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。     

雷击下输电线路上行先导稳定起始的初始流注区域空间电荷判据EI北大核心CSCD

雷电作用下准确判断线路上行先导的稳定起始时刻显著影响线路雷电屏蔽性能分析的准确性,而如何确定合理的判据是研究重点。该文依据导线正极性上行先导发展数值模型,通过计算不同条件下的导线上行先导发展过程,提出正极性上行先导的初始流注区域临界空间电荷判据。研究表明,导线出现稳定的上行先导时,初始流注区域的空间电荷量存在一临界值,该临界值仅受导线半径的影响,与导线高度、运行电压及雷电参数无关。与已有的上行先导起始判据相比,以此临界值作为稳定起始时刻判据可以更好地解释空间电荷对上行先导的屏蔽作用随导线半径增大而减弱的现象,并进一步探讨该判据与海拔高度的关系,可为输电线路雷电屏蔽性能的分析提供参考。     

雷云下空间电荷对直流输电线路上行先导起始特性的影响

以往在分析直流输电线路上行先导的起始过程时,一般只考虑了雷云、下行先导以及直流运行电压对输电线路附近电场的影响,而未充分考虑输电线路周围早已存在的空间电荷对原来电场所带来的畸变。为此,对上行先导起始前的一系列放电过程进行了研究,包括雷云所导致的地表空间电荷层、直流运行电压所引起的离子流电荷层等,并比较了这些过程对上行先导起始特性的影响。分析发现,上行先导起始前线路周围空间电荷的分布主要决定于运行电压及雷云,2者在输电线路周围所产生的空间电荷密度可超过10 nC/m3;相对来说,因雷云所导致的空间电荷层的电荷密度只有约1 nC/m3,故雷云对上行先导起始的影响可以忽略不计;另外,因下行先导只有在发展至较低高度时,才能产生与运行电压、雷云相当的影响,故下行先导对空间电荷分布的作用甚微。基于上述分析,建立了考虑离子流影响后的上行先导起始模型,并对实际的上行先导起始过程进行了仿真。与传统模型比较发现,考虑离子流影响后,下行先导必须发展至更低的高度才能使导线周围电场强度满足上行先导起始条件,导致上行先导的起始时间延后,这说明了直流输电线路的离子流有碍上行先导的起始。     

基于先导发展模型的输电线路绕击跳闸率计算

雷电绕击是影响电力系统安全稳定运行的关键因素之一,现有输电线路雷电绕击分析模型对先导起始和发展过程的描述较为简化。为此,根据正极性上行先导起始和发展机理,提出了用于单根导线和分裂导线的上行先导起始判据,并提出了1种考虑背景电位变化贡献的流注空间电荷计算方法,在此基础上建立了绕击跳闸率计算模型和自适应算法,最后对我国典型的500 kV线路的绕击特性开展了仿真研究。计算结果表明,低电压等级时该模型得到的先导起始时刻与Rizk判据和临界半径判据基本一致,500 kV输电线路绕击跳闸率平原地区为0.012次/(100 km·a),山地地区为0.211次/(100 km·a),与我国运行经验相符。绕击跳闸率自适应算法与原有方法相比,在同样精度下所需计算时间更短。     

改进先导传播模型法500 kV架空线路雷电绕击分析

用先导传播模型法(leader progression model,LPM)分析架空输电线路的防雷特性的关键在于主要模型参数、先导起始和拦截判据的确定。参考国际上对长间隙放电研究的成果,考察LPM中参数和判据的适用性,提出对LPM的判据改进。并且考虑雷云的背景静电场和线路运行电压的影响,建立改进的先导模型法。经改进的LPM应用于平原和山区地形条件下的500 kV架空线雷电绕击分析计算。改进前后的计算结果与运行经验数据的对比分析表明,该改进先导模型法的计算结果与我国500 kV架空线路的运行经验数据相吻合。     

