长间隙正极性先导放电通道电场计算方法

正极性长空气间隙先导放电是特高压交、直流输电工程外绝缘设计以及雷电放电物理研究关注的重点。而其中连续先导通道电场特性十分关键,现有正先导通道电场工程计算方法均基于局部热力学平衡假设,不能准确计算先导通道等离子体特性。为此,该文构建连续正先导通道电离过程计算方法,结合3.0m棒–板间隙正先导通道电流数据进行仿真计算,获取先导通道半径膨胀过程。相比Gallimberti提出的经典模型,该文模型计算得到的半径扩张过程与实验测量结果更加接近。通过开展大量仿真研究,获取先导通道内约化电场与气体温度的关系,并通过添加振动–平动动能弛豫过程配分系数以及热传导损耗项修正了能量守恒方程。由此建立适用于工程计算的先导通道电场计算模型,并与经典模型进行对比。结果表明,在操作冲击与雷电冲击电压下,该文模型计算的先导通道电场值与实验结果更为接近,显著大于经典模型结果。在工程上继续沿用经典模型,将使预测的间隙50%击穿电压偏低。所作工作对于完善长空气间隙放电击穿过程和雷电上行先导过程仿真模型具有重要的参考价值。

基于脉冲定量纹影系统的正先导放电起始阶段通道瞬态温度测量

正极性先导放电特性是超特高压输变电系统操作过电压外绝缘配合和地面高目标物雷电屏蔽性能优化的基础。先导放电起始过程是流注茎向连续先导通道转化的关键阶段,通道处于非局部热力学平衡态,通道气体温度与电子密度、电场强度及径向尺寸等参数相互耦合,获取先导起始阶段通道温度演化规律对于揭示先导放电物理机制和实现全过程仿真建模至关重要。该文设计构建了一种脉冲LED光源驱动的定量纹影系统,时间和空间分辨率分别达到了0.37μs和31μm/像素,解决了长空气间隙放电通道瞬态温度时域连续测量的难题。开展了1.0 m棒-板间隙正极性先导放电观测实验,获得了放电电流、定量纹影图像及通道光学图像等数据。通过反演定量纹影图像获得了流注茎温度分布特性,发现了流注茎前端生长出一种热细通道的现象,其温度介于400~800 K,通道直径约为0.2 mm,轴向发展速度约为0.1 mm/μs。实验获得了二次流注电流注入阶段通道快速温升,以及不稳定先导弛豫阶段通道温度分布演化特性。

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。

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。

基于先导放电理论的直升机初始雷击附着位置

提出了一种基于流注-先导放电理论的数值模拟方法来快速判断直升机初始雷击附着点。首先,根据标准SAE-ARP 5416A中规定的相关试验方法,确定平板电极大小、直升机离边界距离等参数。然后,利用Becerra-Cooray正极性先导起始和发展判据对UH-60"黑鹰"直升机的主旋翼翼尖、尾旋翼翼尖、水平尾翼以及机头部位进行分析比较。最后,通过不断改变平板电极电势的方法,找到各个关键位置产生稳定正极性先导所需的最小背景电场值,以此为依据来对其初始雷击附着位置进行分析。结果表明,主旋翼翼尖最易成为初始雷击附着位置,而机头则较难成为初始雷击附着位置。

基于先导放电理论的等电位作业人员初始放电附着点位置模拟

提出一种基于先导放电理论的数值模拟方法来分析等电位作业人员初始放电附着点位置,结合平均背景电场判据分析可能的先导稳定起始区域,再通过改变导线电位,得出作业人员进入等电位时人体关键位置出现稳定先导时所需的最小背景电场值。结果表明:体表初始放电附着点的出现概率与部位、进入角度、进入姿态有关,人体不同部位出现放电附着点的概率不同,垂直进入时诱发先导稳定起始的所需的背景电场要小于水平进入,坐姿进入时始发稳定先导需要的背景电场要大于站姿进入。该研究可为带电作业人员防护提供依据。

短间隙放电中的电晕型先导特性

该文针对短间隙(15mm)气体预击穿过程中电晕型先导存在的可能性进行了进一步的研究。采用放电电流脉冲分析、电磁波检测、PRPD谱图和高速相机拍摄的方法对短间隙两种棒–板放电结构(尖–板和球–板)进行了实验。研究表明:在尖–板结构预击穿阶段,电流脉冲上升沿和电磁波脉冲发展初期存在分段现象,球板结构没有,计算表明这两段的速度是和先导速度以及先导头部的流注速度对应。曝光时间为200ns和200us的照片证实了尖–板电极放电中的"茎"结构。上述结果说明,在短间隙尖–板放电预击穿阶段中长刷状电晕转化为电晕型先导。电晕型先导和普通电晕放电的电磁波在PRPD谱图中存在明显不同,上升延时间对电流幅值和电流变化率的影响解释了电磁波幅值差异。这种放电阶段的划分以及PRPD谱图对先导的表征有助于对电晕局放严重程度的判断。

