基于FDTD传输线雷电感应过电压模拟研究

以Agrawal模型电报方程为理论基础推导其时域形式,利用时域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)实现架空传输线雷电感应过电压计算。通过比对分析证明方法的有效性,进而研究传输线位置、架设高度以及土壤电导率对雷电感应电压的影响。结果表明,当观测点从线路中点向端点移动时,感应电压逐渐减小,电压波形的双极性特征越来越明显。线路中点电压和端点正向电压峰值随传输线高度升高而增大,而随着土壤导电性的减小,线路中点电压增大,端点电压变小。此外,散射电压分量受土壤电导率影响较为显著,而入射电压分量则不受其影响。     

地闪回击电磁场对架空线路耦合过电压的数值模拟

为了研究地闪回击通道周围的电磁场对架空线路的耦合过电压,首先采用指数衰减传输线型工程回击模式(MTLE)模拟分析了回击通道周围电磁场的分布特征,然后运用以Agrawal模型为基础的场—线耦合程序对架空线路感应过电压进行了数值计算,并将模拟计算结果与人工引雷实验结果进行比较,所得线路过电压的计算结果与实验数据基本相符。模拟结果表明,地闪回击电场的垂直分量和水平分量都应考虑到场—线耦合机制中;回击通道基电流波形的陡度同时影响到架空线路感应过电压的幅值和陡度,而电流幅值只影响感应过电压的幅值;当观测距离较近(50 m)时,架空线路上感应过电压幅值与电流回击速度呈反相关;随着观测距离的增加,架空线路上感应过电压波形上升沿时间增加、幅值减小;此外,架空线路感应过电压幅值随线路高度和接地电阻的增加而增大,与线路长度和直径的变化无关。     

架空线路雷电感应过电压估算与分析

根据雷击时雷电电磁场作用于架空线路的特点,通过建立计算模型推导出雷击点距架空线路任意位置的雷电感应过电压估算公式,对架空线路高度、架空线路距雷击点距离、架空线路旁被雷击物体的高度,以及上升先导长度等各类参数对雷电感应过电压的影响进行了分析,研究了与DL/T620-1997＂交流电器装置的过电压保护和绝缘配合＂标准中架空线路上的雷电过电压估算公式的关系,试图为建筑物内电子和电气设备损坏的原因进行定量分析以及更好地进行线路上的雷电防护设计提供帮助。     

架空导线耦合雷电电磁波实验与分析

通过传输线模型的理论分析,利用理论推导与实验相结合的方法,采用架空导线耦合模拟雷电进行实验。结果表明,当雷电回击通道中雷电流在5~29 kA范围时,架空导线耦合雷电电磁波形成的过电压幅值随雷电流的增大呈线性增加;耦合的能量随雷电流的增大呈幂函数关系增加;并且随导线长度的增加,耦合到的过电压和能量均减小;随导线截面积的增大,耦合到的过电压和能量均增大。     

一种雷电感应过电压的快速算法及其精度检验

本文基于B-P方程、Rusck方程和Agrwal耦合模型,开发出一种架空线雷电感应过电压的时域快速算法.利用该算法研究了不同参数对雷电感应过电压的影响,并利用2-DFDTD算法对其计算精度进行全面检验.结果表明:①首次回击电流产生的感应过电压的峰值较大,波头陡度小;继后回击电流产生的感应过电压的峰值较小,而波头陡度更大...     

利用时域有限差分方法计算雷电水平电场

雷电水平电场是计算电力架空线雷电感应过电压的重要参数,为了准确获得该参数值,本文利用时域有限差分方法(FDTD)对不同地面电导率情况以及距雷电回击通道不同距离处的雷电水平电场进行了计算和分析,结果表明:(1)地面电导率均匀情况下,地面电导率越大,计算距离越近,雷电水平电场波形愈加接近模式输入的电流波形,这与雷电水平电场中的辐射场分量较小有关,而增大地面电导率或者增加计算距离都会导致计算结果变小甚至波形出现双极性的特征;(2)地面电导率水平分层情况下,计算得到的雷电水平电场受上层土壤的电导率影响更大,但是下层不同电导率的土壤一定程度上改变了土壤整体的等效电导率,使得计算结果与均匀电导率情况下有所差别。     

基于多因素分析埋地电缆耦合雷电过电压

该文针对目前不能定量连续性的给出埋地电缆不同环境因素下雷击过电压变化趋势的缺陷,利用2.6/50μs计算理论雷电流波形,建立埋地电缆和闪电通道几何关系模型,主要研究了埋地电缆不同埋地深度、雷击点水平距离、电缆接地间隔因素对金属护套层和金属芯线间产生雷电感应过电压的影响,定量的分析出埋地电缆最合适的安装环境因素。研究表明,埋地深度在0.5～2.5 m的范围内,其埋地电缆绝缘外护套层和金属护套层间感应电压递减幅度较大,与孤立物体水平距离大于20 m时,电缆上雷击感应过电压较小,且在2 km处做一次防雷接地,雷电过电压趋于平缓变化趋势。     

