输电线路合理设计论文提纲

论文题目：架空输电线路雷电监测与故障识别及电晕特性分析

摘要：架空输电线路是电力系统能源传输的重要通道,是电力网络的重要组成部分,其分布区域广泛容易遭受雷击。雷电绕击与反击会造成线路绝缘子闪络,引起开关跳闸造成停电事故,严重影响系统的安全稳定运行。此外雷击后,雷电过电压沿线路侵入变电站,使站内设备承受过高电压,导致电气设备绝缘损坏,造成停电事故,降低了系统的运行可靠性。因此开展线路防雷研究工作具有重要意义。输电线路雷电参数的获取是开展线路防雷研究工作的基础,可为故障类型分类识别及线路的“差异化”防雷策略提供数据支撑。由于雷击输电线路电磁环境复杂,已有的监测装置多安装于变电站内部,站内接线复杂,雷电过电压经过复杂的折反射,不能准确获得实际雷电参数。同时针对雷击故障特征量提取的研究多针对于单一特征量,例如各相导线上的雷电过电压或雷电流,雷击故障是复杂的物理过程,仅靠单一特征量难以完整反应其特征。此外输电线路遭受雷击后产生的冲击电晕有利于线路防雷,在雷电瞬态计算中如果不考虑冲击电晕往往会导致绝缘设计偏保守,导致绝缘裕度设计过大,产生沉没成本。冲击电晕的发展与空间电荷的数量变化与迁移运动密切相关,目前对冲击电晕的研究,缺乏对电晕放电微观粒子数量变化和迁移运动规律的分析。因此深入研究冲击电晕放电微观物理过程,对于解释冲击电晕物理本质和进行雷电波传播特性分析具有重要意义。针对上述问题,本文建立了一套输电线路雷电多参量监测系统,可以对雷击输电线路后的绝缘子串两端电势差和杆塔入地电流进行监测;基于监测参量极性的变化实现对多种输电线路雷击故障的识别;通过监测系统研究冲击电晕对输电线路雷电过电压波传播特性的影响,通过在实验室搭建电晕放电空间电荷测量平台研究空间电荷对输电线路电晕特性的影响,并基于空间电荷特性分析,通过仿真软件建立考虑电晕放电过程中微观粒子数量变化和迁移运动影响的冲击电晕混合数值模型,通过仿真得到的伏库特性曲线建立可应用于雷电波传播特性分析的冲击电晕等值电路模型,并基于空间电荷研究冲击电晕对雷电波传播特性的影响。论文的主要工作如下:（1）研制了融合线路电压及杆塔电流参量的雷击架空输电线路电压、电流同步监测装置与系统。输电线路电压传感器基于空气耦合杂散电容原理实现对线路过电压的无源非接触式测量,采用线板模型和串联法计算了传感器高压臂电容,得到用于初步指导工程设计的线板电容计算公式,并通过Ansoft仿真和实际测量对计算公式进行了验证。针对实际应用环境对传感器的电磁屏蔽结构进行设计并对传感器低压臂电路进行改进。传感器的性能通过在实验室进行工频响应实验和冲击响应实验进行了验证;研制了多外积分罗氏线圈电流传感器,实现了多支路电流叠加为单路输出的杆塔入地电流测量,传感器具有更宽的频带和更宽的电流监测范围。通过定量分析与Saber仿真,实现对线圈结构、绕组匝数等参数的合理匹配。研制了一套分布式的输电线路雷电多参量（电压、电流）监测系统,通过在多基杆塔上架设传感器,结合数据采集及传输单元、供电单元、用户单元构成监测系统,实现对110k V等级站外输电线路雷电多参量的在线监测。（2）提出了一种通过监测雷电参量极性的变化实现对不同输电线路雷击故障类型进行分类识别的方法。通过EMTP-ATP搭建输电线路雷击仿真模型,对输电线路不同雷击故障情况进行了仿真分析。基于时域分析和小波模极大值原理选取杆塔入地电流极性、绝缘子两端电势差极性和杆塔入地电流突变极性作为识别特征量,建立了一种基于电压、电流极性鉴别的雷击识别方法,仿真与实测数据验证了该方法的可行性。（3）提出了一种基于空间电荷改变导线周围电场分布而引起电晕笼壁电磁感应电压发生畸变的空间电荷测量方法,进而研究空间电荷对输电线路电晕特性的影响。导线上冲击电晕放电产生大量空间电荷,改变了线路运行电气环境,对线路周围空间电场分布产生影响。由于户外线路运行环境复杂,冲击电压频率过高,对分析系统的精度要求极高,因此在实验室内通过简化线路电晕放电结构,搭建基于电晕笼的输电线路电晕放电空间电荷分析平台,研究输电线路交流电晕特性和单极性冲击电晕特性,分析电晕引起的空间电荷对输电线路电晕特性的影响,为后续建立基于空间电荷数量变化和运动迁移规律分析的冲击电晕模型,进行前期空间电荷特性探索。（4）综合考虑电晕放电过程中存在的多种微观物理过程,建立了基于空间电荷分析的冲击电晕混合数值模型。仿真分析了空间电荷影响下输电线路周围粒子密度分布规律、场强分布规律及电荷损失规律,通过仿真得到对应伏库特性曲线,基于冲击电晕等值电路模型形式,参数拟合得到模型参数,得到冲击电晕等值电路模型。进而通过等值电路模型,基于空间电荷角度,对雷电波传播特性进行分析。

