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《武汉大学》 2004年
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感应雷电磁干扰及其防护研究

文武  
【摘要】:电力系统的输电及配电线路大部分裸露在空中,因而最易遭受雷击,并造成供电中断、供用电设备损坏等事故。对于传统的电力系统和用电设备来说,直击雷的危害远大于感应雷,因此,长期以来对雷电的研究主要集中在直击雷上,对感应雷的研究相对较少。对于110kV及以上的高压输电线路而言,直击雷过电压对线路绝缘的威胁最为严重,但直击雷只占雷击率的10%。而对于低压配电系统来说,由于绝缘水平较低,感应雷过电压引起的故障率超过了90%。此外,随着电网自动化水平的提高,越来越多的变电站利用电子设备进行数据采集、系统控制及通讯,这些设备的信号电压一般很低,对各种电磁干扰均很敏感。感应雷可通过多种途经干扰电子设备,它不仅可以通过与电源线或信号线耦合,由传导的方式;还可以直接以电场、磁场耦合或电磁辐射的方式干扰或损坏电子设备。因而,对感应雷电磁干扰的研究具有十分重要意义。 雷电分为云云雷电和云地雷电,其中对电力系统和电气、电子设备危害最大的是云地雷电。根据先导发展的方向和所带电荷的极性,云地雷电可分为向下负雷电、向上负雷电、向下正雷电和向上正雷电四种,其中,向下负雷电是最普遍的云地雷电,占全球云地雷电的90%以上。一次雷电过程一般发生多次回击,其中第一回击(即主放电)危害最大。由此,本文主要研究向下负雷电第一回击的电磁干扰问题。 感应雷的电磁干扰是极其复杂的,本文的研究主要集中在两个方面:其一,研究架空线的感应雷过电压及其沿配电网的传播特性;其二,研究建筑物钢筋结构及三维连续屏蔽体对感应雷电磁场的屏蔽效能。通过研究提出感应雷电磁防护的措施。具体内容可分为四个部分: 第一部分(含第一、第二章)通过对各种雷电模型的分析对比,选定了“改进的传输线型”雷电模型作为计算空间电磁场分布的雷电通道数学模型。由于雷电的随机性和复杂性,没有一幅相同的雷电电流波形,建立一个统一的数学模型是不可能的。向下负雷电第一回击的共同特征是第一回击的电流波形具有相似的拱形上升前沿,许多波形在峰值附近出现明显的双峰,电流尾部具有不太高的隆起。一个可接受的雷电数学模型只能描述部分与实际观测有关的数据,如通道底部电流、回击传播速度、一定距离的电磁场等。由于绝大多数雷电的观测都是在地面进行的,所测得的均是通道底部电流数据,因而,雷电的数学模型均由两部分组成:第一部分反映通道底部的电流波形,另一部分反映任意高度处的电流与通道底部电流的关系。雷电通道底部的电流模型有双指数函数模型和Heidler模型两种。“改进的传输线型”雷电通道模型将雷电主放电电流表示为沿垂直通道向上传播的行波,其通道底部电流表示为两个Heidler模型的叠加,雷电流沿通道向上传播过程中波形不变,但幅值随高度的增加按指数规衰减。该模型不仅反映了雷电主放电波形的共同特征,而且克服了其它模型中回击波头电流不连续的缺点。 本部分根据“改进的传输线模型”研究了雷电周围电磁场的时域和频域计算方法,分析了不同参数对雷电周围电磁场的影响、电磁场随高度和距离的变化关系。 本部分内容是其它各部分分析计算的基础。 第二部分(含第三、四、五章)从Maxwen方程组出发,根据散射理论建立了 雷电电磁场与多导体传输线祸合的电报方程,具体分析计算了大地电导率、雷电参 数、架空线负载特性、架空线的布线方式等对架空线感应雷过电压的影响;定量分 析了屏蔽线对架空线感应雷过电压的屏蔽效能;并分析了配电网中变压器一次侧的 感应雷过电压对二次侧用电设备的干扰特性,提出了减小感应雷传导干扰的措施。 求解传输线感应雷过电压的困难有两点:其一,传输线(尤其是架空输电线)的 参数是频率的函数;其二,感应雷对传输线的激励是分布性的。 多导体传输线的电流可分为共模分量和差模分量,共模电流在传输线上大小相 等方向相同,在负载端等于零;差模电流在传输线任意横截面内的代数均为零,且 等于负载电流。传输线理论求出的传输线电流属于差模电流,因而用传输线理论来 分析负载端的响应是严格成立的。 本文利用付里叶变换的方法在频域内求解电报方程,解决了传输线参数随频率 变化的问题,再通过付里叶反变换即可求出负载响应的瞬态解。 BLT(B~·Liu-Tesch)方程是求传输线在单激励源下负载响应的解析表达式,本 文将传输线在感应雷干扰区域内的每点激励下的BLT方程的解视为格林函数,再将 格林函数沿传输线积分即求得传输线在分布激励源下的响应。该方法使传输线在分 布激励下的求解得到简化。 第三部分(第六章)和第四部分(第七章)主要研究感应雷电磁场的屏蔽问题。雷电 至今仍是一个无法完全控制的自然现象,人们所能做到的只是尽量减少雷电造成的 损失。其中,屏蔽是减少雷电对电子设备电磁干扰的有效方法之一。分析金属结构 对电磁场屏的方法主要有三种:①直接求解M~ell方程组的全场解方法,该方法 全面准确,但只能分析结构简单的电磁屏蔽问题,难以求解结构复杂的三维结构的 屏蔽问题;②由schelkUnoff提出的传输线理论方法,该方法只能用于分析无限大金 属板对
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