连绵起伏山体对雷电电磁信号的影响研究

连绵起伏的山体地形会对雷电电磁信号的强度和传播时间产生影响,进而影响到时间到达(time-of-arrival,TOA)雷电定位技术的准确性.本研究基于二维时域有限差分(two-dimen-sional finite-difference time-domain,2D FDTD)算法,对地闪回击电磁场在连绵山体地形的传播特征进行数值模拟,结果表明:1)连绵起伏山体的屏蔽作用和传播衰减对雷电信号强度的影响不可忽略.观测点附高山的静电屏蔽会引起垂直电场的显著削减.山体高度每增加500 m,山体传播衰减导致雷电信号的幅值平均下降约10％,不同观测点位置的衰减程度存在一定差异.2)连绵起伏的山体同时还会引起回击电磁场波形传播时间的变化.通过不同方法计算得到的到达时间结果存在较大差异,其中10％峰值、20％峰值以及最大导数点切线方法得到的结果相对接近.3)在2种路径延长的等效方法中,包络等效与上述3种计算方法得到的到达时间有很好的一致性,地表等效在山体较高时会对到达时间产生过高的估计.     

计及建筑物不同位置、高度对雷电回击电磁场的影响及对配网运维重要性研究

由于建筑物的内部和周围有着很多敏感的电气(配网)、电子设备和线缆等,极易遭受感应雷击而损坏,危及人们的生命和财产安全,所以研究建筑物周围电磁场分布情况相当重要。因此,利用闪电回击通道工程模型和通道底部基电流模型,在计算模型中引入建筑物因子,采用时域有限差分算法对二维柱坐标下的雷电电磁场进行了计算,研究在不同地点处建筑物以及不同高度建筑物对回击电磁场分布的影响。研究表明,建筑物对附近空间的电场和磁场都会产生一定的影响,且电场受到的影响要大于磁场。同时,在建筑物远离闪电回击通道的一侧,电场的数值会产生大幅度衰减,说明建筑物对于电场的传播有很强的阻挡、衰减作用。随着建筑物高度的增加,衰减作用也不断增强,电场幅值也持续降低。     

基于时域差分法的雷击回击通道周围空间电磁场研究

由于雷击回击过程发生了强烈的电荷中和,会在周围空间形成强烈的电磁脉冲,对各种电气设备产生干扰。为此,对回击通道周围的电磁场进行模拟,提出了基于时域有限差分法的电磁场数值计算方法。雷电流模型采用双指数函数与Heidler函数组合的函数模型,回击通道采用改进型的DU模型。将模拟的结果与已有文献的结果进行比较,得出时域有限差分法在模拟雷击回击通道周围电磁场上具有一定有效性。模拟结果表明:雷电回击通道周围空间的电磁场受到回击速度、大地相对介电常数、大地电导率等因素的影响。电场的初始峰值随回击速度的增加而减小,磁场随回击速度的增大变化不大,只是略微有所上升;电场随着大地相对介电常数的增加而增加,波形变越来越陡峭;电场的初始峰值随着电导率的减小而增大,波形上升变的越来越陡峭,这些模拟结果与实测雷电电磁场变化是一致的。     

一种适用于二维分形粗糙地表的雷电水平场计算的新算法

由雷电引起的浪涌电压和电流是造成电子设备失效甚至损坏的主要因素。雷电辐射电磁场的水平电场分量在雷电瞬态过电压的研究计算中占据重要位置,然而目前针对雷电辐射水平电场的近似算法均是将地表假设成光滑地表,但现实中的地表常常存在高低起伏的特征。针对上述问题,基于Cooray-Rubinstein算法(简称C-R算法)提出了一种适用于二维分形粗糙地表的雷电水平场计算的新算法,并利用三维时域有限差分方法对其适用范围和精度进行了检验。结果表明:相比于光滑地表,粗糙地表对雷电水平电场的衰减不容忽视,尤其在回击开始的几个微秒范围内,水平电场的幅值会出现明显的衰减;当高度均方根δ=5 m时,水平电场的幅值可衰减到原来的一半;当地面电导率的变化范围从0.1 S/m到0.01 S/m时,新算法的结果与三维时域有限差分方法的结果相比具有较好的适用精度,且节约了运算时间和计算成本,更利于推广到雷电定位技术和架空配电线路的雷电防护工程计算中。     

