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针对直接雷击的变电站屏蔽建模
Farouk A. M. Rizk, Life Fellow, IEEE
摘要:本文首先提出了“向上先导”概念的第一个应用，即在最后一跳中实现向下的负极先导，以评估变电站对直接雷击的屏蔽作用。对于细长杆的吸引半径和屏蔽线的横向吸引距离的表达式，用于确定各自的保护区域。该分析被扩展到由双桅杆提供的闪电保护以及在矩形区域的角落放置的四个桅杆。并分析了双地线的防雷措施。该模型不仅考虑了桅杆和地线的不同防雷特性，还考虑了杆状和导体类型保护对象的不同。该模型不仅考虑了从空中落到变电站的闪电，而且还考虑了对反击雷的屏蔽。本文提出了一种系统的方法，以实现对变电站设计的实际应用。将该模型的结果与电几何模型得到的结果进行了广泛的比较，并给出了实用的经验公式。
关键词：Terms-Attachment过程，有吸引力的距离，接地线，闪电，桅杆，负极先导，向上先导。
一 引言
一些出版物已经就高压输电线路对闪电的屏蔽[1]-[5]进行过研究。然而，就直击雷命中而言，线路和变电站之间有几个不同之处，如下所述。
1) 由于线路的数量通常连接到一个分站的母线，直接雷击对变电站的影响要比输电线路故障严重得多。
2)由于一个变电站的地基阻力通常要低得多，所以要返回发射塔。在变电站避雷器保护中，可实际排除闪络和屏蔽故障成为设计因素。
3)透射型线导体通常都能防止侧闪，而且很少需要考虑。从上到下直接接触中段。
4) 相反地，由于地线或桅杆间距相对较大，在变电站中，从变电站上方直接到达的雷击构成了主要问题，而侧暴露则成为次要问题。
5)由于变电所的面积相对有限，闪电曝光的特点通常是一个平均时间。在故障(MTBFs)[6]之间，而不是通常为传输线接受的特定故障率/(100公里·年)。
6)另外，变电站的暴露面积有限，对地面的统计意义有一定的怀疑。在更大的范围内，通常可以从观测到的闪光密度。
在闪电的背景下，变电站的屏蔽意味着要确保直接的雷击被保护性的桅杆和地线所拦截，而不是通过变电站的相导体、母线或其他设备。
早期的一篇关于变电站屏蔽的论文[7]确定了从模型试验中得到的桅杆和地线的受保护区域。调查采用正极性1.5/40micro;s冲动地面电线或桅杆高度25.4厘米。绘制曲线，以显示在受保护对象上终止的攻击百分比。这些曲线仍然包含在一些标准中[8]，尽管现在人们普遍认识到，基础测试不可能再现与消极向下和积极向上的先导的连接过程相关的物理条件。然而，应该提到的是，尽管早期的论文中包含了一些有用的见解，但在无量纲变量方面的屏蔽结果却特别有价值。
在[9]中描述了Whitehead的电几何模型(EGM)对变电站屏蔽的首次应用。屏蔽失效风险是用多年的一次罢工来表示的。变电站为例,305times;305平方米,平均为100年,要求100桅杆和10屏蔽电线。
在[10]中提出了一种基于EGM的变电站屏蔽程序。考虑了母线的中心相的屏蔽和外相的屏蔽。推导出了母线高度以上地线最小高度的表达式。同时也评估了单桅和四个桅杆的防护。
[11]提出了[10]的更新版本。这些修改包括减少EGM显著距离的15%，并考虑电晕对汇流波阻抗的影响，从而导致临界回程电流的增加。该方法构成了计算机程序的基础。
目前由许多公用事业单位使用，如1991年的一份修正到[8]的调查问卷所示。
本论文包括第一个应用的附件过程，涉及到一个向上的积极先导的开始和传播，以屏蔽变电站。本文有多个目标，如下:
1)提出模型的物理基础;
2)展示协议的要点和与EGM的差异;
3)证明模型的结果不仅是物理上的，而且是实际的;
4)要消除这样的印象，即动态先导模式过于复杂，无法在现阶段应用于行业。
这个阶段的工业太复杂了。
二 模型公式
