Study on Characteristics of Underground Horizontal Electric Field Caused by Lightning Return Stroke Based on FDTD Method

Based on the MTLL lightning return stroke model,a two-dimensional cylindrical finite-difference time-domain( FDTD) model for underground horizontal electric field was established,and the effects of distance from lightning channel,depth,soil electrical conductivity and its distribution,and return stroke current on the characteristics of underground horizontal electric field were analyzed. The results showed that as long as the electrical conductivity of soil existed,the peak of underground horizontal electric field decreased with the increase in the horizontal distance from lightning channel. When the electrical conductivity of the upper soil was much smaller than that of the lower soil,the peak of corresponding horizontal electric field was larger than the electric field peak as the electrical conductivity of the upper soil was larger than that of the lower soil. When the electrical conductivity of the upper soil was less than that of the lower soil,the growth and decay of the horizontal electric field were faster than the growth and decay as the electrical conductivity of the upper soil was larger than that of the lower soil.

雷电电磁脉冲对架空电力线的耦合效应

从传输线模型出发,通过建立雷电回击通道、大地和电力线系统一体化模型,采用时域有限差分法计算得出雷电回击电流的近场分布,将场值代入离散的传输线方程后,计算了架空电力线终端的感应过电压.通过对多导体架空线和单导体线终端感应过电压的分析,发现由于其它导体的存在,多导体系统中单根导体两端的感应电压峰值比相同高度处单一导体两端的感应电压峰值低10%～20%;并且对于垂直导体结构,最小感应电压产生在距离地面最近的导体上;而对于水平导体结构,最小感应电压产生在中间导体上.

粗糙表面对雷电水平电场影响的模拟研究

利用分形方法模拟了粗糙陆地表面和海陆交接复杂表面,并通过Barrick提出的等效表面阻抗法和Cooray-Rubinstein(C-R)近似算法,计算了不同粗糙表面情况下的雷电水平电场。进而分析了粗糙陆地表面和海陆交接复杂表面对水平电场产生的影响。结果表明:当雷电水平电场沿粗糙陆地表面传播时,陆地表面的粗糙程度对电场影响很大,且随着粗糙度的增加,雷电水平电场的初始峰值会逐渐减小;当水平电场沿海陆交接复杂表面传播时,陆地的粗糙度对水平电场影响较大,而海浪起伏程度对电场影响较小。

地闪回击电流近区跨步电压研究

讨论了计算跨步电压常用的静电场算法的局限性,提出了采用近似镜像法及“近似镜像法+表面阻抗法”计算地闪回击电流附近地面水平电场来求取跨步电压的时域算法。根据人工引雷实测电流计算了其近区跨步电压的波形,取得了与实测数据一致的结果。计算结果表明,跨步电压随径向距离的变化规律在很大程度上取决于大地电导率,计算跨步电压的静电场公式即便用于计算跨步电压峰值,在大地电导率较高时也会有较大的误差。

人工触发闪电与降雨倾泻

根据人工触发闪电后雨量猛增的观测事实，利用一个简单的静电模式计算了闪道附近雨滴的重力碰并增长。结果指出，闪电后降雨猛增必须满足一定的条件，除了要求较高的离子浓度（＞１０１４／ｍ３）外。

计算地闪回击电流水平电场的混合法

提出了一种计算地闪回击电流水平电场的混合法。混合法采用近似镜像法计算接近地面的电流产生的水平电场 ,采用表面阻抗法计算高处电流产生的水平电场 ,有效地克服了雷电水平电场近场计算的困难 ,提高了计算精度 ,扩大了计算范围。数值计算结果验证了混合法的有效性。

雷电通道水平电场影响因素分析

影响雷电通道产生的水平电场因素众多,分析其影响因素对电力系统的雷电防护具有重要意义。文中利用运动电荷电磁场方程求解得到闪电回击通道的水平电场和方位磁场,并结合C-R算法,得到了有限电导率地面上方的水平电场。依据运动电荷电磁场方程的特征分析了不同回击速度、不同距离、不同电导率对雷击产生的水平电场的影响。得出以下结论:水平电场随回击速度增大而减小;水平电场波形呈双极性特征且水平距离越大或电导率越小负向偏移越明显。这些研究结论为输电线路雷电过电压计算打下良好的基础。与其他方法相比,本文方法可以避免远距离电磁场计算中的震荡问题和积分方程的奇异问题。

差分式雷电电磁脉冲水平电场仪试验研究

对新近研制的差分式雷电电磁脉冲水平电场仪作了简要介绍,通过实验室条件下的地闪模拟实验,确定了采用该电场仪判定闪电电流方向及实现对放电通道定向的方法。将该电场仪置于六层楼顶上用于自然雷电电磁脉冲水平电场的测试,测量结果表明:该电场仪不仅有效地抑制了垂直电场引入的共模干扰,且实现了对地闪放电通道的定向。

云—地闪电地面水平电场在不同回击速度和地电参数时的波形特性

针对地闪电磁脉冲计算在广域和高精度方面存在的难题,采用非均匀网格划分技术对均匀网格时域有限差分法进行改进,所提出的非均匀网格时域有限差分法适合广域地闪电磁脉冲计算.计算了100 km以内的地闪地面水平电场(E r),揭示了E r随回击距离变化所体现的波形变化规律.同时分析了大地电导率(σ)和回击速度(v)对该距离内E r的影响.结果表明:E r在2km内呈单极性脉冲,500m内在首次脉冲后出现过零现象且距离越远该现象越明显,50~100km内呈双极性连续脉冲;E r的脉冲幅值、半峰值宽度、脉冲宽度、过零幅度均随σ增大而减小,σ≤2.5×10-3 S/m时尤为明显;v对E r的影响随距离增大明显增强,100m以外的脉冲幅值和10km以外的过零幅度随v增大有明显提高.

