改进先导发展模型在超特高压线路耐雷性能评估中的应用

为提高雷电先导放电三维数值模拟的空间分辨率,研制了一种改进先导发展模型,即将近地区域的分辨率设置为1 m,将非近地区域的分辨率设置为50 m,进而进行三维数值模拟.在此改进模型基础上,数值模拟得到了雷电先导放电二维投影图样,并结合改进先导发展模型计算得出的绕击概率分布,得出了±500 kV直流输电线路的绕击率.以内蒙古呼伦贝尔地区伊穆±500 kV超高压直流输电线路为例,通过比较自然界中雷电放电与模拟结果的分形维数验证了该模型的合理性.     

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。     

基于长间隙放电研究雷电屏蔽问题的进展EI北大核心CSCD

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。     

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。     

采用分形方法的二维和三维雷电放电仿真模型及其应用(英文)

雷电放电的随机性以及雷电先导在其产生和发展过程中易受周围环境影响的特点导致雷电活动对电力系统产生巨大危害。采用有限凝聚扩散(diffusion limited aggregation,DLA)增长模型在二维和三维中描述雷电放电通道的分支和扭曲。通过比较自然界中雷电放电和仿真结果的分形维数,发现采用分形系数为2的模型可以得到最接近实际的结果。利用2005和2006年冬季在日本观测到的雷击风车及其防雷塔的数据可以进一步证实仿真结果和实际观测结果的一致性;当模型从二维扩展到三维时,其结果的可信性还需要其他实验数据加以验证。最后应用上述仿真模型分析了实际情况下的雷击概率和雷电防护效果。     

雷电放电过程高速摄像观测研究

雷电放电过程的研究是准确仿真模拟雷击过程的基础,高速摄像技术的快速发展为雷电放电过程观测研究提供了有力手段。利用最快帧速达6.5×105帧/s、最大分辨率达(1024×1024)像素,拍摄时长达秒级的摄像系统,结合覆盖全国电网的雷电监测网,对雷电放电过程进行了观测研究和分析。连续多次地闪的观测结果表明:高速摄像系统与雷电监测网观测到的地闪时间间隔完全吻合,监测到的电流大小和图像中回击通道亮度变化一致;地闪和云闪观测结果较好反映了先导发展过程,高速摄像系统的高时间分辨率及高图像分辨率可以获得地闪的多个先导的发展速度随时间变化的曲线,细致反映出梯级先导竞争放电的变化过程;观测到的地闪主先导发展速度约在2.7×105m/s~2.4×106m/s,平均为1.2×106m/s,与以往其它雷电研究结果一致。云地闪放电过程高速摄像观测为全面掌握雷击物理机理提供了详细的图像资料。     

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。     

基于雷电上行先导起始物理机制的风机叶片雷击概率评估模型

风机叶片雷击损伤事故严重威胁风电场正常运行,传统分析方法无法给出叶片表面任意点雷击概率,现有叶片防雷系统设计尚无成熟理论作为指导。该文基于上行先导起始物理机制,提出了风机叶片表面任意位置雷击概率计算方法,建立了风机叶片雷击概率评估模型。考虑不同叶片姿态、下行先导侧面距离、接闪器布置方式等因素,分析了1.5MW典型风机在不同工况下雷击概率分布,并与试验结果相对照,验证了模型的有效性。结果表明:接闪器保护范围随叶片角度变化而变化,呈现不对称的特点,雷电下行先导侧面距离对接闪器保护范围的影响具有方向性,叶尖接闪器的防护效果优于叶身接闪器。该评估模型可为叶片防雷系统优化设计提供理论分析工具。     

击距系数的实验研究与理论分析

针对经典电气几何模型认为雷电先导对导线、避雷线、大地三者之间击距相等的不合理问题,提出了用击距系数来描述雷电先导对导线与大地击穿强度的差别;依据长间隙放电与雷击放电的相似性,开展了棒-板间隙实验以得到击中目的物概率为50%时雷电先导与地面、导线之间的位置关系。实验结果显示击距系数随线路高度的增加而减小,实验结果修正之后得到击距系数与线路高度之间的关系,并依据电磁场理论的知识推得雷电先导击中地面的临界场强为500kV/m;导线的临界击穿强度随线路高度变化满足一定关系时,计算分析所得的击距系数与实验所得的非常接近。实验所得的击距系数公式可用于线路绕击防雷计算中。