正极性先导起始与发展过程中的等离子体特征

先导放电通道由等离子体构成,先导的注入电荷和先导头部温度是用于判断正极性先导起始的关键物理参数。为了获取先导起始的条件及先导发展过程的等离子体特性,该文利用等离子体模型对先导放电通道进行了仿真研究。首先通过10m户外长空气间隙放电综合观测平台,获取了不同冲击电压下的先导放电电流、电压及光学数据。随后利用实测电流数据作为等离子体模型输入,仿真得到了放电通道的温度、等离子体密度、电导率等参数的演变特性。实验及模拟结果表明,先导起始前的触发温度随电压上升率的下降呈现明显的下降趋势。此外,10m空气间隙下,先导起始所需要的临界电荷可低至0.66μC。先导发展过程中的通道温度相对稳定,维持在4000K左右,电子的产生主要源于热电离,放电通道电导率在1~10S/m范围内波动。

地闪回击辐射场波形的重构及地闪放电参量的估算

根据地闪回击传输线电流模式重新确立了地闪回击辐射场与电流之间的关系式,并在观测实验的基础上,重构了不同距离范围内(15～50km,50～100km,100～150km)的地闪回击辐射场波形,重构波形与实测波形之间有很好的一致性。同时在合理的假定下,将回击辐射电场与电流之间的关系进一步推广到先导过程,并估算了地闪先导放电过程中的三个参量。发现首次回击前最后一个先导脉冲电流为2.7kA,通道的电荷密度为(0.135～1.35)×10-3C·m-1,负地闪回击过程中和电荷量为2.06C。

人工模拟雷云及其放电机理研究的进展

人工模拟雷云为研究雷电机理、探索新型防雷技术提供了新的方法,本文简介人工模拟雷云研究的进展、正负雷云放电特性和机理。

正极性雷电冲击电压下5m棒-板空气间隙放电特性试验研究

开展了正极性雷电冲击电压下5 m棒-板间隙的放电试验,同步测量获得了放电电压、放电电流和图像。根据放电不同阶段的电流特性,辨识了初始电流放电、二次流注放电和先导放电过程,并研究了电压幅值和电极形状对上述放电阶段的影响。试验结果表明,初始流注放电产生的空间电荷与电压幅值和电极曲率半径均正相关,其抑制作用使得流注起始时延的平均值近似为常数;二次流注的平均速度为700~1 060 cm/μs,其随着电压幅值的增加逐渐增大,而随着曲率半径的增大而减小;先导发展的平均速度为29~111 cm/μs,随电压幅值的增加线性增大,而随电极曲率半径增大有所降低。

正极性流注引发先导起始规律的探讨

0 引言长空气间隙放电机理的研究是指导输变电工程外绝缘设计的理论课题。近20年来,已取得了大量有意义的成果,但长空气间隙放电的机理还远没有解决。目前超高压、特高压输变电工程的外绝缘设计还必须借助真型试验。真型试验成本昂贵、完成周期长,这与电力工业的飞速发展是不协调的。特别是我国地域广阔,气象条件相差很大,上述矛盾将更为突出。现在世界各国仍在积极地进行着这方面的研究,我国也已着手这方面的工作.长空气间隙放电的特点是先导放电起主宰作用,因此先导放电是研究的核心内容。

正负极性雷电冲击电压下4m棒-板空气间隙先导发展特性试验

开展了正负极性雷电冲击电压下4m棒-板空气间隙放电试验,获得了正负极性先导发展过程的高速影像。基于高速图片,统计分析了正负极性先导的轴向速度与先导位置的关系,以及正负极性先导分支数量和先导分支角度的分布特性。试验结果表明,正极性先导轴向速度与电压幅值正相关,而负极性先导轴向速度与电压关系并不明显;正负极性先导轴向速度均随着与电极端部距离的增加而增大,而且正极性先导轴向速度在距离电极端部1.2 m内趋于稳定;2分支在先导分支中占91.8%,少数情况观测到3分支和4分支;正极性和负极性先导分支角度均近似服从对数正态分布,其平均值分别为44.9°和45.3°。

正极性长空气间隙放电不稳定先导通道温度演化规律研究

先导放电是长空气间隙击穿的主导物理过程,是一种高电导率且以热电离过程为主导机制的热等离子体,获取不稳定先导通道温度分布对于揭示先导起始物理机制以及建立先导放电全过程仿真模型至关重要。该文利用脉冲驱动高功率LED光源,建立一套高时空分辨率定量纹影系统,并开展1.0m棒-板间隙正极性先导放电定量纹影观测实验。实测结果表明,在不稳定先导电流持续注入期间,通道轴向温度分布较为均匀,且通道热直径在径向上呈现持续快速扩张,并最终导致不稳定先导放电停止。此外,获得维持不稳定先导放电发展的通道轴线温度临界值为5000K。通过分析发现热传导过程是先导弛豫阶段的主导能量耗散机制,并导致通道轴线温度始终呈现下降趋势,最终稳定在1600K,较暗区通道中心温度稳定值要高。研究对于揭示先导放电物理机制和支撑建立先导放电发展模型具有重要的科学意义和工程应用价值。