关键词：输电线路;雷电监测;故障识别;电晕特性分析;冲击电晕模型

学科专业：电气工程

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 雷电输电线路在线监测方法研究现状

1.2.1 输电线路雷电流参数监测方法

1.2.2 输电线路雷电过电压参数监测方法

1.3 输电线路雷击故障类型识别方法研究现状

1.3.1 输电线路雷击故障仿真模型

1.3.2 输电线路雷击故障类型识别

1.4 输电线路电晕特性研究现状

1.4.1 电晕放电数值模型

1.4.2 电晕放电等值电路模型

1.5 本文研究内容

2 雷击输电线路电压、电流测量方法与系统研究

2.1 引言

2.2 基于电容耦合效应的非接触式过电压传感器研究

2.2.1 电压传感器工作原理概述

2.2.2 电压传感器高压臂电容计算与仿真

2.2.3 电压传感器参数选择

2.2.4 电压传感器结构设计

2.2.5 电压传感器性能测试实验

2.3 多外积分罗氏线圈并联的杆塔入地雷电流测量方法研究

2.3.1 电流传感器电路模型

2.3.2 电流传感器电路模型分析

2.3.3 电流传感器仿真分析

2.3.4 电流传感器参数选择

2.4 高压输电线路雷电监测系统装置设计

2.4.1 数据前置电路设计

2.4.2 数据采集模块设计

2.4.3 信号监控模块设计

2.5 高压输电线路雷电监测系统的构建及现场应用

2.6 本章小结

3 基于电压、电流极性鉴别的输电线路雷击故障识别研究

3.1 引言

3.2 输电线路雷击故障下传感器监测参量物理变化过程分析

3.2.1 杆塔绝缘子串电势差变化规律分析

3.2.2 杆塔入地电流变化规律分析

3.3 基于EMTP-ATP的多种输电线路直击雷故障仿真研究

3.3.1 输电线路雷击仿真模型建立

3.3.2 雷电绕击输电线路下绝缘子两端电势差及杆塔电流波形分析

3.3.3 雷电反击下输电线路绝缘子两端电势差及杆塔电流波形分析

3.4 输电线路雷击故障聚类特征量提取

3.4.1 基于时域分析的输电线路雷击故障聚类特征量提取

3.4.2 基于小波模极大值的输电线路雷击故障聚类特征量提取

3.5 基于电压、电流极性鉴别的输电线路直击雷识别方法

3.6 本章小结

4 输电线路电晕放电空间电荷特性分析

4.1 引言

4.2 基于空间电荷的输电线路传播特性分析

4.2.1 空间电荷对雷电过电压波形幅值的影响

4.2.2 空间电荷对雷电过电压波形形貌的影响

4.3 输电线路电晕放电空间电荷测量方法及平台

4.3.1 空间电荷测量方法

4.3.2 空间电荷测量平台

4.4 交流电晕空间电荷特性分析

4.4.1 交流电晕空间电荷波形分析

4.4.2 交流电晕等值电路模型

4.4.3 交流电晕数学模型

4.4.4 交流电晕等值电路模型参数确定

4.4.5 交流电晕空间电荷Q-V特性曲线分析

4.4.6 交流电晕空间电荷Q-T特性曲线分析

4.5 单极性冲击电晕空间电荷特性分析

4.5.1 电压幅值对空间电荷Q-V特性曲线的影响

4.5.2 导线线径对空间电荷Q-V特性曲线的影响

4.5.3 电压极性对空间电荷Q-V特性曲线的影响

4.6 小结

5 基于空间电荷的冲击电晕混合数值模型与传播特性分析

5.1 引言

5.2 冲击电晕仿真计算模型

5.2.1 模型假设

5.2.2 控制方程

5.2.3 混合算法求解流程

5.3 冲击电晕混合数值算法

5.3.1 采用优化模拟电荷法求解标称电场

5.3.2 采用有限元法求解泊松方程

5.3.3 采用有限体积法求解粒子连续性方程

5.3.4 混合数值算法验证

5.4 雷击输电线路冲击电晕特性仿真分析

5.4.1 空间电荷作用下的场强分布

5.4.2 电子密度分布规律

5.4.3 离子密度分布规律

5.4.4 空间电荷分析

5.5 冲击电晕模型的建立与雷电波传播特性分析

5.5.1 冲击电晕模型参数选取

5.5.2 基于空间电荷的雷电波传播特性分析方法

5.5.3 110k V输电线路雷电波传播特性分析

5.5.4 试验验证

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

C.学位论文数据集

致谢