高電壓課程設(shè)計(jì)

目錄摘要................................................................11.雷電形成機(jī)理......................................................21.1雷電概述.....................................................21.2形成機(jī)理.....................................................21.3雷電分類.....................................................32.雷電流波形在防雷計(jì)算中的作用......................................42.1電力系統(tǒng)防雷概述.............................................42.2雷電流波形...................................................42.3作用分析.....................................................53.雷電流波函數(shù)表達(dá)式................................................63.1雙指數(shù)函數(shù)模型...............................................63.2Heidler函數(shù)模型..............................................73.3脈沖函數(shù)模型.................................................74.雷電流仿真模型....................................................84.1雙指數(shù)函數(shù)模型...............................................84.2Heidler函數(shù)模型.............................................84.3脈沖函數(shù)模型.................................................84.4模型對(duì)比分析.................................................95.仿真結(jié)果.........................................................116.參考文獻(xiàn).........................................................13內(nèi)容。電力系統(tǒng)的過電壓包括雷電過電壓（又稱大氣過電壓、外部過電壓）和內(nèi)塔或?qū)Ь€）放電造成。一般雷電過電壓幅值較高，超過系統(tǒng)的額定工作電壓，但作用時(shí)間較短，波頭時(shí)間大多數(shù)為1.5～2微秒，平均波長(zhǎng)時(shí)間為30微秒，大于50微秒的很少。雷擊除了會(huì)威脅輸電線路和電工設(shè)備的絕緣外，還會(huì)危害高建筑物、通信線路、天線、飛機(jī)、船舶、油庫等設(shè)備的安全。因此，這些方面的防雷也屬于高電壓技術(shù)的研究對(duì)象。常被模擬為波頭時(shí)間>2μs的雙指數(shù)波。但有觀測(cè)結(jié)果表明實(shí)測(cè)的雷電流波形可能要陡得多，波頭時(shí)間<1μs的并不罕見。現(xiàn)有文獻(xiàn)在雷電流波形對(duì)室內(nèi)磁場(chǎng)分布的影響方面尚缺乏研究。關(guān)鍵詞：雷電流波形MATLAB雷電流函數(shù)仿真11.1.1雷電概述均電流是3萬安培，最大電流可達(dá)30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10功率。放電過程中，由于閃電通道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生們見到和聽到的閃電雷鳴。1.2形成機(jī)理雷電是因?yàn)橄募镜孛娓撸终舭l(fā)產(chǎn)生強(qiáng)烈的向上的含有大量蒸氣的氣流，這個(gè)氣流使云中的冰晶產(chǎn)生碰撞和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)溫度不同的冰晶相互碰撞時(shí)，溫度高的得到電子因而帶有負(fù)電，溫度低的冰晶失去電子帶有正電。在運(yùn)動(dòng)中，論，大間隙的空氣擊穿后，形成等離體和正電荷團(tuán)，兩者的結(jié)合稱為向下先導(dǎo)。雷聲和看到閃電。電荷團(tuán)就和周圍的電子復(fù)合，從而發(fā)出光和熱，這樣就產(chǎn)生了雷聲和閃電。21.3雷電分類3大類。1．熱雷電是夏天經(jīng)常在午后發(fā)生的一種雷電，經(jīng)常伴有暴雨或冰雹。熱雷1～2小時(shí)；雷區(qū)長(zhǎng)度不超過200～300km，寬度不1）空氣非常潮濕，空氣中的水2）晴朗的夏天、烈日當(dāng)頭，地面3）無風(fēng)或小風(fēng)，造成空氣濕度和溫度不均勻。無風(fēng)或小風(fēng)多在內(nèi)陸地帶，尤其是山谷、盆地。2．強(qiáng)大的冷氣流或暖氣流同時(shí)侵入某處，冷暖空氣接觸的鋒面或附近可產(chǎn)生冷鋒雷電。（1）冷鋒雷（或叫寒潮雷）的形成是強(qiáng)大的冷氣流由北向南入侵時(shí)，因冷上升，熱而潮的空氣上升到一定高度，水蒸氣達(dá)到飽和，逐漸形成雷云。冷鋒雷百千米長(zhǎng)、20～60km50～60km可達(dá)每小時(shí)100km）暖鋒雷（或叫熱潮雷）的形成是當(dāng)暖氣流移動(dòng)到冷空氣烈的雷雨。3．地形雷電一般出現(xiàn)在地形空曠地區(qū)，它的規(guī)模較小，但比較頻繁。32.2.1電力系統(tǒng)防雷概述實(shí)現(xiàn)各行各業(yè)的積極運(yùn)轉(zhuǎn)、經(jīng)營(yíng)等。電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行對(duì)于我們的日常生活、系統(tǒng)都投入很大的人力物力開展有關(guān)研究以應(yīng)對(duì)雷電影響。