一种计算输电线路上行连接先导速度的新方法（英文）

输电线路雷电屏蔽性能的科学评估对线路防雷设计和施工建设具有重要参考价值。由于输电线路上行连接先导的发展对雷击线路过程影响较大,上行连接先导成为分析线路雷电屏蔽性能的关键因素之一,合理地描述上行连接先导发展速度有利于提高输电线路雷电屏蔽性能评估的准确性。本文基于先导放电理论,推导了计算单位长度流注转化为先导所需电荷量的计算公式,并结合人工引雷试验数据,提出了一种求解上行连接先导速度的计算模型。采用该速度模型对自然雷击高塔上行连接先导过程的模拟结果与观测结果较为一致,验证了该模型的有效性。另外,将提出的速度模型与以往先导速度模型对雷击水平导线的仿真结果进行了比较,得到的上行连接先导长度介于其他学者模型的仿真结果之间。

棒—板长空气间隙击穿电场稳态条件的仿真

为推动以放电理论为基础的高电压与外绝缘学科从半物理到物理研究方向的发展,基于有限元数值计算方法,对棒-板长空气间隙的电晕云模型进行了仿真研究。结果表明:带电离子和外加电压同时影响空间电场分布,空气分子的电离率α对电场分布影响较大,附着率η、结合率β、解离率γ对电场影响较小;不同电晕云长度对空间电场分布的影响都具有相同规律性;空气相对湿度对击穿电压影响较大,空气湿度越小,空气越容易击穿;正极性棒-板长空气间隙击穿的电场条件为:放电起始后,电晕头部最高场强达到11.0kV/cm,电晕云内部最低场强达到3.0kV/cm,在该条件下对应的击穿电压计算值与实验值误差<11%。以上计算结果可为超特高压外绝缘的设计提供可靠的理论依据。

低压系统的雷电过电压

介绍了雷电放电的发展过程和放电的统计特性,统计表明,17%的雷电流具有不大于1μs上升时间;90%的不大于8μs的上升时间;50%的雷电流波长约为(26￣50)μs。并论述了低压系统因雷电放电而产生过电压的4种不同偶合机制即:雷直击于低压导电系统或防雷系统的电导性偶合,雷击防雷系统的接闪器或低压系统传导线时的容性偶合、感性偶合及雷电远距离干扰低压系统传导线时的辐射偶合(电磁偶合)。认为低压系统过电压的威胁主要来自雷电放电。

基于PSCAD/EMTDC的雷电流仿真模型研究

做好雷电流数学模型的分析与仿真,对雷电的研究与防护具有重要意义。在简述雷电放电过程及雷电流参数的基础上,本文介绍了几种常见的雷电流模型(双指数函数、Hei-dler函数和脉冲函数模型),并实现其PSCAD/EMTDC建模仿真分析。

电力线路的防雷措施

大气层在流动的过程中产生负雷云，随着负雷云中负电荷的积累，其电场强度逐渐增加，当达到一定程度时，即开始向下方梯级式跳跃放电，称为下行先导放电。当这个下行先导逐渐接近地面物体并达到一定距离时，地面物体在强电场作用下产生尖端放电，从而形成上行先导，并朝着下行先导方向发展，两者会合后即形成了雷电通道，随之就形成了雷电。

不同类型避雷针雷击接闪效能差异的实验评价方法

探讨一种直观、易于理解且反映雷击放电机理的实验方法,以评价不同类型避雷针的雷击接闪效能差异,对雷电防护领域形成共识显得尤为重要。为此,论文首先分析了雷电环境下地面目标物上避雷针的雷击接闪过程,指出不同类型避雷针接闪效能的差异主要体现在对迎面放电过程的影响上;接着,提出了如下实验评价方法:采用针-板间隙的放电实验布置,对4 m及以上间隙施加1.2/50μs标准雷电波模拟迎面流注放电过程,对6 m及以上间隙施加250/2500μs标准操作波模拟迎面先导放电过程;然后,通过比较非传统避雷针与传统避雷针的放电起始时刻与平均发展速度2个指标,以评价不同类型针的接闪效能差异;最后,利用所提方法对典型提前放电(early streamer emission,ESE)非传统避雷针与传统避雷针开展了接闪效能差异的评价实验。实验结果表明:ESE针与传统避雷针的评价指标基本一致,不具备研发商所宣称的引雷增效作用。