广东野外雷电综合观测试验十年进展

雷电野外科学试验是认识雷电发生、发展物理过程及其致灾机理的重要途径,也是开展真实雷电电磁环境下雷电防护技术测试的重要方式。自2006年开始,中国气象科学研究院和广东省气象局在广州野外雷电试验基地,持续合作开展了雷电野外综合观测试验,在人工触发闪电和自然闪电物理过程及其雷电防护技术测试试验等方面取得了若干研究结果。十年期间共成功触发闪电94次,回击电流峰值最大值为42 kA,平均值为16 kA;分析给出了自然闪电预击穿过程电场变化脉冲特征类型和差异;观测发现高建筑物上行连接先导可达几百米甚至超过1 km,其发展速度可达106 m/s量级,下行先导与上行连接先导的连接呈多样性;雷电防护技术测试试验表明人工触发闪电近距离电磁场耦合在架空线路上的感应电压达到千伏量级,多回击、长连续电流和地电位抬升是造成浪涌保护器(SPD)损害的主要因素;闪电定位系统探测性能的评估结果显示粤港澳闪电定位系统的闪电和回击的探测效率分别为96%和89%,定位误差算术平均值为532 m,回击电流强度的估算值约为真实值的0.63倍。     

一次雷击灾害的电磁场分析

运用电磁场理论和传输线方程,分析了一次雷击灾害中雷电电磁场对电源线的感应电流和感应电压的表达式。     

不同地表情况下Cooray-Rubinstein算法的应用及其精度检验

将雷电水平电场Cooray-Rubinstein(C-R)算法推广应用于地表电导率垂直分层的情况,并利用时域有限差分(FDTD)方法对不同地表情况下C-R算法的精度进行检验。结果表明,C-R算法的适用条件为:距离回击通道为100~1 000 m、地表电导率介于0.001~0.01 S/m,最大误差小于10%。当土壤电导率均匀分布时,C-R算法的精度最好;对电导率水平分层的情况,当上层电导率小于下层电导率时,C-R算法的精度较优;当电导率垂直分层时,若观测点处的土壤电导率小于闪击点处的电导率时,C-R算法的计算精度较高,反之,精度较低;对任何光滑有耗地表而言,利用C-R算法计算的首次回击水平电场的精度优于继后回击。     

2006—2011年广州人工触发闪电

2006—2011年夏季在广州野外雷电试验基地开展了广东综合闪电观测试验 (GCOELD)。试验期间,针对人工触发闪电进行了近距离声、光、电、磁特征等综合测量,对自动气象站电源线和信号线上产生的感应电压特征进行了观测和分析,并对广东省地闪定位网的探测效率和定位精度与人工触发闪电进行了比对和校验。试验结果表明:人工触发闪电回击峰值电流范围为-31.93~-6.67 kA,回击电流波形的半峰宽度的范围为6.18~74.19 μs,10%—90%的上升时间范围为0.24~2.25 μs。触发闪电的上行正先导的发展速度在104~105 m/s量级;人工触发闪电的回击过程在架空电源线路 (1200 m长,2 m高) 上产生的感应过电压可达十几千伏;广东电网闪电定位系统对人工触发闪电事件的探测效率为95%,平均定位误差为759 m,闪电定位系统反演得到的电流峰值与实际测量的电流峰值平均相对偏差为16.3%。     

建筑物高度对地闪回击电磁场影响的模拟

基于三维时域有限差分数值算法（3D-FDTD）建立了雷击高建筑物电磁场传播模型,研究了负地闪击中不同高度建筑物时回击垂直电场、角向磁场以及水平电场沿地表的传播规律。模拟结果表明:建筑物的高度对雷电电场峰值的影响显著,如当建筑物高度从100 m增加至600 m时,在距离d=100 m位置的垂直电场峰值减小了63%,水平电场正极性峰值的增加比例为84%、负极性峰值的绝对值增加比例高达130%;观测位置不变时,角向磁场峰值和水平电场正极性峰值均会随着建筑物高度的增加而增大;对于距离d=100 m,300 m时,垂直电场的峰值随着建筑物高度的增加而减小,而d=500 m时,垂直电场峰值随着建筑物高度的增加呈现出先增大后减小的趋势;此外,建筑物高度会影响垂直电场峰值对距离的敏感程度,建筑物越低（高）,相应的垂直电场峰值随着观测距离增大衰减越快（慢）。该文研究结果能够为现代化城市中高建筑物附近线缆、室外设备等的雷电防护方案设计提供参考。     

