一種利用小雷電流沖擊測(cè)試得到接地裝置沖擊阻抗的方法
【專利說明】-種利用小雷電流沖擊測(cè)試得到接地裝置沖擊阻抗的方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)接地技術(shù)研究領(lǐng)域，設(shè)及一種利用小雷電流沖擊測(cè)試得到接 地裝置沖擊阻抗的方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 合格的接地裝置是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的根本保證。多年來，由于我國(guó)線路桿 塔接地裝置沖擊阻抗無法準(zhǔn)確測(cè)試、評(píng)估，再加上±壤環(huán)境條件的影響，測(cè)試條件的限制等 原因，導(dǎo)致目前對(duì)桿塔類接地沖擊阻抗的準(zhǔn)確評(píng)估無法開展，成為威脅電力系統(tǒng)安全運(yùn)行 的一大隱患。當(dāng)輸電線路發(fā)生雷擊事故時(shí)，接地系統(tǒng)可能注入高頻大沖擊電流，接地裝置雷 電沖擊特性主要是指雷電流通過接地裝置向周圍大地散流的特征，通常表現(xiàn)為雷擊后接地 裝置的沖擊接地阻抗和暫態(tài)地電位升高。輸電線路桿塔接地裝置的沖擊接地阻抗決定了雷 擊時(shí)的塔頂電位，從而影響線路絕緣子串承受的過電壓及反擊閃絡(luò)概率，直接關(guān)系到線路 的防雷效果。接地網(wǎng)的沖擊接地阻抗過大將產(chǎn)生較大的暫態(tài)地電位升導(dǎo)致線路雷電反擊。
[0003] 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，由于雷擊輸電線路而引起的事故日益增多。電力系統(tǒng)的運(yùn) 行經(jīng)驗(yàn)表明，大多數(shù)輸電線路故障都是由于雷擊輸電線路或桿塔引起跳閩所致。雷擊跳閩 的雷電反擊因素約占50%，而雷電反擊是由于接地阻抗不良所致。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)如下：國(guó)家 電網(wǎng)公司跨區(qū)電網(wǎng)輸電線路2003年至2005年雷擊故障分別占總故障跳閩的45%、34%、 17% ;國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)llOkV~500kV線路雷擊閃絡(luò)跳閩占線路總跳閩的35. 12% ;在湖 北超高壓線路前20年運(yùn)行中，發(fā)生雷害事故就有19次，占故障跳閩總次數(shù)的57. 6%。根據(jù) 電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計(jì)表明，在我國(guó)跳閩率比較高的地區(qū)，高壓線路運(yùn)行的總跳閩次數(shù)中，由雷 擊引起的次數(shù)約占40%~70%，尤其是在多雷、±壤電阻率高、地形復(fù)雜的地區(qū)，雷擊輸電 線路引起的事故率更高，運(yùn)將給社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。日本50%W上電力系統(tǒng)事故是 由于雷擊輸電線路引起?？梢姡纂娛菄?yán)重威脅電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要因素。提高 輸電線路的耐雷水平，降低雷擊跳閩率對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有非常重要的意義。在線路 桿塔的設(shè)計(jì)中，線路桿塔接地裝置的沖擊接地阻抗直接影響到線路的防雷效果。
[0004] 但隨著國(guó)家電網(wǎng)公司研究技術(shù)的發(fā)展，和市場(chǎng)科技的不斷進(jìn)步，便攜式小容量的 模擬雷電電流源已發(fā)展愈加成熟，通過相同波形下小電流與大電流的桿塔接地極沖擊試 驗(yàn)，探討之間是否存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，為桿塔接地裝置沖擊接地電阻的小電流測(cè)量奠定基礎(chǔ)。 陽〇化]接地裝置在工頻電流與雷電流作用下的響應(yīng)完全不同，主要?dú)w因于雷電流通過接 地裝置向大地散流時(shí)的特征。因受火花效應(yīng)、電感效應(yīng)的影響，接地裝置的暫態(tài)接地阻抗呈 現(xiàn)出時(shí)變性和頻變性的特點(diǎn)，火花效應(yīng)導(dǎo)致接地裝置暫態(tài)電阻減小，而電感效應(yīng)導(dǎo)致接地 裝置暫態(tài)電阻增大。
