多上行先导模型先导传播速率比优化及模拟研究

下行先导与上行先导的相对速率比可能是闪电连接过程的关键因子之一,随机闪电连接模式中先导相对传播速率比不能准确描述下行与上行先导的相对传播距离比值。考虑到光学观测事实及雷暴电场环境,在已有多上行先导三维随机参数化方案的基础上对下行负地闪开展模拟,改进背景电场模块设置,并植入下行负先导与上行正先导相对传播速率模块,以先导传播距离为依据设置先导相对传播速率。将改进后的模型应用于平顶单建筑物触发多上行先导现象的模拟,与改进前相比,该模型的闪击距、上行先导长度等参数与自然闪电一致性更好;在此基础上对发生在广州珠江新城高建筑物群上的地闪连接过程进行模拟,改进后的模型能够较好还原复杂建筑物群的闪电发生规律。城市建筑物群的雷击特征参量主要由各个建筑物的形状特征、相对位置以及相对高度等因素所决定,但仍有特殊事件发生,当下行先导的某一分支与建筑物空间距离临近时,会在建筑物顶部起始上行先导并连接。

建筑物顶端几何特征对上行先导起始影响的3D模拟

建筑物几何特征对上行先导始发具有重要影响,基于三维变网格雷击物理模型,在不同几何特征建筑物和不同雷电流峰值情况下,探讨了下行负地闪过程中,建筑物顶部上行正先导始发影响因素。除了发现建筑物高度对先导的始发具有促进作用外,还得到以下结论:①雷电流峰值I_(P)相同时,建筑物的高度越高,其几何形状对上行稳定先导起始的影响(η)就越小。建筑物高度相同时,雷电流峰值越大,η越小;②圆柱塔形尖端的上行稳定先导最容易起始,且最接近针形,η最小,为12.2%。长方体形上的稳定先导起始最晚,η最大,可达53.4%;③对于高度较矮和雷电流峰值较小的情况下,尖端几何形状(塔形或斜坡)对先导起始的影响较明显。

基于实例分析ESE避雷针在海外光伏电站中的应用

大型光伏电站由于占地面积大且多位于空旷多雷区,易遭受雷击。分析了光伏电站雷击危害,针对海外光伏发电项目,提出在光伏场区采用预放电(ESE)避雷针的方法,ESE避雷针具有体积小、阴影小、保护半径大等优点。结合实际光伏电站,提出了采用ESE避雷针时的设计方案,比较了ESE避雷针方案和常规避雷针方案的经济性。实际运行结果表明:ESE避雷针可以规范、有效、经济的保证光伏电站的安全运行。

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

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。

基于三维多上行先导模型的高建筑物年雷击次数分析

为提高建筑物安全性,更准确评估建筑物雷击风险,利用三维多上行先导模型模拟雷击建筑物,计算出建筑物的年雷击次数。首先,通过改变模型中建筑物高度,闪电始发位置和闪电强度进行大量模拟,计算出闪电从不同位置始发时建筑物的雷击概率;然后,对建筑物上空一定范围内始发闪电进行总体分析,计算出不同高度建筑物的年雷击次数;最后得出一个利用建筑物高度和闪电强度计算的经验公式。结果表明:模拟得出的结果与观测结果相近,相较于《建筑物防雷设计规范》(GB 50057—2010)以及一些利用二维模型得出的经验公式,在一定程度上更精确的计算了建筑物的年雷击次数。

高建筑物对矮建筑物保护作用的三维数值模拟

运用三维高分辨率随机多先导连接模型,设置高矮两座建筑物并改变其中矮建筑物的高度以及高矮两座建筑物水平距离,同时设置孤立矮建筑物进行对照,探究多先导模式下高建筑物对矮建筑物的保护作用。结果表明:高矮建筑物距离较近时,下行先导的发展完全受高建筑影响;随着建筑物水平距离增加,高建筑物对先导主通道仍然存在明显吸引效应。当矮建筑物雷击概率的增长趋势出现明显减缓的分界点,此时与孤立矮建筑物的雷击概率仅相差3.6%,但单次闪电的连接过程仍存在显著差异。通过对比不同建筑物水平距离与孤立建筑物的雷击结果,高矮建筑物水平距离由400 m增至600 m,差异则从44.5%降低至22.7%。在相同高建筑物影响下,不同高度矮建筑物的雷击概率变化趋势亦存在该特征,高度为50,100,150 m和200 m的矮建筑物对应的雷击增长速率分界点的水平距离为300,450,550 m和600 m。

