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雷电电磁场以及架空导线雷电感应过电压计算分析

作　者: 李东铭
导　师: 王乘；刘小虎
学　校: 华中科技大学
专　业: 固体力学
关键词: 雷电水平电场架空导线感应过电压解耦弧垂电报方程
分类号: TM862
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着电子设备的广泛应用,雷电灾害影响行业越来越多。研究表明,雷电产生的浪涌电压和电流是造成电子设备失效甚至损坏的主要因素。因而,需要对雷电产生的浪涌电压和电流进行研究。为此,需要解决两个问题：(1)建立快速而准确地计算受有限电导大地影响的雷电电磁场的方法,(2)建立导体在雷电电磁场作用下的电报方程及其数值求解方法。目前,一般采用偶极子法计算雷电垂直电场和磁场,采用Cooray-Rubinstein方程计算雷电水平电场,但是偶极子法和Cooray-Rubinstein方程是分别基于理想导体大地和平面波垂直入射大地的假设,与实际情况存在差别。现有的架空导线电报方程用于计算雷电感应过电压时,即使只需要关注多导线系统中某一根导线的过电压,仍需要计算所有导线上的过电压。由于计算雷电感应过电压所需要的时间随着导线数目增加而增加,因而,当只关注多导线系统中某一根导线上过电压时,使用这些电报方程是低效的。此外,在研究导线过电压时,均忽略了导线弧垂的影响。在频域上,大地电参数(电导率和介电常数)对雷电电磁场影响规律的研究非常少。针对上述问题开展研究并取得如下成果：(1)提出一个计算水平电场的一般方程。该方程基于Norton方程,摒弃了Cooray-Rubinstein方程平面波垂直入射大地假设和Wait方程平面波平行入射大地的假设。通过对比分别用偶极子法、所提出的一般方程、Cooray-Rubinstein方程和Wait方程计算的水平电场发现,偶极子法计算结果误差很大,Cooray-Rubinstein方程计算结果偏低,Wait方程计算结果偏高,所提出的一般方程精度最高。把所提出的一般方程应用于地下水平电场和架空导线上雷电感应过电压工程实例,计算结果表明,使用Cooray-Rubinstein方程将会产生偏低的地下水平电场以及偏高的导线感应过电压,而所提出的一般方程计算结果精度良好,验证了所提方程的正确性。(2)提出一个基于改进Agrawal模型的解耦算法,用于快速计算多导线系统中某导线的雷电感应过电压。通过把所提出的解耦算法和原来的完全求解算法应用于计算雷电感应过电压,验证了所提出的解耦算法计算结果的正确性和高效性。(3)目前,现有架空导线在雷电电磁场作用下的电报方程把导线简化为平行于地面的直线,没有考虑导线的弧垂。然而弧垂对架空导线上雷电感应过电压产生极大的影响。本文针对非平行于地面的架空导线,推导出非均匀传输线的广义电报方程,并进行了算例验证。分析了导线长度对导线电容电感参数的影响以及导线弧垂对过电压的影响。(4)通过对Norton方程进行数值计算,研究不同电参数(电导率和介电常数)下雷电电磁场频谱的特征,发现大地电导率对磁场和垂直电场的影响非常小,但对水平电场的影响非常大,大地介电常数对雷电电磁场的影响非常小。对基于垂直电场和磁场的两种雷电流反演方法进行了分析讨论。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-27
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-25
  1.3 本文的工作内容  25-27
2 雷电水平电场一般方程的推导  27-48
  2.1 概述  27-28
  2.2 雷电水平电场一般方程的推导过程  28-31
  2.3 雷电水平电场一般方程的有效性分析  31-39
  2.4 雷电水平电场一般方程的应用  39-46
  2.5 本章小结  46-48
3 改进Agrawal模型的解耦算法  48-61
  3.1 概述  48
  3.2 改进Agrawal模型  48-49
  3.3 电报方程的解耦算法  49-52
  3.4 算例验证  52-60
  3.5 本章小结  60-61
4 架空导线弧垂对雷电感应过电压的影响  61-83
  4.1 概述  61-62
  4.2 考虑架空导线弧垂的广义电报方程的推导  62-70
  4.3 广义电报方程的求解方法  70-72
  4.4 弧垂对感应过电压的影响  72-81
  4.5 本章小结  81-83
5 大地电参数对雷电电磁场频谱影响的研究  83-95
  5.1 概述  83
  5.2 雷电电磁场的频域算法  83-86
  5.3 大地电参数对雷电电磁场频谱的影响  86-92
  5.4 雷电流反演算法的研究  92-93
  5.5 本章小结  93-95
6 总结和展望  95-97
  6.1 全文总结  95-96
  6.2 展望  96-97
致谢  97-98
参考文献  98-111
附录攻读博士学位期间发表的论文目录  111

雷电电磁场以及架空导线雷电感应过电压计算分析

内容摘要

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