工学35KV配电网感应过电压的仿真分析毕业论文附程序.docx

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工学35KV配电网感应过电压的仿真分析毕业论文附程序

中国石油大学（华东）毕业设计（论文）

35KV配电网感应过电压的仿真分析

学生姓名：

学号：

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指导教师：

2009年6月20日

摘要

在电力系统中，由雷击引起的雷电过电压是产生事故的主要原因之一。

本文主要研究雷击杆塔时，在35kv高压输电线上产生的感应过电压的大小及波形。

本文以场抵消法理论为基础，应用简化计算方法，并考虑上行先导来建立雷击感应过电压的数学模型。

并以此简化计算方法为理论依据开发感应过电压数字仿真软件，该软件不仅能够仿真不同结构参数的35kv高压杆塔在不同雷电流下的感应过电压还可仿真其他高压等级的杆塔遭雷击时的感应过电压。

本文进而又讨论了不同的雷电参数和杆塔参数对感应过电压幅值和波形的影响，包括主放电速度、雷电流峰值、上行先导长度、杆塔等值半径、导线对地高度等，并通过MATLAB仿真软件模拟出感应过电压的波形和各个参数对感应过电压影响的趋势。

此感应过电压波形及其峰值对防雷设计和计算雷电过电压有着重要的现实意义。

关键词:

上行先导；感应过电压数值计算；场抵消法；敏感性分析

ABSTRACT

Lightning-inducedvoltagesareamajorcauseofoutagesinpowerdistributionsystems.Inthispaper,westudytheinducedvoltagesacrossinsulatorstringbydirectlylightningstrokeson35kvtransmissionlinetower.

Inthepaper,basedontheFieldCancellationMethod,weapplythesimplymethodtocalculatethelightning-inducedvoltages,takingintoaccounttheeffectofthedartleaders.Andthecalculationofsoftwareisprogrammedbasedonthesimplymethod.Itnotonlycancalculateinducedvoltagesunderdifferentparametersof35kvtransmissionlinetowersandlightningstrokesbutalsocancalculateinducedvoltagesonothervoltageclasstowers.Further,thepaperdiscussestheeffectsofthefollowingparametersonthepeakvalueofinducedvoltageandontheshapeoftheinducedvoltages:

propagationvelocity,lightningcurrentpeakvalue,thelengthofupwardleader,thehighoftheoverheadline.AndwecanuseMatlabtocalculatethelightinginducedvoltageeasily.

Keywords:

upwardleader;inducedover-voltage;numericalcalculation;Field-Cancellation;sensitivityanalysis;digitalsimulation

目录

第1章前言1

1.1课题的目的和意义1

1.2国内外现状2

1.3本课题的主要内容3

第2章雷击杆塔时输电线路上感应过电压的计算5

2.1雷击过程及计算模型的建立5

2.1.1雷击过程5

2.1.2感应过电压的形成过程7

2.1.3杆塔模型及参数7

2.1.4对上行先导的考虑7

2.1.5计算感应过电压的几点假设10

2.2感应过电压计算方法10

2.2.1概述10

2.2.2杆塔电磁过程的物理描述11

2.2.3电荷和电流波产生的电场12

2.2.4电荷波产生的延迟标量位14

2.2.5电流波产生的延迟矢量位15

2.2.6场抵消法15

2.3简化方法16

第3章感应过电压数字仿真22

3.1数字仿真软件介绍22

3.2数字仿真软件的设计22

3.3软件使用说明24

第4章感应过电压敏感度分析28

4.1感应过电压对上行先导长度的敏感度分析28

4.2感应过电压对雷电流幅值的敏感度分析30

4.3感应过电压对导线高度的敏感度分析31

4.4感应过电压对回击速度的敏感度分析32

4.5感应过电压对杆塔等值半径的敏感度分析33

第5章结论35

致谢36

参考文献37

附录39

第1章前言

1.1课题的目的和意义

长期以来人们一直认为操作过电压在超高压电网中起主导作用，且线路防雷能力会随电压等级的提高而自然增大，因而对超高压线路防雷工作重视不够。

然而，随着保护设备性能的提高和保护措施的不断完善，在开关等设备因素造成的故障逐渐减少的情况下，操作过电压在绝缘配合中占突出地位的情况有所改变，由雷电导致的线路跳闸占故障总数的比例有所上升。

尤其是线路尺寸的增大和对其可靠性的要求增加使得线路的防雷问题随电压等级的提高而更加突出。

我国高压线路运行事故统计表明高压线路总跳闸次数中由雷击引起的约占40%-70%,雷害是高压线路安全运行的一个主要威胁。

我国电力行业有关规程规定雷击塔顶时线路上的感应过电压的计算公式为：

式中:

为导线对地的平均高度，为避雷线对地的平均高度，为导线与避雷线间的几何耦合系数，在数值上等于以KA/µs为单位的雷电流陡度。

对于一般线路利用上述公式计算线路上感应过电压尚能满足输电线路的要求。

但对于高压输电线路，由于杆塔高度的增加，用上述公式计算出的感应过电压电压值过大。

这主要是因为没有充分考虑迎面先导的影响，其实，迎面先导对感应过电压的影响很早就被注意到了，对雷击杆塔时迎面先导的长度的不同估计，严重影响过电压的计算值，目前国际认同的看法为

（为击距）。

因此，我们要对雷击杆塔时感应电压进行进一步的研究，考虑上升先导等因素的影响，推导合理的感应电压计算公式。

另外，目前国内对雷击塔顶时绝缘子串两端电压进行计算时，直接将雷电流注入杆塔和地线系统所产生的电压（简称注入分量）与雷闪通道中电荷、电流波所感应的电压（简称感应分量）两者的峰值进行叠加。