风机叶片雷击上行先导的起始物理机制与临界长度判据

作为风机叶片防雷研究过程中的关键物理问题,关于叶片上行先导起始机制及其判据的研究尚待深入。该文利用线电荷和头部点电荷的等效模型模拟雷电下行先导电荷分布,考虑到叶片附近空间电荷的运动、扩散与中和现象,计算了叶片表面电荷密度曲线,发现正电荷集中分布在叶片尖端。利用有限元仿真软件COMSOL计算发现,在雷电下行先导通道内电荷与叶片表面电荷的共同影响下,叶片尖端附近电位发生明显的畸变。基于叶片上行先导发展过程的简化模型,提出了临界长度判据:在叶片尖端上部存在空间背景电势大于流注区域电势的区域,当该区域长度大于临界长度时,稳定连续的上行先导起始。雷电参数(雷电流幅值,下行先导侧面距离等)和风机叶片参数(叶片长度,接闪器半径等)对临界长度无影响;临界长度随空气相对密度、湿度的增加而减小,随海拔的增加而增大。仿真结果与长间隙放电观测数据相符合,验证了该判据的有效性。     

正极性操作冲击下棒–棒间隙先导发展试验与仿真研究

先导发展是正极性棒–棒长间隙放电中影响其击穿特性的最主要过程,为了更加准确的研究并获得先导发展特性,基于两台CMOS高速摄相机,通过搭建棒–棒长间隙放电综合观测平台,开展了不同尺度下放电试验,获得了比传统方法更加清晰的先导发展过程图谱。然后作为进一步的对比研究,建立了考虑上、下棒电极电场畸变作用对先导发展影响的仿真模型,利用试验结果验证了该模型的准确性,并运用所提出的仿真模型对先导发展过程进行了仿真。试验和仿真结果表明,负极性上行先导在先导跃变阶段才会起始并朝正极性下行先导方向发展,两者的发展速度几乎相等并随着距离接近发展越快,负极性上行先导发展长度几乎等于跃变距离的一半。     

雷电下直流运行电压对输电线路上行先导起始与发展特性的影响

在分析上行先导发展过程时,许多仿真模型虽在一定程度上考虑了直流运行电压的影响,但其依据主要由棒-板间隙下的试验结果、热力学及电磁学间接外推所得,其适用性并未得到验证。为此,在昆明国家特高压试验基地,就直流运行电压对输电线路上行先导起始与发展特性的影响展开了试验研究。经过仿真分析,设计并采用7m的板棒-导线间隙,并对该间隙施加最高达4MV的200/2 000μs负极性冲击电压,对导线施加最高达800kV的正极性直流运行电压,以此模拟了雷电下的上行先导起始与发展情况。采用最高拍摄速度为1 000 000帧/s的高速摄像机对放电过程的形态进行了观测,同时利用频率响应范围为0～6.5MHz的同轴分流器进行了电流测量。通过数百次试验发现,当线路上施加500kV正极性直流运行电压时,上行先导起始时间提前了21μs,平均发展速度增加了0.3cm/μs,这一结果说明,负极性雷电下较高的正极性直流运行电压有助于导线上行先导的发展。最后,进行了输电线路模拟试验,试验结果说明,负极性雷电下正极性直流运行电压能使导线上行先导的起始时间提前,甚至早于地线;同时正极性直流运行电压也会使导线上行先导的发展速度增加,从而使它对下行先导的截击概率增大,增加了线路绕击的可能性。     

先导放电发展模型的研究

推导了先导起始的能量判据。利用流注发展的计算结果，修正了Ｈｕｔｚｌｅｒ模型中的经验输入值，修改了Ｈｕｔｚｌｅｒ模型中关于先导弯曲方向角计算的概率密度公式，并实现了先导弯曲发展的计算，用所推出的先导发展模型，计算了长空气间隙的５０％问给电压和Ｕ形曲线，计算结果与实验数据是相符的。     

