放电是研究地面物体雷电屏蔽问题的最有效手段之一。首先介绍了国内外在雷电击距、直击雷防护措施的屏蔽性能试验和雷电迎面先导过程研究3个方面所取得的进展,并结合最新开展的长达6 m间隙尺度的放电试验观测,对现阶段上述3个方面研究所存在的问题进行了分析。认为基于雷电击距建立的电气几何模型(electric geometry model,EGM)仅适用于小尺度目标物的雷电屏蔽性能分析,现有的雷电屏蔽模拟试验方法仅能近似模拟不存在雷电迎面先导时的雷击过程,无法完全证明以提前流注发射模型装置为代表的非传统防雷装置具有比传统措施更优越的屏蔽性能。大尺度目标物的雷电屏蔽问题应聚焦于雷电迎面先导过程的研究,建立并完善雷电迎面先导过程的模拟试验方法和物理仿真模型。     

正极性上行先导特性的模拟试验方法

开展负极性雷电地闪过程中地面物体正极性上行先导特性的模拟试验研究是完善雷电屏蔽分析模型的基础,选择正确的模拟试验方法十分必要。分析了采用棒–棒、棒–板及板–棒等典型放电间隙结构的模拟试验方法的电场特征,研究了各种方法获得的正极性先导特性,并通过与自然雷电下的电场特征及上行先导特性进行对比,评价了各模拟试验方法的等价性。结果表明:采用棒–棒间隙和棒–板间隙无法模拟自然雷电下地面物体附近的电场空间分布特性;采用板–棒间隙可以模拟自然雷电下地面物体附近的电场空间分布特性,但传统的冲击电压发生器无法产生与自然雷电下行先导趋近地面过程中电场时变规律相同的冲击电压。因此,提出了研发一种基于电力电子技术、能够模拟自然雷电下电场时变规律的高压任意波形发生器,并结合板–棒间隙结构,形成正确有效的正极性上行先导特性模拟试验方法。     

雷击风机叶片的跃变击距特性与定量表征

风机叶片对雷电的接闪是风机防雷研究中的关键内容,合理分析接闪时的击距特性意义重大。基于雷击过程的物理机制,将雷击发生时上、下行先导头部间的距离定义为跃变击距,并分析了多上行先导竞争对风机接闪和跃变击距的影响。基于先导起始和发展理论,根据下行先导的等效模型和稳定上行先导的判定方法建立了风机叶片接闪模型,利用该模型得到了随雷电流幅值变化的跃变击距公式,指出侧面距离等参数对跃变击距没有影响,实验和观测结果证明了模型的正确性。最后利用接闪模型提出了考虑稳定上行先导对周围电场畸变作用的对地击距公式,与其他学者计算的结果进行对比指出,现有对地击距公式或不适用于风机背景的防雷计算。     

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)。     

Simulation of energized Franklin rods for lightning protection

In this paper, the onset criterion of the upward streamers from an energized Franklin rod is formulated as a function of the geometry of the rod and the height and current of the downward leader. The electric field in the vicinity of the lightning rod is calculated using the charge simulation technique. The dependency of the radius of protection on the amplitude of the pulse voltage applied to the Franklin rod, the downward leader current, and the tip radius and height of the rod is investigated     

架空线路上场线耦合感应电压计算中杆塔迎面先导高度的影响研究

雷击通道电磁场对架空线路耐雷水平的影响是与杆塔或雷击物的迎面先导高度有关的,采用IEEE推荐的雷击电磁场数值计算程序,计算分析了不同高度迎面先导时架空线路上的感应电压,通过与实际运行的情况对比,确定了不同杆塔高度,其迎面先导高度不同,相应的感应电压计算公式不同。虽然迎面先导高度也与雷击电流大小有关,但在同样大小雷击电流情况下,必须有针对性地采用与杆塔高度相适应的迎面先导高度,才能计算出合理的感应电压。     

Winter lightning on Japan Sea coast-development of measuring systemon progressing feature of lightning discharge

With the aid of recent optoelectronic techniques, the authors have developed a measuring instrument named ALPS (Automatic Lightning Discharge Progressing Feature Observation System) to determine the progress of lightning flashes. The progress velocities of stepped leaders for lightning in winter seasons were observed using the ALPS in the coastal area of the Japan Sea. The progress velocity of an individual step of a stepped leader can be expressed by a lognormal distribution and its mean value is 1.6×10⁶ m/s for upward leaders and 4.0×10⁶ m/s for downward leaders. The mean progress velocity of a total leader process is given as 0.8~2.7×10⁵ m/s for upward leaders and 2.9×10⁵ m/s for downward leaders     

基于随机理论的特高压输电线路雷电屏蔽模型

The operation data obtained abroad indicates that shielding failure in UHV transmission lines mostly accounts for the tripping-out accidents introduced by lightning striking the transmission line.Based on the discharge theories of long air gap and randomness theory,a leader progression model of lightning shielding failure is presented in this paper.The random characteristics of the downward and upward leader are simulated in this model.The ground slope angel is also considered in this model by using coordinate transformation.Moreover,the system voltage is also taken into consideration in this model.The simulation results show that the good agreement between this model and the field data.And the results suggest that return striking exist obviously in UHV transmission line.     

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。     

避雷针和半导体消雷器的火箭引雷试验分析

介绍了对普通避雷针和半导体消雷器进行的火箭引雷试验,列出了全部试验结果,包括用普通照相机的B门进行静态拍摄所得的典型照片以及用示波器记录的雷电流波形。讨论了雷击半导体消雷器和普通避雷针间的显著差别,说明半导体消雷器具有极大的限流能力。