通过理论分析和数值比较，均表明两者的峰值并非同时出现。

因此，简单地将两者的峰值电压直接叠加的做法明显是不合理的。

1.2国内外现状

历史上,对于感应过电压的形成有很多观点[1]。

在1908年,K.W.Wagner认为充电的雷云在架空线上感应出电荷，当雷云放电时，架空线上的电荷很快地释放，形成电压与电流波，这是感应过电压最实质也是最基础的解释。

20世纪40年代，C.F.Wagner和McCann考虑了雷电放电的几个阶段，包括先导阶段、主放电阶段、后续放电阶段。

他们的工作为后来的研究打下了基础。

他们应用简单的模型，认为雷云内部的放电对感应过电压大小的影响可以忽略不计，而雷云对地面的放电是最明显的、最重要的。

而且，除主放电阶段，雷云对地放电的其他几个阶段对感应过电压的幅值的影响是不重要的。

50年代苏联的ДОЛГИНОВ和РαЗЕВИГ从解析法入手，对感应过电压的研究做出了贡献。

60年代，各种计算方法的发展，计算机的应用以及实验仪器性能的提高，使人们对雷电的观测及其机理的认识都有了很大的进步。

数值法与解析法并用，曾一度认为感应过电压已经解决的观点有了改变。

许多国家为此建立了试验线路，做了许多工作，如日本、美国等。

Chowdhuir于1966年在其博士论文中给出了详细计算感应过电压的解析公式，他认为:

多导体系统中，任一条线路上的感应过电压与其它线路的存在有关，可以从其相互耦合来考虑其值的大小。

Chowdhuri的计算采用了与前人不同的观点:

感应过电压分两个分量，施感电压（InducingVoltage）和感应电压（InducedVoltage）。

国外在50年代末和60年代初在这方面作了大量工作。

文[3]提出的回路法（Loop-VoltageMethod）虽然较简捷，但用于计算感应过电压分量误差太大。

Wagner在文[4][5]所提出的场抵消法（Field-ConcellationMethod）理论上较完善，Wagner首次在场抵消法中引入了时间的离散化和空间的离散化，即把所要计算的时间分割为△t步长的同时，也将所有的导体分割为△长度的单元，从而成功地将电磁场问题用数字离散化方法求解，为此类问题的研究提供了一个新的思路，这在计算机技术尚不发达的上世纪五十年代显得尤为可贵。

但是由于计算太繁杂而不实用，因此在此基础上Wagner又提出了简化计算方法，一方面克服了计算过于复杂的缺点，另一方面又经场抵消法验证具有相当高的精度，而成为一种较为可行的计算方法。

上行先导（UpwardLeader）对感应过电压的影响很早就被注意到了。

垂直下行的雷先导到达一定位置后，会从塔顶伸展出上行的迎面先导，两者相遇时即发生主放电过程。

上行先导使导线远离下行先导中的电荷，从而降低了在导线上的感应过电压。

同时，先导的电场对感应过电压幅值产生显著的影响。

因此，研究时应充分考虑上行先导对过电压的影响。

国内武汉高压研究所于80年代也做过相关工作，并得出了一组计算曲线，通过拟合计算，得出了感应过电压峰值近似计算式。

1.3本课题的主要内容

（1）重点分析Wagner等人提出的场抵消法的理论和以此理论为基础的简化计算方法，并以简化计算方法为理论依据编写感应过电压仿真计算程序。

（2）分析雷击杆塔电磁过程，介绍计算模型。

对影响感应过电压的主要因素上行先导的长度进行介绍说明。

本文采用洛夫在1973年提出的上行先导长度为最后击距的1/2。

（3）利用仿真软件对感应过电压进行敏感度分析，仿真出在35kv高压杆塔遭雷击时，不同雷电参数及杆塔参数对的感应过电压的影响趋势和分析各参数对感应过电压的程度及原因。

第2章雷击杆塔时输电线路上感应过电压的计算

2.1雷击过程及计算模型的建立

2.1.1雷击过程[2]

雷云是带有大量电荷的云层。

一般认为，雷云的主要成分是水的各种状态（包括水蒸气、水滴、冰或雪），原来都是中和状态（不带电），但在气流强烈的上升过程中，小水珠就会分裂为水滴并带电，等到一定数量的电荷聚集在一个区域时，该区域的电势就会上升，若其形成的电位梯度超过附近空气绝缘的破坏程度时，就产生雷电。

雷云放电多数在空中云间进行，只有小部分对地面放电。

雷云

图2-1雷击杆塔时电流波的运动

实测表明，对地放电的雷云绝大多数带负电荷。

我们以带负电荷的下行雷为例，当雷云中电荷密集处的电场强度达到空气的击穿场强（25-30kv/cm）时，就产生强烈的碰撞游离，形成指向大地的导电通道，即开始先导放电。

先导的尖端以每步大致50m的长度向前推进，每行进一步约停10-100。

当分级先导下降时，就在沿途留下了大约8

C/cm的负电荷。

随着先导头部趋近大地，在地面“靶子区”所感应的面电荷增加，直到先导到达距离地面某一确定的“击距”之前，雷击地面命中点仍是不确定的。

所谓击距是指下行先导头部开始受到地面目标的影响时，先导头部与地面目标间的距离。

在雷击发展过程中，雷击目标物的尖端也有上升流注（或迎面先导）产生。

这一上升流注的长度将影响到感