城市建筑物(群)对雷电电磁环境与耦合电压的影响研究

以Agrawal耦合模型为基础,利用二维时域有限差分方法,研究了城市建筑物对理想地面架空线附近的雷电电磁环境和架空线上感应出的耦合电压的影响,并分析了建筑物位置、建筑物高度以及回击电流参数等因素对电磁环境及耦合电压的影响差异。结果表明:建筑物的存在削弱了架空线附近的垂直电场,当建筑物分别位于架空线两侧时,水平电场方向相反;建筑物高度的增加对架空线附近的水平电场波形影响不大,当建筑物高度或者建筑物与闪电通道距离增大时,垂直电场均减小;对于15 m高的建筑物,当它与闪电通道分别位于架空线路同侧及异侧时,在继后回击下相比建筑物不存在时的耦合电压之比分别为46.1%和61.3%,在首次回击下的比值分别为47.0%和56.1%,建筑物对架空线路上的耦合电压产生较大的衰减;无论建筑物位于架空线的哪一侧,建筑物高度越高,距离架空线越近,衰减作用越明显。     

地闪回击电场波形参数分析及类型自动识别程序设计

针对正负地闪准确区分识别技术手段较难的缺陷,对闪电电场的波形进行了分析,对地闪回击波形的参数特征进行了分析和统计,并研究闪电放电类型的自动识别。利用时间分辨率为50 ns的快天线电场变化和126 MHz甚高频(VHF)辐射资料,对雷暴过程中闪电的波形进行时域特征分析。通过对闪电电场波形数据的分析,给出了识别地闪回击的依据,设定回击的上升时间在1~20μs之间,下降时间在2.5~500μs之间,编写程序实现回击的自动识别,并进行了实际测试。结果表明,自动识别程序对负地闪回击的识别效率可达95%,实现了较为有效的自动识别,对于雷电探测和雷电防护工作来说有很大的实用价值。     

加速电荷电磁场求解闪电通道辐射场

运用加速运动电荷辐射电磁场原理对闪电回击通道辐射电磁场分析计算。依据闪电回击通道中电流幅度随着高度衰减特征,将模型等效为两部分运动电荷,即通道基底电荷加速运动至回击速度和通道沿线电荷从回击速度减速运动。根据不同运动特征分别求得各自电荷辐射场,两者之间即为闪电通道辐射场。文中讨论了雷电回击辐射场随观测距离、观测高度以及回击速度的变化情况。结果表明,总场与观测距离及观测高度呈负相关,与回击速度呈正相关。本方法避免了电流积分和微分的运算,也有助于理解雷电电磁辐射物理机制。     

回击电流速度变化对沿雷电通道回击 电流的影响研究

当高层建筑结构遭遇直击雷时,其电气设备可能会遭到破坏,这是因为回击电流产生了雷电电磁场(LEMF),而电磁场又在电气设备上感生出了感应电动势(LIV)。回击电流速度参数的变化会影响雷电通道内回击电流的幅值,因此回击速度改变对回击电流的影响在本文有详细介绍和分析。而本文测量研究发现:沿着通道的峰值电流的变化是取决于回击电流速度(RSV)变化,RSV波形以及在前100 m通道高度平均值,于是评估雷电电磁场和感应电压时都应该考虑这些因素。在评估感应电压和系统保护时,应考虑电流峰值的变化。     

雷击锥形山体对近距离电磁场影响的模拟研究

为研究雷击锥形山体对近距离电磁场的影响,提出了一种二维时域有限差分(FDTD)共形网格算法。利用该算法对锥形山体进行精确模拟,并具体讨论了不同山体倾角情况下回击电磁场的传输特性。相比于平坦地表(倾角为0°),雷击锥形山体时水平电场幅值随山体倾角增加而增大,当达到45°后,继续增加倾角对幅值影响较小,如土壤电导率为0. 001 S/m时,45°倾角对应的幅值为0°倾角的2. 30倍,60°倾角对应的幅值为2. 31倍;垂直电场和水平磁场幅值均随倾角增加持续显著地增大,如30°、45°和60°倾角对应的水平磁场幅值分别为0°倾角的1. 39、1. 62和1. 78倍。通过进一步分析雷电回击电磁场的时空演变情况,发现这是由于其在山体和平地之间的过渡处产生反射造成的,且倾角越大,反射越强,相应的幅值也越大。另外,锥形山体附近的垂直电场(主要是静电场分量)因山体的静电屏蔽效应而明显小于周围区域。     

