考虑冲击电晕的多导体传输线建模关键问题研究与雷电过电压计算

摘要

雷击事故是造成电力系统供电中断的一个重要原因，本文结合国家自然科学基金项目“含有大规模多导体系统的电磁瞬态问题时域快速仿真技术的研究”（51407073），对考虑冲击电晕的多导体传输线雷电过电压问题进行了研究。主要研究成果如下： 1. 提出了一种 Cooray-Rubinstein（C-R）公式的时域快速计算方法，用于计算有损大地上方雷电感应水平电场。该方法基于第一类修正Bessel函数的积分形式，实现了大地表面阻抗积分核函数的指数函数拟合，结合递归卷积，可实现有损大地上方雷电感应水平电场的高效求解。相比于矢量匹配方法，该方法完全基于大地表面阻抗的解析公式，弥补了矢量匹配因频谱截断而引入不确定误差的不足，且具有时域拟合误差人为可控的优点。此外，本文采用新的C-R公式的时域快速计算方法计算了不同大地电导率和不同距离处的雷电通道水平电场，通过与精确 Sommerfeld 积分方法的结果进行对比，得到了 C-R 公式的适用范围。 2. 基于电晕套模型，结合多导体传输线电报方程，建立了考虑冲击电晕的多导体传输线的非线性改进电报方程。基于加权余量法，推导了求解考虑冲击电晕的多导体传输线瞬态响应的时域有限元法，并通过现有文献的实验算例验证了所建模型的正确性。 3. 结合 Agrawal 场线耦合模型，提出了一种改进的考虑冲击电晕的Agrawal 场线耦合模型，基于该模型，对考虑冲击电晕效应的三相架空配电线路系统的感应雷过电压进行了计算、分析与讨论。此外，本文通过分析指出了部分现有文献在计算雷电感应过电压时沿用全电压作为起晕判据的不当之处，分析了直击雷和感应雷引起导线周围冲击电晕的不同机理，得出了采用散射电场作为起晕判据的结论。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 雷电通道周围电磁场的计算

1.2.2 冲击电晕模型

1.2.3 考虑冲击电晕架空线雷电过电压研究

1.3 本文研究内容

第2章 雷电通道周围电磁场时域快速计算方法研究

2.1 雷电模型

2.1.1 雷电回击通道基电流波形

2.1.2 雷电回击模型

2.1.3 本文选取的雷电模型

2.2.1 自由空间单电偶极子的电磁场

2.2.2 理想大地平面上电偶极子的电磁场

2.2.3 理想大地平面上雷电通道周围电磁场

2.3 有损大地上方雷电通道周围水平电场计算

2.3.1 一种改进的基于C-R公式水平电场时域快速计算方法

2.3.2 基于Sommerfeld型积分的水平电场求解

2.4 算例验证

2.4.1 C-R公式时域计算验证

2.4.2 C-R公式的适用范围的探讨

2.5 本章小结

第3章 考虑冲击电晕的多导体传输线建模

3.1 多导体传输线时域有限元法

3.1.1 多导体传输线的电报方程

3.1.2 时域单元有限元方程

3.1.3 时域整体有限元方程

3.2 冲击电晕模型

3.3 考虑冲击电晕的多导体传输线的时域有限元法

3.3.1 考虑冲击电晕的修正电报方程

3.3.2 单位长度电容、电导和阻抗矩阵计算

3.3.3 考虑冲击电晕的修正电报方程求解

3.4 算例验证

3.5 本章小结

第4章 考虑冲击电晕架空线路感应雷过电压计算

4.1 考虑冲击电晕架空线路感应雷过电压计算模型

4.1.1 Agrawal场线耦合模型

4.1.2 考虑冲击电晕的Agrawal场线耦合模型

4.1.3 考虑冲击电晕的Agrawal场线耦合模型求解

4.2 考虑冲击电晕感应雷过电压计算

4.2.1 架空线沿线水平电场的计算

4.2.2 不同参数下感应雷过电压计算

4.2.3 感应雷情况下冲击电晕套起晕临界条件的探讨

4.3 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况

参考文献

致谢