实际上，在不同程度上，以前所有用于直接雷击的结构暴露模型都是基于长期空气间隙的开关脉冲测试。电几何模型[1]在1.5-5.0 m范围内，外推罗-棒负开关脉冲数据，计算出对导体的冲击距离。Golde[12]利用类似的数据获取了地面场，并对正常的负向闪电和正闪电进行了惊人的距离。然而，Armstrong和Whitehead[1]和Golde[12]都承认，由于在开关脉冲下的长空气间隙的破裂，进一步的实验信息可以得到，他们模型中的数值参数可能需要修改。Dellera和Garbagnati[4]的先导进展模型基于一个临界半径的概念，这是由于Carrara和Thione[13]所建立的，它是由对长空气间隙的正开关脉冲测试所建立的。Gallim-berti[14] -[16]的基本模型最初是考虑到在长空气间隙中切换脉冲测试结果的。它是通过对单一的流线型灯丝进行建模而开始的，但随后，使用测量的电晕电流来确定在实际测试中出现的合适数量的细丝。Gallimberti[14]的研究也为Car-rara和Thione[13]的临界半径概念提供了物理解释。其次，讨论了与闪电有关的环境地面场的时间变化与双指数开关脉冲之间的差异。
由Becerra和Cooray[17]提出的模型，以确定闪电向上连接的先导初始阶段。该模型包括12个“常数”，其中一些是基于长期空气间隙的正开关脉冲测试而得到验证的。但必须强调的是，在自然或人工雷电条件下，这12个“常数”都没有被测量。在Willett等[18]的一个触发的闪电实验中，[17]中的模型被安装到9个数据点上[1]，但没有考虑到0.2 mm的电线辉光电晕对向上导星的影响。这种现象是一种用于产生火箭引发的闪电的技术，其结果是一个积极的空间电荷柱，它倾向于抑制向上的先导，并增加一个成功发射的临界环境场。[19]在[0]中报道了触发线电晕效应的重要证据，在火箭的上升过程中，地面的电场减少了约50%，从发射点的辐射距离为100米。
在电晕开始产生电晕之前，在导线表面可以达到的最大磁场是电晕起始场，这是由于自调节特性，在日冕生产过程中会得到进一步的维护。为0.2毫米线这一领域达143 kV / 0.08 cm的相应费用micro;C / m。在没有电晕的情况下，用这个最大的触发线电荷，400米的电线会产生一个1v /m的地面电场，在100米的径向距离上，这几乎可以忽略不计。这证实了报道的50%地面场减少[19]只能是由于触发线电晕，不可能是由于仅仅存在接地的触发线。
本文所使用的模型的基础是一个被闪电击中的物体是连接过程中的积极参与者。在关键的条件下，这种参与表现为一个向上连接的先导的形成和传播，它寻求在所谓的最后的跳跃中遇到向下的阶梯式先导。
模型的基本假设是在[3]中详细解释的。因此，这里只包含了这些假设的简要总结。
持续的积极向上先导形成的标准是基于一种重要的流线型的概念，它的根是一种高导电的茎。另一种情况是，对于正的先导连续传播，其尖端的合成电场必须总是超过临界值。结果场既包括应用组件，也包括由于空间电荷而导致的相对组件。也有人认为，负领袖垂直向下移动，直到最后一跳。但是，假定向上连接的先导在寻找与向下的先导相遇的轨迹上移动，这可能发生，也可能不会发生。在这方面,这里的分析表明,重要参数之间的比率意味着向下和向上的领袖minus;速度v / v ,而不是具体的数值。在附件过程中，即，只有在连续向上的先导成立之后[2], [3]才是统一的比例。
当两个先导之间的平均电压梯度达到500kv /m的streamer梯度时，两个先导之间的相遇发生了。
众所周知，在各自的平均电压梯度之间存在较大的差异，即假设最小值分别为400和600-700 kV/m时，正与负流线或电晕之间存在明显的差异。另一方面，先导是一种弧列式的准中性等离子体，因此，对于相同的电流，在正的和负的导丝之间应该没有根本的区别。尽管如此，在实验室测量和实地观察中，仍有一些主要的表现区分积极和消极的先导。
在长期空气间隙中，负的先导开始出现的电压水平明显高于积极的先导[20]。此外，在实验室和实地，消极的先导往往以比积极先导更快的速度增长[20], [21]。此外，与积极的先导相比，分步和分枝往往与消极因素联系在一起[21]。那么，上述表述是否存在矛盾呢?
