雷電波折、反射對日常生活的影響研究

馬瑩

摘要

該文分析了線路波阻抗對行波折射電壓的影響，重點分析了線路末端開路時，同時通過Matlab/Simulink仿真軟件驗證雷電波在傳播的過程中電壓電流的變化，折射電壓會對終端線路會產(chǎn)生最高二倍的過電壓，在線路末端會發(fā)生電磁能量的轉(zhuǎn)換，以分析雷電對日常生活造成的危險。

【關鍵詞】波阻抗 行波 折射電壓

電力系統(tǒng)中各元件都是通過導線聯(lián)接程一個整體，即電力系統(tǒng)中不同波阻抗的線路連接在一起，例如一條架空線與一根電纜相連，兩條線路連接的點稱為節(jié)點，為了保持單位長度導線的電場能量和磁場能量總和相等，當行波運動到節(jié)點時，會發(fā)生電磁場能量的重新分配過程，即在節(jié)點處會發(fā)生行波的反射和折射，根據(jù)線路波阻抗不同，產(chǎn)生的折射電壓大小不同。電力系統(tǒng)中的過電壓絕大多數(shù)是發(fā)源于輸電線路，在發(fā)生雷擊或進行開關操作時，線路上都可能產(chǎn)生以流動形式出現(xiàn)的過電壓波。

1 折射系數(shù)、反射系數(shù)

一條波阻抗為Z1的線路與另一條波阻抗為Z2的線路在節(jié)點。相連，一無限長直角波從線路1向線路2傳播，對O點來說，第一條線路的前行波U1q就是投射到。點上的入射波;U1q經(jīng)過節(jié)點O，會在節(jié)點O位置會在線路2上產(chǎn)生一個折射波U2q，同時在節(jié)點O位置又產(chǎn)生一個反向的反射波U1f。

經(jīng)過推導得出折射波電壓、反行波電壓分別為：

其中，αu為電壓折射系數(shù)，βu為電流折射系數(shù)，α的取值范圍是[0，2]，β的取值范圍是[-1，1]。

2 波阻抗對折射電壓的影響

兩條波阻抗不同的線路連接在一起，折射波的波形與入射波的波形不同。根據(jù)式（1）得：

當Z2小于Z1時，α小于1，U2q比U1q的幅值低;當Z2大于Z1時，α大于1，U2q比U1q的幅值高。

在生活中會遇到觀看有線電視時，畫面重影和圖像不清楚。因為有線電視信號傳播也是行波的波過程問題，當電視傳輸線的波阻抗與某些頻道的波阻抗不同時，會發(fā)生行波折反射，當頻道波阻抗大于線路波阻抗時會出現(xiàn)重影，當頻道波阻抗小于線路波阻抗時圖像不清楚。

3 線路末端開路對折射電壓的影響

一條線路末端開路，t=0時刻，A點有一無限長直角波U1沿線路傳播，求U1到達開路點后，會發(fā)生波的折、反射。當線路末端開路時，可以看成波阻抗為Z的線路1與波阻抗為無窮大的線路2連接。

根據(jù)公式（1）、（2），可以得出折、反射電壓。

折射電壓：

反射電壓：

由此可知，電壓入射波U1q到達開路末端后將發(fā)生電壓正的全反射，即反射波運行到哪個位置，哪個位置就會形成兩倍過電壓，哪個位置發(fā)生了開路，電壓全反射是行波折反射過程中最大過電壓倍數(shù)。

折射電流：

反射電流：

通過MATLAB/Simulink模擬雷電波對線路末端開路情況的模擬，通過可控電壓源模擬行波入侵，同時用時間控制模塊對電壓源進行控制，仿真中采用0.02s時有行波入侵，線路的參數(shù)采用分布參數(shù)線路，模擬線路0.02s時，有一無限長直角波入侵線路，線路末端電壓波形如圖1所示，線路末端電流波形如圖2所示。

根據(jù)設置線路的長度，選擇線路的電感與電容值，由波阻抗及波速得出行波在0.06s時發(fā)生行波的折射和反射，使線路最大電壓提高到2000V，電流波到達節(jié)點后發(fā)生了負的全反射，即隨著電流反射波的逆向傳播，其所到之處的電流均為零。整個行波在傳播的過程中，電壓加倍，電流變零的現(xiàn)象可以通過能量轉(zhuǎn)換來解釋，開路末端處的電流永遠為零，電流在此處發(fā)生負的全反射，使電流發(fā)射波所流過的線段上的總電流變?yōu)榱悖磧Υ娴拇艌瞿芰咳哭D(zhuǎn)化為電場能量。

4 結(jié)束語

行波在不同線路波阻抗連接點處會發(fā)生行波的折、反射，兩條線路波阻抗大小不同時，產(chǎn)生的折射電壓有可能大于反射電壓，特別當線路末端開路時，會產(chǎn)生電壓正的全反射，即兩倍的過電壓，這就要在生活中引起注視，避免在雷雨季節(jié)接觸室內(nèi)的終端線路。在日常生活中，屋里的插座是線路的末端，有發(fā)生電壓全反射的危險，所以雷雨天氣靠墻一側(cè)的人更容易受到雷電的威脅，同時樞紐變電站既有進線端又有出線端，所以行波對樞紐變電所的威脅沒有對終端變電所的威脅大。

參考文獻

[1]趙智大.高電壓技術(shù)[M].中國電力出版社，2016.

[2]戴琦.雷擊閃絡電弧電磁特性與電力系統(tǒng)故障分析研究[D]，廣西大學，2018.

[3]王晶主編.電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK仿真及應用[M].西安電子科技大學出版社，2008.

[4]劉勇.區(qū)域輸電網(wǎng)雷擊閃絡風險評估技術(shù)研究[D].華南理工大學，2012.