高压输电线路先导发展绕击分析模型研究

雷电绕击是关系到特(超)高压输电线路安全稳定运行的关键问题之一。针对特(超)高压输电线路的特点,在总结前人研究结果的基础上,提出适用于特(超)高压线路的雷电上行先导起始判据,建立了基于先导发展法的绕击模型,并以日本特高压同塔双回线路的运行经验对模型进行了验证。基于该模型,对不同地形条件下、考虑线路运行电压的特高压直流线路的雷击问题进行研究,为改善线路的防雷性能提供帮助。

Review of the Lightning Shielding Against Direct Lightning Strokes Based on Laboratory Long Air Gap Discharges

长间隙放电是研究地面物体雷电屏蔽问题的最有效手段之一。首先介绍了国内外在雷电击距、直击雷防护措施的屏蔽性能试验和雷电迎面先导过程研究3个方面所取得的进展，并结合最新开展的长达6m问隙尺度的放电试验观测，对现阶段上述3个方面研究所存在的问题进行了分析。认为基于雷电击距建立的电气几何模型（electricgeometrymodel，EGM）仅适用于小尺度目标物的雷电屏蔽性能分析，现有的雷电屏蔽模拟试验方法仅能近似模拟不存在雷电迎面先导时的雷击过程，无法完全证明以提前流注发射模型装置为代表的非传统防雷装置具有比传统措施更优越的屏蔽性能。大尺度目标物的雷电屏蔽问题应聚焦于雷电迎面先导过程的研究，建立并完善雷电迎面先导过程的模拟试验方法和物理仿真模型。

长空气间隙放电研究的挑战与进展

开展空气间隙放电的理论研究,是支撑我国特高压工程建设、提升电力系统雷击防护水平的现实需求。通过分析特高压下长空气间隙放电的工程需求,以及雷电绕击输电线路的先导发展模型、电气几何模型所面临的理论困境,归纳了当前长空气间隙研究所面临的主要挑战——物理模型的内在复杂性、测试手段的局限性及数值求解方法的不确定性。同时,基于过去30多年测量、计算方法的长足进步,指出目前我国开展长空气间隙放电研究的重大机遇。另外,还简要总结了国内外长空气间隙放电研究的发展历程及流注先导模型在不同历史时期的典型成果,详细介绍了清华大学在973项目的支持下,在长空气间隙放电的微观机理与宏观过程研究方面的最新进展,并对未来的研究方向与目标做了初步展望,包括:1)明晰不同尺度流注起始及发展的规律;2)更深入认识流注转化为先导的规律及机理;3)清晰描述先导的发展过程特征参数;4)建立更完备的长空气间隙击穿模型,能够更准确地预测长空气间隙的放电特性;5)建立更科学的雷击闪络先导发展模型及雷击闪络风险评估方法;6)提出工程实用的更优化的长空气间隙结构。

特高压交流输电线路的雷电屏蔽分析模型

绕击是引起超高压、特高压输电线路雷击跳闸的主要原因。将低电压等级输电线路绕击防护经验直接外推至更高电压等级时具有一定的局限性,可能导致新建线路的绕击耐雷性能显著低于预期值。基于先导发展的绕击分析模型细致地考虑了影响雷击发展物理过程各种因素的影响,较传统工程化分析方法更适用于新建电压等级线路的绕击性能评估。但由于对雷击物理过程和长间隙放电机理认识的不足,不同时期不同学者对雷击过程描述所采用的模型和方法不尽相同,若将现有学者所提出的绕击分析模型直接用于工程中,不同分析模型所得结果差异较大。为此,通过对比现有的雷电观测资料,认为Cooray提出的下行先导通道模型与最新的雷电观测结果比较相符;对迎面先导起始工程判据的对比分析结果表明,当导线对地高度<10.0 m时,Rizk感应电压法和临界电晕半径法计算得的先导起始电压结果一致,外推至实际导线对地高度时,Rizk感应电压法的计算结果与长间隙放电理论相违背;同时依据长间隙放电理论,提出了下行先导和迎面先导的相对速度比近似等于迎面先导通道单位长度电压降与导线感应电压增量之比的迎面先导持续发展条件,建立了基于Schwarz-Christoffel变换的能考虑任意地形的2维特高压输电线路雷电屏蔽分析模型;该分析模型解释了传统先导发展模型无法解释的特高压输电线路ZMP2和ZBS2型杆塔的中相屏蔽问题。计算结果表明,在典型的平原、斜坡和山顶地形下,ZMP2和ZBS2型杆塔的绕击跳闸率低于设计预期值0.1次/(100 km.a)。

