雷电波折、反射对日常生活的影响研究

马莹

摘要

该文分析了线路波阻抗对行波折射电压的影响，重点分析了线路末端开路时，同时通过Matlab/Simulink仿真软件验证雷电波在传播的过程中电压电流的变化，折射电压会对终端线路会产生最高二倍的过电压，在线路末端会发生电磁能量的转换，以分析雷电对日常生活造成的危险。

【关键词】波阻抗 行波 折射电压

电力系统中各元件都是通过导线联接程一个整体，即电力系统中不同波阻抗的线路连接在一起，例如一条架空线与一根电缆相连，两条线路连接的点称为节点，为了保持单位长度导线的电场能量和磁场能量总和相等，当行波运动到节点时，会发生电磁场能量的重新分配过程，即在节点处会发生行波的反射和折射，根据线路波阻抗不同，产生的折射电压大小不同。电力系统中的过电压绝大多数是发源于输电线路，在发生雷击或进行开关操作时，线路上都可能产生以流动形式出现的过电压波。

1 折射系数、反射系数

一条波阻抗为Z1的线路与另一条波阻抗为Z2的线路在节点。相连，一无限长直角波从线路1向线路2传播，对O点来说，第一条线路的前行波U1q就是投射到。点上的入射波;U1q经过节点O，会在节点O位置会在线路2上产生一个折射波U2q，同时在节点O位置又产生一个反向的反射波U1f。

经过推导得出折射波電压、反行波电压分别为：

其中，αu为电压折射系数，βu为电流折射系数，α的取值范围是[0，2]，β的取值范围是[-1，1]。

2 波阻抗对折射电压的影响

两条波阻抗不同的线路连接在一起，折射波的波形与入射波的波形不同。根据式（1）得：

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

在生活中会遇到观看有线电视时，画面重影和图像不清楚。因为有线电视信号传播也是行波的波过程问题，当电视传输线的波阻抗与某些频道的波阻抗不同时，会发生行波折反射，当频道波阻抗大于线路波阻抗时会出现重影，当频道波阻抗小于线路波阻抗时图像不清楚。

3 线路末端开路对折射电压的影响

一条线路末端开路，t=0时刻，A点有一无限长直角波U1沿线路传播，求U1到达开路点后，会发生波的折、反射。当线路末端开路时，可以看成波阻抗为Z的线路1与波阻抗为无穷大的线路2连接。

根据公式（1）、（2），可以得出折、反射电压。

折射电压：

反射电压：

由此可知，电压入射波U1q到达开路末端后将发生电压正的全反射，即反射波运行到哪个位置，哪个位置就会形成两倍过电压，哪个位置发生了开路，电压全反射是行波折反射过程中最大过电压倍数。

折射电流：

反射电流：

通过MATLAB/Simulink模拟雷电波对线路末端开路情况的模拟，通过可控电压源模拟行波入侵，同时用时间控制模块对电压源进行控制，仿真中采用0.02s时有行波入侵，线路的参数采用分布参数线路，模拟线路0.02s时，有一无限长直角波入侵线路，线路末端电压波形如图1所示，线路末端电流波形如图2所示。

根据设置线路的长度，选择线路的电感与电容值，由波阻抗及波速得出行波在0.06s时发生行波的折射和反射，使线路最大电压提高到2000V，电流波到达节点后发生了负的全反射，即随着电流反射波的逆向传播，其所到之处的电流均为零。整个行波在传播的过程中，电压加倍，电流变零的现象可以通过能量转换来解释，开路末端处的电流永远为零，电流在此处发生负的全反射，使电流发射波所流过的线段上的总电流变为零，即储存的磁场能量全部转化为电场能量。

4 结束语

行波在不同线路波阻抗连接点处会发生行波的折、反射，两条线路波阻抗大小不同时，产生的折射电压有可能大于反射电压，特别当线路末端开路时，会产生电压正的全反射，即两倍的过电压，这就要在生活中引起注视，避免在雷雨季节接触室内的终端线路。在日常生活中，屋里的插座是线路的末端，有发生电压全反射的危险，所以雷雨天气靠墙一侧的人更容易受到雷电的威胁，同时枢纽变电站既有进线端又有出线端，所以行波对枢纽变电所的威胁没有对终端变电所的威胁大。

参考文献

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