城市中的信号、电力传输系统,通常以架空线路的形式存在,其安全受到雷电的极大威胁。除了遭受直击雷的损害,架空线路更多是由雷电产生的感应过电压而造成不可逆转的侵害。架空输电线路的雷击感应过电压计算是电力线路绝缘设计、采取防雷保护措施的基础计算,近几年我国对雷电感应过电压定量分析的算法也得以逐渐深入和完善。因此,研究雷电感应过电压的计算方法、分析雷电感应过电压特性,对完善架空配电线路雷电防护的理论基础、优化防护方案、提高配电网的耐雷性能显得尤为必要。对于架空输电线雷电感应过电压的计算,目前国内外主要采用"两步走"的算法来实现,即首先计算输电线周围高功率雷电电磁脉冲场,然后通过输电线耦合模型得到线路上的感应过电压。计算输电线周围高功率雷电电磁脉冲场的方法很多,主要有Delfino等提出的精确解方法、Cooray-Rubinstein和Wait等提出的近似算法,以及数值模拟方法等,如矩量法(method of moment,MOM)、二维时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)算法。输电线耦合模型目前常用的主要有Taylor模型、Agrawal模型和Rachidi模型这3种,其中应用最普遍的是Agrawal模型。随着城市化的发展,架空线路贯穿于整个城市之中,其周围不可避免地会存在一些较高的建筑物,由于这些建筑是由钢筋等一些金属构架组成,在附近发生雷击时,会非常显著地影响周围电磁场的分布及架空线路感应电压的变化。但迄今为止,关于建筑物对耦合电压的影响研究并不多。本文以Agrawal耦合模型为基础,利用二维时域有限差分方法,计算了理想状态下架空线附近的电磁场环境及在架空线上感应出的耦合电压,研究了建筑物位置、高度及回击电流等因素对电磁环境及耦合电压的影响。结果表明:建筑物的存在削弱了架空线附近的垂直电场,对水平电场也存在较大影响,当建筑物分别位于架空线两侧时,水平电场方向相反;建筑物高度的增加对架空线附近的水平电场波形影响不大,当建筑物高度或者建筑物与闪电通道距离增大时,垂直电场均减小;建筑物对架空线路上的耦合电压具有明显的衰减作用,不论其位于架空线的哪一侧,在一定的范围内,建筑物越高,距离架空线越近,衰减作用越明显;若考虑电导率的影响,电导率越小时,架空线上的耦合电压越大,建筑物对耦合电压的峰值影响越小。
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