架空配电线路感应过电压计算方法适用性研究

针对现有雷电感应过电压数值计算模型工程适用性不强的问题,分析了雷电感应过电压产生的物理过程,基于时变电磁场理论提出了架空线路雷电回击入射场与感应场的电磁耦合关系,推导得出了架空线路雷电感应过电压时域波形的解析计算模型。计算分析了雷电流幅值、回击速度、雷电流波形对架空配电线路感应雷过电压时域波形的影响规律,结果表明:随着回击放电速度的增加,相同条件下感应过电压幅值有所降低且波头时间增加,当回击电流波前时间增加时,感应过电压幅值也显著降低。该模型解决了传统规程法忽略电磁分量且无法分析工程约束条件对感应过电压波形影响的问题。     

500～800km范围雷电流强度与磁场幅值的 相关性研究

为了能够通过雷电辐射场信号反演闪电强度,利用500～800 km范围的VLF磁场数据和定位资料,分析了远距离磁场数据的波形特征,并对雷电流强度与磁场幅值的相关性进行了研究。将磁场数据按照距离衰减规律归一化至650 km后,结果表明:远距离雷电流强度与磁场幅值之间基本满足线性关系;对于地波,需要考虑地球曲率引起的衰减;一次天波同时受电离层特性和地磁场的影响,会表现出方向上的差异性。另外,拟合结果的准确性还一定程度上取决于数据本身的分布情况,地波数据更加集中,所以结果也更加可靠。     

基于低频磁天线雷电监测电路的设计及应用

针对甚低频磁天线在闪电定位网中应用的问题,介绍了甚低频磁天线的电路设计和标定方法,通过对磁场变化测量的理论分析,设计了合理的实验。利用冲击平台模拟自然闪电发生时产生的磁场变化,来检测甚低频磁天线工作的准确性和稳定性。采用自主研制的磁天线对南京地区产生的一次雷暴过程进行测量。得出:在南京地区2016年8月2日观测到的1004次回击波形中,其中上升沿持续时间在1～10μs,大部分主要集中在1～4μs(72.2%)之间,连续电流的平均持续时间为3.35μs;将反演运算得到的波形与实测波形、定位结果与江苏省闪电定位系统的结果分别进行对比,验证了所提方案的可行性和技术上的先进性,这对甚低频磁天线在实际应用中具有一定的指导意义。     

实测雷电流波形反演雷电特征参数的研究

安装在500kV运行线路上的雷电流全波形在线监测装置,获得了一次击于输电线路上的有效雷电流波形。对比于雷电定位系统的查询结果,该有效波形在时间、空间、幅值上与之基本一致。通过MATLAB软件处理采集到的有效波形,并与雷电定位系统数据对比。借助电磁暂态仿真程序PSCAD,对雷击位置、雷电流幅值及波形特征进行反演,得到了有关雷电流的特征参数,如雷电流峰值、波前时间、半波时间等,从而实现了雷击位置的定位与雷电流的复现,并为雷电流仿真模型的修正提供了基础数据。     

标准衰减振荡波下压敏电阻能量配合研究

为了有效利用压敏电阻对真实雷电过电压进行防护,需要对标准衰减振荡波下压敏电阻能量配合进行研究。利用EMTP软件搭建0.5μs-100 k Hz标准振荡波发生电路,采用IEEE压敏电阻模型进行仿真冲击。分析前后级压敏电阻采用高低配合与低高配合方式的防护效果。最后讨论不同前后级压敏电阻连接导线长度对分流和能量吸收的影响。分析结果表明:压敏电阻残压随着充电电压的增加而增大,低高配合方式下,前级压敏电阻承受了绝大部分雷电流和能量,配合效果不如高低配合方式。前后级连接导线长度增加时,流过前级和后级的电流峰值均降低,但前级吸收能量增加,后级吸收能量降低。标准衰减振荡波作用下,压敏电阻前后级采用高低配合方式较为理想。     

多脉冲下架空线缆耦合雷电电磁波特性分析

传输线缆在电力输送和信号传输领域中扮演着十分重要的角色,传输线耦合雷电电磁波产生的过电压、电流对整个传输线系统产生很大的影响。本文通过建立架空线缆、闪电通道一体化模型。利用模拟8/20μs单脉冲雷电流及多脉冲雷电流进行试验,得出结论如下:架空线缆耦合电压波形以阻尼振荡波形式衰减;耦合电压幅值整体随冲击电流的增大而增大,多脉冲条件下耦合电压幅值与冲击电流峰值不是对应的比例关系;单脉冲冲击下,耦合的能量随冲击电流峰值以指数形式增加,多脉冲冲击下,耦合的能量整体随冲击电流峰值的增加而增加,但是当耦合电压出现重叠、互连现象时,其会在几微秒内耦合到大量的能量,从而出现低雷电流高能量的现象。试验所得结果对架空导线在实际的防雷保护中有一定的参考意义。     