CHARACTERISTICS ANALYSIS OF THE INDUCED OVERCURRENT GENERATED BY CLOSE TRIGGERED LIGHTNING ON THE OVERHEAD TRANSMISSION POWER

Techniques of artificially-triggered lightning have provided a significantly useful means to directly measure various physical parameters of lightning discharge and to conduct research on protection methods of lightning electromagnetic pulses. In this study, using capacitive and resistive dividers, current probes and optical fiber transmission devices, we measured and analyzed the induced overvoltage on the overhead transmission line and the overcurrent through Surge Protective Devices (SPD) when a lightning discharge was artificially triggered nearby on August 12, 2008 at Conghua Field Lightning Experiment Site. The triggered lightning discharge contained an initial current stage and eight return strokes whose peak currents ranged from 6.6kA to 26.4kA. We found that overcurrents through SPD were induced on the power line both during the initial continuous current stage and the return stroke processes. During the return strokes, the residual voltage and the current through the SPD lasted up to the ms (millisecond) range, and the overcurrents exhibited a mean waveform up to 22/69μs with a peak value of less than 2kA. Based on the observed data, simple calculations show that the corresponding single discharge energy was much greater than the values of the high voltage pulse generators commonly used in the experiments regulated for SPD. The SPD discharge current peak was not synchronous to that of the residual voltage with the former obviously lagging behind the latter. The SPD discharge current peak was well correlated with the triggered lightning current peak and the wave-front current gradient. The long duration of the SPD current is one of the major reasons why the SPD was damaged even with a big nominal discharge current.     

架空线路年平均雷电闪击频数计算方法探析

分析了规范推荐的架空线路年平均雷击次数计算方法,提出方法中存在截收面积与雷击大地密度对应的雷电流幅值不匹配的问题。为解决该问题,文章以某一具体架空线路为例,介绍了针对全部雷电流幅值,应用积分法计算年平均雷击次数的方法,计算结果与规范推荐方法计算结果的比较说明了积分方法的精密性及结果的合理性。具体的分析、计算方法为：基于电气〖CD*2〗几何模型推导出与雷电流幅值有关的架空线路截收闪电宽度的计算公式,并通过对雷电流幅值频率分布规律的多项式拟合确定任意雷电流幅值的雷击大地密度,任一雷电流幅值对应的截收面积及对应的雷击大地密度的乘积即为该雷电流对应的年平均雷击次数,在该区域雷电流幅值的分布范围内对得到的雷击次数进行积分,即可得到考虑雷电流幅值分布特征的架空线路年平均雷击次数计算结果。     

Lightning peak current estimation using a system identification approach

Summary A system identification-based lightning peak current estimation algorithm using upper-air radiosonde observations is developed. The preceding convective and precipitative process leading to thunder cloud formation followed by the cloud electrification and the leader processes together with return stroke and the discharge process, is identified by considering it as a deterministic dynamic system, whose undisturbed and unmeasurable output signal – the lightning peak current, is contaminated with a stochastic disturbance. The model parameters determined thus, are used to predict the likely temporal lightning return stroke peak current magnitudes. Two alternative parametric estimation models namely Autoregressive with Exogeneous Input (ARX) and Autoregressive with Moving-Average Exogeneous Input (ARMAX) are used to estimate model parameters of the pilot study area and predict the likely lightning return stroke peak current in each case. The relative performances of the models are compared to determine the best model for application in 12-hour and 24-hour ahead predictions. For a short-term (12 hour) prediction, ARMAX2921 giving a best fit of 78.8429% turns out to be the most suitable model. For a longer (24 hour) prediction, the ARX291, giving a best fit of 75.0181% emerges to be the suitable model. These preliminary results indicate that lightning peak current may be estimated to a good performance using upper-air radiosonde observations.     

浙江省雷击跳闸数据与闪电定位数据统计分析

利用浙江省电力部门雷击跳闸数据、浙江省气象局闪电定位数据,统计分析了2007—2011年电力雷击跳闸事故与地闪数据之间的时空分布特点、雷击跳闸事故与地闪参数及距离之间的关系。结果表明:电力雷击跳闸事故与地闪数据的日分布和月分布均为单峰结构,相关系数分别为0.9905和0.9881;空间分布虽有一定对应,但并非显著相关;导致110kV、220kV及500kV输电线路雷击跳闸的地闪强度主要集中在90kA以下,并且500kV输电线路雷击跳闸对应的电流强度相对较小;地闪与雷击跳闸事故杆塔距离、地闪与雷击跳闸杆塔对应输电线路的距离均主要集中在2km以下。