输电线路雷电先导发展三维仿真模型

超、特高压线路雷电屏蔽性能的科学评估方法是电力系统防雷研究的前沿课题之一。现有输电线路雷电先导发展模型中上行先导起始未考虑流注空间电荷影响、假设发展速度为恒值,且未考虑杆塔、线路实际三维结构对雷电屏蔽性能的影响。针对上述不足,该文研究建立了考虑流注空间电荷屏蔽作用的输电线路上行先导起始和发展全过程的动态仿真模型,开展了3m棒-板间隙正极性操作冲击放电流注先导转化过程实验观测,对所建立模型进行了验证;基于模拟电荷法建立了雷击输电线路下行先导过程附近空间三维电场并行计算方法。应用文中模型定量计算了典型的特高压同塔双回输电线路雷电上行先导放电特征参数,得出Rizk判据和临界电晕判据不考虑空间电荷的屏蔽作用,将夸大工作电压对上行先导起始的促进作用;现有的雷电先导发展模型假设上行先导与下行先导的速度比为恒值,既不能准确反映上行先导间的竞争关系,也有可能夸大上行先导的引雷能力。

输电线路防雷性能评估中的复杂地形地区模型

山区地形复杂,土壤电阻率高,输电线路防雷形势尤为严峻。传统的评估方法没有深入考察局部地形的影响,仅仅区分山区与平原,往往导致评估与运行结果出入较大,为此,提出输电线路防雷性能评估应该充分考虑局部地形对防雷性能的影响。基于大量现场调研的结果,结合输电线路的高程图及导线与地面之间的相对位置,对山区架设的输电线路的局部地形进行分析,总结出8种山区局部地形,通过分析地形对雷击过程的影响,归纳出3种雷击跳闸严重的基本地形,其他的局部地形可以根据这3种基本地形得到。提出采用加权法计算山区输电线路的雷击跳闸率,评估其防雷性能。采取基本地形与局部地形的两次加权的方法计算绕击跳闸率。计算结果证明了该方法在计算地形复杂地区输电线路的防雷性能方面的科学性与有效性。

避雷针迎面先导发展物理过程仿真研究

开展避雷针迎面先导起始及发展过程的仿真研究对建立正确的雷电屏蔽分析模型具有重要意义。基于长间隙放电的物理机制,建立了包括正极性电晕起始与流注发展、先导起始、先导–流注体系发展等物理过程的迎面先导发展物理过程仿真模型,并使用实验室和自然雷电条件下的迎面先导发展过程观测结果对其进行了验证,最后采用该模型对避雷针迎面先导特性进行了分析讨论。结果表明:该模型的计算结果与实验室条件下和一次自然雷电条件下获得的正极性迎面先导发展过程观测结果相吻合;迎面先导起始时刻随着雷电流幅值和避雷针高度的增加而提前;避雷针迎面先导的发展过程主要受雷电流幅值、避雷针高度影响,其发展速度随着下行先导的趋近而逐渐增加;由实验室条件下的正极性棒–板间隙放电获得的先导起始特性直接用于自然雷电中正极性迎面先导起始的计算,以及在迎面先导发展过程的计算中假设迎面先导发展速度与下行先导发展速度成一固定比例是不合适的。

一次自然雷击过程的光学观测分析

雷击过程光学观测是研究雷击放电物理过程最直观的手段，长期坚持开展自然雷击放电光学观测有助于改善我国雷击光学观测数据匮乏的现状。鉴于此，分析了一次下行先导并未与迎面先导相连接的雷击放电过程的光学观测结果。根据观测结果，获取了下行先导和迎面先导的发展轨迹，计算得到了先导发展的特征参数，包括：负极性下行先导2维发展速度为（1．98～7．28）×10^5m／s，平均值为3．78×10^5m／s；正极性迎面先导2维尺度达到56．99m，2维发展速度为4．8×1043．08×10^5m／s，持续时间为（462．5±18．5）μs。由于观测对象高度接近我国特高压同塔双回输电线路杆塔高度，观测的迎面先导发展过程可为这类线路的防雷设计提供参考。对下行先导未与迎面先导相连接的原因进行了初步分析，证实了在下行先导发展随机性的影响下，迎面先导起始并不能保证成功拦截下行先导。最后对未来开展自然雷电光学观测研究应采用的观测方法提出了建议。