2.2雷電流波形雷電流是1幅值,3個(gè)參數(shù)來表示,電流從零上升到幅值的的時(shí)間,又稱為波前時(shí)間；半幅值時(shí)間是指從零上升到幅值,處常常疊加有振蕩,上升沿取0.1Im和0.9Im兩點(diǎn)A和將AB連線上下延伸,交時(shí)間軸和幅值的水平線與M、C兩點(diǎn)，則該兩點(diǎn)間水平距離T1即為波頭時(shí)間；再由0.5Im的半幅值水平線交波尾與D點(diǎn)，則MD兩點(diǎn)間水平距離T2即為半幅值時(shí)間，此時(shí)該波形可記為T1/T2。42.3作用分析雷電流的幅值、波前時(shí)間和陡度、波長(zhǎng)等都在很大的范圍內(nèi)變化，但雷電流的波形卻都是非周期性的沖擊波。在防雷計(jì)算中，可按不同的要求，采用不同的計(jì)算波形。經(jīng)過簡(jiǎn)化和典型化后可得出以下幾種常用的計(jì)算波形。53.3.1雙指數(shù)函數(shù)模型根據(jù)觀測(cè)結(jié)果表明，雷電流隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的規(guī)律，1941年Bruce和Glode提出了雙指數(shù)函數(shù)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，在ITU-T推薦的防雷標(biāo)準(zhǔn)中，把它作為電流理論計(jì)算的表達(dá)式i(0,t)={0，t<0(1))?)]，t≥00式中，i(t)為雷電的瞬時(shí)電流，常數(shù)α和β的大小可以由閃電的三個(gè)特性得到一般α遠(yuǎn)小于β)，即沿先導(dǎo)通道的電荷密度、回?fù)羲俣燃盎負(fù)暨^程中的先導(dǎo)電荷復(fù)合率。針對(duì)式，假設(shè)峰值時(shí)間為Tp，峰值為Im半峰值時(shí)間為Th(1)兩邊求導(dǎo)，令導(dǎo)數(shù)為零。即：=?)=0(2)0得到：=1(3)代入式子得到??=?)(4)0代入半峰時(shí)間可以得到計(jì)算結(jié)果1=?)(5)02???=?)(6)從式子中可以看到，Im不僅與Iαβ有關(guān)，TpTh與、0β之間也有著復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系。63.2Heidler函數(shù)模型1995發(fā)表的IEC1312-1中，提出了供分析用的雷電流解析表達(dá)式()i(t)=0??(1)121+()1式子(1)是基于霍德勒模型和傳輸線模型提出的，適用于首次雷擊(10/350us)和后續(xù)雷擊(0.25/100us)。式中，lη為電流修正因子01η=×)](2)122n為電流陡度因子，T為波頭時(shí)間常數(shù)，T為波尾時(shí)間常數(shù)，(1)式中的各個(gè)12n=10，T=10μs，T=350μs，l=50kA。1203.3脈沖函數(shù)模型出了脈沖函數(shù)模型i(t)=(11)?(1)02式子中，I為峰值電流，η為電流修正因子，n為電流陡度因子，T為波01頭時(shí)間常數(shù)，T為波尾時(shí)間常數(shù)，定義峰值修正系數(shù)2η=(1)2q=?+2)(2)1?11以此來計(jì)算峰值修正系數(shù)。74.4.1雙指數(shù)函數(shù)模型functiony=i1(t,k,a,b)y=k*(exp(-a*t)-exp(-b*t));end>>t=[0:10^-6:6*10^-4]>>i=i1(t,5*10^6,2.857*10^3,10^5)>>plot(t,i)4.2Heidler函數(shù)模型functiony=i1(t,k,a,b)p=(t./a).^10;y=k.*(p./(1+p)).*exp(-t./b);end>>t=[0:10^-6:8*10^-4]>>i=i1(t,5*10^4,10^-5,3.5*10^-4)>>plot(t,i)4.3脈沖函數(shù)模型functiony=i1(t,k,a,b)p=exp(-t./a);q=exp(-t./b);y=k.*((1-p).^2).*q;end>>t=[0:10^-6:8*10^-4]>>i=i1(t,5*10^4,10^-5,3.5*10^-4)8>>plot(t,i)4.4模型對(duì)比分析函數(shù)的exp(-αt)決定了函數(shù)波形的衰減部分，exp(-βt)決定了其上升沿陡度脈沖函數(shù)和Heidler函數(shù)對(duì)應(yīng)衰減項(xiàng)相同，指數(shù)項(xiàng)exp(-t/T決定了其波形的衰減部分。2對(duì)雙指數(shù)函數(shù)，令α=1/T，β=1/T，則三個(gè)波形走向很相似。21Iαβ的物理意義不明確，與峰值、峰值時(shí)間和半峰值時(shí)間的關(guān)0系不明確。第二，函數(shù)表達(dá)式在t=0時(shí)沒有連續(xù)的一階導(dǎo)數(shù)，這明顯不符合閃電過程的物理特性。Heidler函數(shù)模型克服了雙指數(shù)函數(shù)模型的缺點(diǎn)，雷電流的各數(shù)來得到雷電流的特征參數(shù)，如電流峰值等。但是，它的最大缺陷是不可積分，克服了上述兩種模型的缺點(diǎn)，可作為較為理想的雷電流計(jì)算表達(dá)式。n上在n=1函數(shù)的修正。比較三個(gè)波形中雷電流的上開沿，可發(fā)現(xiàn)Heidler函數(shù)和脈沖函數(shù)相對(duì)于雙Heidler到達(dá)峰值的時(shí)間最短，到達(dá)最大值后，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)下降到最小值，可真實(shí)地反映出雷電的干擾作用。因此，用Heidler函數(shù)模型作為雷電流隨時(shí)間變化關(guān)系的數(shù)學(xué)模型比選用其他模型更符合雷電流發(fā)展的規(guī)律。9時(shí)，其靜電場(chǎng)項(xiàng)和時(shí)間的積分有關(guān)，所以，考慮到雙指數(shù)函數(shù)在t=0時(shí)沒有連續(xù)的一階導(dǎo)數(shù)，Heidler的波形也能和Heidler函數(shù)波形有更近似的曲線特性，更好地反映出雷電的發(fā)展規(guī)律和特征參數(shù)。105.使用MATLAB仿真得到的三個(gè)圖形分別如下圖5-1雙指數(shù)函數(shù)模型仿真圖11圖5-2Heidler函數(shù)模型仿真圖圖5-3脈沖函