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华中科技大学
博士学位论文
雷电电磁场以及架空导线雷电感应过电压计算分析
姓名:李东铭
申请学位级别:博士
专业:固体力学
指导教师:王乘;刘小虎
2011-05-29
华中科技大学博士学位论文
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
一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
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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。


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
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Abstract
Recently, with the widespread application of sensitive electronic devices in many
areas, such as data-works and power system, the economic losses caused
by lightning accidents increase rapidly. It is generally acknowledged that
lightning-induced surge voltage and current are the two main factors which cause
electronic equipment failure. To analyze the surge voltage and current, there are two
problems needed to be solved: (1) establishing an effective numerical method to calculat