南方电网超/特高压输电线路防雷性能评估技术研究进展

南方电网西电东送主网架雷电活动频繁,地形、气候条件恶劣,雷击故障差异化分布特征显著,实施有效防护面临的挑战巨大。本文介绍了近年来南方电网在超/特高压输电线路防雷性能评估技术方面的研究进展。调研总结了南方电网的雷电活动和超/特高压输电线路防雷运行情况,分析得出了其雷击跳闸的原因。研究建立了雷云电场下UHVDC线路电晕空间电荷分布的数值仿真模型,试验获得了大尺寸分裂导线正极性上行先导的起始条件。研究建立了基于时域有限差分(FDTD)的复杂导体系统冲击响应的数值计算模型,通过开展模型线路瞬态响应实测,验证了模型的准确性。研发出输电线路防雷分析软件系统LPTL,开展了典型输电线路防雷性能评估结果与运行经验的对比研究,验证了软件的工程适用性。未来应坚持开展直流线路雷电绕击机理的基础研究,不断修正完善LPTL,为输电线路防雷设计和改造升级提供有效手段。

输电线路雷电绕击评估方法分析及展望

随着我国超/特高压输电线路建设工程的发展,由雷电绕击引起的跳闸事故愈发频繁,严重影响到超/特高压输变电系统的安全可靠运行。现有的众多雷电绕击评估方法受计算模型和雷电观测手段的限制、以及各种关键性参数与判据的不确定性等因素的影响,无法满足对输电线路雷电屏蔽性能分析准确性的需求。因此,详细阐述了当前各种雷电绕击评估方法的研究现状与进展,归纳了各方法存在的问题,并基于此分析了输电线路雷电绕击评估方法的机遇与发展趋势,指出随着长空气间隙放电理论和雷电观测手段的研究发展,未来关于输电线路雷电绕击评估方法的重点在于根据雷电绕击微观物理过程和相应关键参数的测量,建立更为完善和准确的绕击评估方法,为输电线路差异化防雷工作的开展提供重要的理论支撑。

特高压同塔双回路转角耐张塔雷电绕击防护

我国特高压变电站进线段同塔双回转角耐张塔采用刚性跳线,使得地线对跳线端部的保护角偏大,可能增加转角耐张塔的雷电绕击风险。为降低雷电绕击对变电站设备安全的影响,建立了特高压同塔双回路耐张转角塔雷电绕击先导发展3维模型。通过计算分析地线、跳线和导线最易产生上行先导的位置,获得了不同线路转角和地线横担长度时,刚性跳线的最大绕击电流和绕击闪络率。结果表明:只需控制地线对相邻档距导线的保护角满足≤–5°,即可保证刚性跳线单回闪络率满足≤0.1次/(100km·a)的要求,而无需对刚性跳线端部的保护角进行控制;SJ322P型杆塔外角侧地线横担长度可由电气几何模型推荐的36 m减小至28 m,内角侧地线横担长度可由27 m减小至25 m。相关分析结论已应用于1 000 kV锡盟—胜利特高压交流输电工程线路防雷设计。

雷击杆塔塔顶时导线上感应电压敏感性分析

为解决现有规程计算雷击高压输电线的高杆塔塔顶时导线上感应电压误差较大的问题,基于 Wagner提出的场抵消法理论,利用拟静电场法将电磁场的复杂计算转换为拟静电场来处理,通过大量的计算推导出感应过电压的经验公式,并与国内外其它经验公式比较。雷击塔顶时导线上感应过电压的敏感性分析结果表明,上升先导长度、雷电流幅值、导线高度等参数对感应过电压的影响显著;感应过电压波形的研究表明雷击塔顶时绝缘子两端过电压的感应分量和注入分量的峰值并非同时出现,在雷电过电压中感应分量的影响有限,不宜过分夸大。

正极性上行先导特性的模拟试验方法

开展负极性雷电地闪过程中地面物体正极性上行先导特性的模拟试验研究是完善雷电屏蔽分析模型的基础,选择正确的模拟试验方法十分必要。分析了采用棒–棒、棒–板及板–棒等典型放电间隙结构的模拟试验方法的电场特征,研究了各种方法获得的正极性先导特性,并通过与自然雷电下的电场特征及上行先导特性进行对比,评价了各模拟试验方法的等价性。结果表明:采用棒–棒间隙和棒–板间隙无法模拟自然雷电下地面物体附近的电场空间分布特性;采用板–棒间隙可以模拟自然雷电下地面物体附近的电场空间分布特性,但传统的冲击电压发生器无法产生与自然雷电下行先导趋近地面过程中电场时变规律相同的冲击电压。因此,提出了研发一种基于电力电子技术、能够模拟自然雷电下电场时变规律的高压任意波形发生器,并结合板–棒间隙结构,形成正确有效的正极性上行先导特性模拟试验方法。