题目：雷电绕击特高压输电线路的电磁场建模与仿真

我国特高压电网建设发展迅速，根据国外特高压电网运行经验，此电压等级的电网跳闸事故主要由雷电绕击引起。因此，雷电绕击机理和雷电绕击电磁场理论的研究，对特高压输电线路防雷设计和雷电防护标准的制定具有重要的科学意义和工程应用价值。雷电下行先导模型是雷电运动仿真和雷击研究的基础，在防雷工程、雷电绕击输电线路的理论研究中必不可少。本文首先结合长间隙放电理论并基于自然雷电观测，给出了描述雷电下行先导发展特性的下行先导通道电流和下行先导模拟电荷两种模型。下行先导通道电流模型的物理形状由电流恒定的主通道和电流周期变化的先导头部两部分组成，其数学模型较精确地描述了雷电向地面发展的梯级性和先导头部电荷聚集特性，采用模拟电荷法和偶极子法求解了雷电下行先导产生的地面电场，仿真结果表明，远区地面电场的平均峰值、峰峰时间间隔与雷电观测值，以及不同回击电流峰值下的近区地面电场与人工引雷观测结果均具有较好的一致性。下行先导模拟电荷模型的电荷体密度均匀，物理形状由细长圆锥体主通道和半球体先导头部组成，其能够较准确地模拟雷电产生的近区电场，此外，该模型还具有简单的特点，因此本文在研究雷电绕击特高压输电线路时采用该模型。其次，研究了特高压直流输电线路周围的电场分布。该研究结果直接指导仿真雷击输电线路时，导线周围上行先导起始位置的选取。仿真结果表明：分裂导线周围电场由中心向外迅速衰减，并呈不对称状分布；导线为中心，斜向外45°方向电场强度最大，电晕电荷密度较大，可作为上行先导准起始位置。再次，建立了由下行先导、上行先导、特高压直流输电线路、大地组成的雷电绕击电磁系统模型，运用该模型进行了仿真，并综合分析了特高压输电线路距地高度、保护角、运行电压以及下行先导起偏角对击距和相对绕击率的影响。研究结果表明：（1）上述因素中运行电压对击距影响最小；（2）上述因素都存在临界值，超过临界值，相对绕击率急剧增加；（3）特定输电系统中存在最大的绕击电流，超过此电流值相对绕击率逐渐下降；（4）负保护角对防御具有一定起偏角的下行先导效果较好，但存在避雷线档距间绕击的问题，可以通过提高负极性侧避雷线高度解决。最后，根据仿真结果给出了适用于特高压直流输电线路的击距公式，并给出了特高压直流输电线路的防雷建议。