基于可控主导节点的电压分区及电压校正的研究

在实际电网中,传统的电压分区往往会使区域中的主导节点电压处于不可控的状态.针对这种情况,文章提出了基于可控主导节点的电压分区及电压校正方法:在电压分区中,将区域划分和主导节点的可控能力相结合,并在电压分区中采用可控主导节点和区域划分间的递归迭代,以行政划分作为迭代初始值,提高了区域划分的计算速度和分区的准确性;在电压校正中,考虑了区域联络线节点的电压变化,并以此作为反馈添加到传统的二级电压控制中.文中的电压分区及电压校正方法在福建电网自动电压控制中的应用效果证明了其正确性、可靠性及实用性.     

含分布式电源配电网保护方案

分布式电源（DG）接入配电网会对传统的配电线路电流保护产生影响,可能导致保护不正确动作。针对这一问题,文中提出一种新的保护方案,对传统的配电线路保护配置进行了改进。该保护方案根据DG接入点的位置,对被保护馈线进行了分区,在DG的上游区域配置了方向纵联保护,而整条馈线则保留了过电流保护。为了能方便整定工作以及更快地切除故障,根据DG接入位置的不同,馈线的过电流保护分别采用定时限或反时限形式。采用该保护方案后,无论DG的输出功率如何变化,故障都能被可靠切除。最后,对一个10 kV配电系统进行了仿真,验证了保护方案的有效性。     

一种改进的纵联零序方向保护方案

相较于单回线,同塔双回和多回输电线路发生故障时零序特征更为复杂多变,导致传统的纵联零序方向保护误动或拒动频发。首先从灵敏度、弱电强磁和跨线故障三个方面分析了传统纵联零序方向保护的性能,指出其中存在的问题。然后,提出了一套新型的纵联零序方向保护方案:通过零序方向电压补偿算法提升零序方向元件在高阻故障下的灵敏度,通过零序综合方向元件消除零序互感的影响,构造了跨线故障识别逻辑。最后,通过三个现场实例分析,验证了该算法的有效性。     

下游坝面浅槽式压力管道施工仿真研究

本文以三峡水电站下游坝面浅槽式钢衬钢筋混凝土压力管道为研究对象，通过混凝土施工仿真计算的方法，重点研究了管道与坝体的相互作用。管道施工期温度场与应力场、管道在充水受荷前的初始温度与应力状态以及管道施工方案的优化等四个问题。结果表明，后浇筑管道与大坝接缝面会出现较大的拉应力，同时会使大坝迎水面竖向压力不断减小；管道在施工期将出现环向及轴向拉应力，尤以斜直段表现最为明显；管道在充水受荷前存在不可忽视的初始状态，不同部位的初始温度与应力状态不同，在设计时应分别参考使用，根据温度场与应力场的计算结果，提出了一种较优的施工计划，以使管道在施工期以及受荷前处于较佳的初始状态。     

基于仿真软件对金属导体尖端放电阈值的研究

针对目前国内外对闪电始发阈值的研究较少的情况,利用实际实验冲击平台、ANSOFT Maxwell电磁仿真软件以及金属尖端电场分布模型,主要研究了先导始发的阈值电压以及阈值电场大小随金属棒之间垂直距离变化情况.研究表明:先导始发的阈值电压以及阈值电场与金属尖端之间的垂直距离存在显著性的相关性关系,下针金属棒放电电场阈值与两针间的垂直距离是负相关的,而上针恰好与下针的金属棒放电的电场阈值变化趋势相反,但上下两针的放电电压阈值与两针间的垂直距离均是正相关的.     