雷电水平电场时域近似算法研究及精度验证

雷电水平电场是计算雷电感应过电压的关键参数。为了准确高效的求解出雷电水平电场,利用Barbosa和Paulino所提出的雷电水平电场时域近似算法（B-P方程）对距离闪电通道100~1 000 m范围内雷电水平电场进行模拟,分析了不同雷电参数及大地电参数对水平电场特性所产生的影响,并应用2-D FDTD方法对B-P方程的精度进行检验。结果表明：若模拟中地面电导率σ设置越低、观测点距地面高度h设置越低、观测点到闪击点距离r0设置越远、回击速度v设置越大时,电磁场所包含的高频分量比重越大,模拟出水平电场波形的双极性特征越明显;相比于首次回击电流,当模拟中采用继后回击电流时,模拟出水平电场波形的双极性特征更明显;除了电导率σ较低时（σ≤0.001 S/m）B-P方程的计算精度会受传播效应的影响外,其模拟出的水平电场波形与2-D FDTD的模拟结果基本一致,且B-P方程的峰值计算误差均在±5%之内。综上,由于B-P方程的计算时间仅为0.01 s左右,因此在提高计算效率的同时能保证较好的计算精度。

海洋分层介质中雷电电流源的水平辐射电场传播特征研究

随着我国海洋战略的持续推进,海上各类固定及移动的工作平台均需进行更加有效的雷电防护。海上防雷工作中深入了解雷电电流源水平辐射电场(Er),在海洋分层介质中的传播特性则是一项十分重要的工作。本文就能够对海上设施产生较大影响的地闪进行研究,因此选取具有代表性的正地闪首次回击电流源(PS)及Nucci电流源(TLS),通过时域的方法对两种雷电电流源的水平辐射电场在由空气、海水及洋壳所组成的海洋分层介质中的传播特征进行对比分析。结果表明:(1)在海面及其以上的高度(h≥0 m),当距雷电电流源水平距离r=0 m时,两种雷电电流源产生的Er均为正值;其中PS产生的Er是随时间呈对数增加,而TLS的则随时间呈单峰正偏态分布;当r>0 m时,两种雷电电流源产生的Er与r=0 m时的基本呈反位相。(2)当r=0 m,h介于0~50 m及100~500 m之间,PS于雷电发生后10μs的Er值则分别介于3.273 3×10~6~1.177 1×10~7v/m及1.035 1×10~7~1.155 3×10~7v/m之间,而TLS的Er峰值则分别为9.274 7×10~5~2.887 6×10~6v/m及2.688 7×10~6~2.854 2×10~6v/m之间。(3)当h=10 m,r介于50~500 m之间,PS于10μs的Er值则介于-1.1216×104^-7.027 9 v/m之间,而TLS的Er峰值则介于-2.478 4×10~3~1.385 9 v/m之间;当h=10 m,r=1 000 m时,TLS的Er峰值为9.482 6 v/m。(4)在海面以下(h<0 m),r介于50~1 000 m之间,两种雷电电流源的Er主要为正,且随时间均呈单峰正偏态分布;当h=-5 m及-10 m时,PS与TLS的Er值于两个深度的差分别介于5~53 v/m与2~28 v/m之间。

利用时域有限差分方法计算雷电水平电场

雷电水平电场是计算电力架空线雷电感应过电压的重要参数,为了准确获得该参数值,本文利用时域有限差分方法(FDTD)对不同地面电导率情况以及距雷电回击通道不同距离处的雷电水平电场进行了计算和分析,结果表明:(1)地面电导率均匀情况下,地面电导率越大,计算距离越近,雷电水平电场波形愈加接近模式输入的电流波形,这与雷电水平电场中的辐射场分量较小有关,而增大地面电导率或者增加计算距离都会导致计算结果变小甚至波形出现双极性的特征;(2)地面电导率水平分层情况下,计算得到的雷电水平电场受上层土壤的电导率影响更大,但是下层不同电导率的土壤一定程度上改变了土壤整体的等效电导率,使得计算结果与均匀电导率情况下有所差别。

基于改进传输线模型和FDTD算法的西南丘陵地区感应雷过电压计算方法研究

感应雷过电压严重影响西南丘陵地区中低压配电线路运行可靠性。为减小雷电事故概率并对线路防雷设计提供有价值的参考,分析土壤与水平电场的关系,并基于土壤因素改进Agrawal场线耦合模型,采用时域有限差分法(FDTD)计算感应雷过电压。针对四川省自贡市某10kV输电线实测并分析,结果表明:大地电导率对感应雷过电压的峰值影响较大;与雷击点相对距离对感应雷峰值和起震时间都有较大影响。研究表明对西南地区进行差异化防雷分析,使理论计算更加接近实际,为西南丘陵地区输电线防雷设计提供更有价值的理论依据。