我的回答是:不一定。在作者的观点中，导致先导初始电压(或平均环境)水平的主要差异的是正流和负流线之间的基本区别。
这些流线负责维持其背后的先导灯丝。由于主要区别在流光梯度(E = 400千伏/米和Eminus;= 600 - 700千伏/米),由此可见,在相同的电压(或空间潜力),负飘带的长度将会更短。目前需要保持先导灯丝的生长，只能由负流线提供明显较高的尖端电位。此外，通常与消极先导有关的高速，是建立在所谓的空间先导的形成之上的，这是一种空间干的产生，这实际上是在消极的先导尖端[20]前面的负流线的末端形成的一种等离子体。这意味着，通常情况下，消极的先导会以两个或两个以上的积极和消极的先导同时形成的速度进行[20]。同样的，这并不是消极先导的本质区别。事实上，Les renardieres Group[20]发现，在一个空间先导形成之前，消极先导的速度与在初始阶段附近的积极先导的速度是相似的。在连接过程中，在一个接地的桅杆上形成一个连续的积极的先导之后，就没有了作者的知识，也没有任何关于空间先导继续形成的证据。因此，在该模型的修订版本中，假定在一种基础结构中形成连续向上连接的先导，两国先导的增长将受到同样的法律的约束。这意味着无论是正面的还是负面的先导速度，都将由各自的先导技巧的有效过电压因素或先导电流决定，如在[22]中所述。这并不以任何方式意味着根据修改后的模型,比vminus;/ v 永远是团结,也当然这是否意味着瞬时领袖速度被认为是相等的。根据结构高度和未来的回击电流,修正后的模型的收益率值vminus;/ v 可以完全不同于团结,发现一些实地测量分析Berger在[4]。然而，对于适用于变电站的结构高度和协调回波电流相对有限的范围，在原始模型中假定v /v 的平均值仍然是合理的，如下面的详细计算所示。
模型中使用的一个基本量是由云产生的空间势能和向下的先导电荷。对于给定的环境地场，由于云的电荷和潜在的回波电流，空间电势是在一个避雷针的尖端或地面上的接地线的高度确定的，但是在没有这些物体的情况下，这些物体是保持在地面电位的。
在合理均匀的地面场的情况下，仅用[3]给出了高度h的接地物的空间势Usp
Usp = Egh。(1)
图1所示。平均环境地场随时间的变化，在负导率下，30 m的桅杆被浸泡，并与3.6 ms前缘的双指数脉冲进行比较。最初的先导高度= 500米,径向距离= 89,I = 31 kA,领袖速度= 2times;105 m / s。向下的先导电荷，后者依次为预期的回程电流[2]。该模型表明，对于垂直细长杆或桅杆的基本配置[(h/r) 1, r为杆半径]，关键的连续向上先导起始空间势能Ulc由简单表达式给出[3]
在[23]的基础上，以杆式和电导式的空气终端为先导空间潜力的方程(3)和(4)。这就形成了在长空气间隙中连续先导的标准，后来又适应了雷电的应用[3]。对于容易出现向上闪光的高层结构，[24]附加了一个附加的标准，以确保一旦一个向上的先导被启动，它将不会在以后被中止。这意味着在顶部的环境电场ET必须超过稳定状态的导压梯度E，在30 - 50 kV/m[24]范围内，初始电流为1 A。这个额外的标准不是与变电站相关结构高度相关,意味着环境领域以来upward-connecting领袖《盗梦空间》,根据(4)上方,将超过所需Einfin;范围,为地面线15 - 40米的高度。
图1显示了平均环境场随时间的变化，其中30 m的接地桅杆在下降过程中浸没。
RIZK:对直接闪电攻击的变电站进行建模。
I = 31 kA，径向距离为89 m，对应于所涉及参数的最大吸引半径[3]。负的先导速度被取为2。105米/秒，时间尺度的原点对应于地面上500米时的瞬间。当平均环境场达到46 kV/m时，计算停止，根据[3]对应于从30 m杆端开始连续向上连接的先导。结果表明，随着时间的推移，环境场逐渐上升，随着时间的推移，其上升速率逐渐增大。
图1还显示了随时间变化的双指数函数的场随时间的变化，选择与平均环境场值相一致，这是由于在向上先导的初始阶段，该值为46 kV/m，其值为该值的70% (32 kV/m)。结果表明，在前时间tf = 3.6 ms时，闪电和双指数曲线的场变化都接近于该场域的30%。然而，很明显，在较低的领域水平，这两条曲线之间的差异是巨大的。然而，在开关脉冲电压下的长期空气间隙的实验室经验证明了以下几点。
1)脉冲的下半部分对先导的起始或分解没有显著的影响[25]。在此之前的
通过测试变压器[26]所产生的脉冲发生器和(1-cos)形式产生的双指数脉冲的比较试验[0]。
2)气隙越长，临界击穿特性越不敏感[26]，因此。
用于拟合场曲线上半部分的tf值并不重要。
3)基于类似的参数，之前已经显示[27]，对于较短的避雷针，双指数im-。
脉冲与前面乘以在200micro;s-1女士适合模拟向上领袖《盗梦空间》。随后，在0.5和1.0 m避雷针上使用了250和580的双指数脉冲进行闪电模拟测试[27]。
对于杆或杆，定义了最大吸引半径Ra，以确定在给定的预期回波电流中，下降的负先导的区域的极限，我将被杆捕获。
通过对不同高度和相应的回程电流范围内结构的大量数值分析，确定了杆的吸引半径。
在计算机模拟结果回归的基础上，发现[3]
Ra(h I)= Ahbeta;m Ialpha;m(5)
范围在10 hle;le;50米和5le;le;31 kA,beta;m = 0.422 p.u。p.ualpha;m = 0.615。，A = 2.57，单位在(5)中单位为米和千安培。
由于回波电流是一个统计变量，它从(5)开始，桅杆的吸引半径也是一
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