复杂环境中海底电缆温度场及载流量模型研究

载流量是海底电缆运行调度的重要参数,受最高允许工作温度所制约,建立考虑复杂海洋环境中洋流影响的海底电缆温度场及载流量模型具有重要意义。针对传统解析法计算复杂、仅适用于特定敷设环境等问题,根据电 热 流多场耦合理论,基于有限元分析技术分别建立了埋设和铺设两种敷设方式下的高压三芯交联聚乙烯(XLPE)海底电缆温度场及载流量分析模型,并研究了洋流流速及温度对海缆载流量的影响。研究结果表明,所建模型与传统解析法相对误差在5%以内;相同环境因素下,铺设海缆稳态载流量比埋设高出200~330 A不等,且两者变化率在低流速时更灵敏,但不受洋流温度所影响;此外,短时应急载流量允许运行时间与其大小及初始缆芯温度成反比关系。     

直流输电线路下方建筑物附近离子流场的计算

直流输电线路下方建筑物附近电场分布复杂,基于Deutsch假设计算建筑物附近的离子流场在理论上会造成较大的误差,同时无法考虑风速的影响。基于上流有限元方法计算直流模拟试验线路下方房屋模型附近的离子流场,采用新型的迭代收敛控制技术,保证了迭代收敛过程的稳定性。计算结果与试验数据进行对比,得到了很好的验证。结果表明上流有限元方法适用于直流线路下方建筑物附近离子流场的计算。考虑风速的影响,计算建筑物附近离子流场,发现风速对建筑物附近合成场强以及离子流密度的影响很大,因此在计算直流输电线路下方建筑物附近电磁环境时,必须考虑风速对离子流场的影响。     

直流输电线路三维合成电场计算的有限元方法

详细计算直流输电线路下方人员活动及线下存在建筑物的合成电场分布时,迫切需要进行三维离子流场计算.提出一种可计算双极三维离子流场的数值计算方法--三维上流有限元法.该方法首先应用于同轴圆柱、同心球壳的离子流场算例,计算结果与解析解吻合得很好.然后将其应用于直流输电线下存在建筑物情况下的合成电场计算,模拟实验结果证明了算法...     

输电线路功率型行波纵联保护新方法

为提高纵联保护的灵敏性与可靠性,提出一种行波功率型的纵联保护新算法。该算法利用彼得逊等值模型,分析线路区内、区外故障时的初始行波分布特征,给出了初始行波无功功率定义。基于S变换提取单频率的初始电压、电流行波,计算出初始行波无功功率,根据线路两端的初始行波无功功率幅值之比构成保护判据。当被保护线路区外故障时,线路近故障点端几乎测量不到初始行波无功功率,而远故障点端测量到的初始行波无功功率数值较大;被保护线路内部故障时,线路两端均存在较大的初始行波无功功率。根据线路两端测量的初始行波无功功率相对大小关系,能够明显地区分出线路内外部故障。理论分析和PSCAD/EMTDC仿真结果表明,该保护性能可靠性高、动作速度快、动作门槛值整定简单、计算量小;在小故障初始角下仍能准确识别区内外故障,且不受故障类型、故障位置、过渡电阻和母线结构等因素影响。     

基于高频阻抗曲线匹配的混合直流输电线路纵联保护

混合直流输电具有电压等级高、输送容量大的优点,解决了传统直流受端的换相失败问题.然而,传统直流输电纵联保护依赖送受端拓扑对称下滤波器产生的故障特征,且受分布电容影响大,混合直流输电系统中受端不存在滤波器,因此传统直流输电纵联保护不能直接应用于混合直流输电系统.文中针对这一问题,提出了不依赖于滤波器产生故障特征、不受分布电容影响的纵联保护.通过分析行波的折反射,得到保护在线路正反方向故障时高频测量阻抗的差异,利用波形匹配算法识别故障方向并构造保护判据.该方法利用短窗提取行波高频阻抗特征,并利用分布式电容高频特征构成差异,解决了线路分布电容影响,同时提升了保护动作速度.以实际工程为例,搭建了两端混合直流输电系统模型进行仿真,仿真结果证明该方法能快速、灵敏、可靠地实现区内外故障判别,且具有较好的耐受过渡电阻能力.