风机塔筒内部感应电压与感应电流计算研究

风机塔筒上的不完整结构会使雷击电磁脉冲耦合进入塔筒内部,在线路上引起过高的感应电压和感应电流,从而造成内部设备的损坏。对实测的雷电流波形进行函数化表达,选择MTLE模型作为雷电通道回击模型。对塔筒内的电磁场分布进行分析,结合线路的布置情况对感应电压与感应电流进行计算。计算得到感应电压峰值约800 V,感应电流峰值约380 A,将计算结果与实测值进行对比分析,发现计算结果和实测值很相近,波形也极为相似,该计算方法具有一定的可取性。最后分析雷击点与风机之间距离发生改变时,感应电压的变化情况,从而对风机的雷电防护方案提供一定的依据。     

不同波形雷电过电压对油纸绝缘击穿特性的研究

雷电过电压的冲击会对电力变压器的内绝缘产生累积效应,并最终导致其绝缘的击穿。本文基于变电站侵入的实际雷电过电压波形,采用代表性的双极性振荡衰减波与标准雷电波进行对比研究,从波形、振荡频率、半峰值时间等角度研究了不同波形雷电过电压对油纸绝缘的击穿特性的影响。研究发现,双极性振荡衰减波作用下油纸绝缘的50%击穿电压均比标准雷电波作用下高10%到40%;对于双极振荡衰减波,当振荡频率相同时,半峰值时间越短,其击穿电压越高;对于频率较低的双极振荡衰减波,当半峰值时间相同时,振荡频率越高,击穿电压越低;对于频率高的双极振荡衰减波,当半峰值时间相同时,振荡频率越高,击穿电压越高,且其趋势均呈现直线变化规律。以上分析均为变压器的绝缘配合设计提供可靠依据,对降低绝缘成本、提高供电的安全可靠性具有指导意义。     

风机塔筒的雷电电磁场屏蔽效能分析

风机附近发生雷电放电时,产生的雷电电磁场会对塔筒内部线缆和电子器件产生干扰甚至产生破坏。本文利用Heidler电流函数模型和TL回击通道传输模型,计算雷电通道周围的电磁场分布。将风机塔筒等效为圆筒形屏蔽体,在材质厚度确定的情况下计算塔筒的屏蔽系数。分析结果表明:雷电电磁场强度随雷击点距离的增加而减小。塔筒厚度越大,屏蔽效果越好。风机塔筒对100 k Hz以下的低频段能量具有明显的衰减作用。对于实际塔筒结构存在的孔缝造成的电磁泄漏,需要采取相应防护措施,增强塔筒的屏蔽效果。     

土壤电导率分层对地闪回击水平电场时空分布规律的影响

地闪回击产生的水平电场是架空输电线路产生雷电感应过电压的主要原因,目前国内很多学者对电磁场时间变化规律进行了分析,但是针对电磁场空间分布特征还没有过多的研究。采用了二维时域有限差分法(2D FDTD),研究土壤电导率水平分层情况下地闪回击水平电场时空分布特征。结果表明:1)在均匀有耗大地情况下,水平电场分布从回击通道开始以光的传播速度沿近似半球面向远处传播时,随着时间的增加,水平电场的分布也相应增加。在近地面处,水平电场极性与周围其他空间处的水平电场相反,且随着传播距离的增大,该区域范围也在扩大。相比于均匀有耗大地的情况,理想大地情况下水平电场传播显得比较简单;2)土壤分层情况下的水平电场也出现了水平电场极性反转的现象。当上层土壤电导率大于下层时(Case1),其极性反转区域随传播距离整个极性反转区域形状呈现出上升沿较陡、下降沿较缓的特征。     

内蒙古自治区真实地形和地球曲率对闪电定位影响

利用二维球坐标时域有限差分算法FDTD(Finite Difference Time Domain),首先研究了内蒙古自治区真实地形和地球曲率对地闪回击电磁场传播的影响,然后结合真实地形和地球曲率情况下波形结果,进一步分析了测站数量和布局及脉冲到达时间定义方法对定位精度的影响.结果显示:1)各站本身,相对不考虑曲率的光...