[0006] 就火花效應(yīng)對(duì)接地裝置的沖擊特性影響研究，國(guó)內(nèi)外研究者分別有不同的側(cè)重 點(diǎn)。國(guó)外學(xué)者側(cè)重在研究上壤的放電機(jī)理、上壤的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、火花效應(yīng)對(duì)沖擊特性的 影響等方面。對(duì)于±壤臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，Oettle在1942年發(fā)表的文章中，對(duì)幾種不同類型 的±壤進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，得到±壤臨界電離梯度為600-1850kV/m;同時(shí)，Oettle還認(rèn)為±壤 的擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電阻率相關(guān)，并給出了其表達(dá)式。Mouse在研究了不同學(xué)者的大量沖擊電阻 測(cè)量實(shí)驗(yàn)之后，分析了±壤的擊穿機(jī)理和不同因素對(duì)其影響，提出了±壤的臨界電離梯度 為300kV/m。CIGRE(國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議）在1994年的工作組報(bào)告中建議E。取值為400kV/ m，但是沒有給出任何解釋。對(duì)于±壤放電機(jī)理，F(xiàn)lanagan認(rèn)為±壤擊穿的起始過程主要還 是電的過程，是由±壤顆粒間的空氣間隙的擊穿產(chǎn)生的，Leadon等人通過將±壤間隙的空 氣由SFe替代后的擊穿試驗(yàn)證明了±壤的放電設(shè)及到±壤顆粒間空氣的電離；D.P.Snowden 等人通過對(duì)±壤擊穿時(shí)時(shí)延的觀測(cè)，認(rèn)為±壤起始擊穿主要是由于±壤水分的熱過程。對(duì) 于火花效應(yīng)對(duì)沖擊特性影響，1985年，M.Loboda在圓筒形試驗(yàn)裝置中研究不同種類±壤 的火花放電特性，并在試驗(yàn)中測(cè)量得到火花放電區(qū)域內(nèi)存在10% -30%的電壓降。因此不 可粗略地將火花放電區(qū)域±壤電阻率簡(jiǎn)化等效為金屬導(dǎo)體電阻率。YaqingLiu和化Ison Theethayi對(duì)其在高電壓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的沖擊特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)W及多篇文獻(xiàn)中沖擊特性試驗(yàn)數(shù) 據(jù)進(jìn)行詳盡的分析，認(rèn)為火花放電區(qū)域的±壤電阻率保持在原始±壤電阻率百分之幾的水 平上；他們通過分析大量的沖擊特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)認(rèn)為：火花區(qū)域內(nèi)的剩余±壤電阻率與原始 ±壤電阻率的百分比在1. 7%到47%之間呈正態(tài)分布，其幾何平均值為6. 77%，平均值為 7%。SekiokaS等人認(rèn)為放電區(qū)域的電阻率隨電流密度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系變化，即±壤中火 花放電的劇烈程度，與運(yùn)塊±壤區(qū)域內(nèi)注入的能量相關(guān)。
[0007] 國(guó)內(nèi)研究者多側(cè)重在沖擊接地電阻與沖擊系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式的擬合等方面，早在 1960年湖北中試所就20m長(zhǎng)水平接地極沖擊特性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)電流從2kA-8kA， 沖擊系數(shù)從0. 68-0. 52變化；劉繼等人也進(jìn)行了相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，同樣得出了沖擊系數(shù)隨 著入地電流幅值增加而較小的規(guī)律；陳先祿、何金良等人利用電磁場(chǎng)理論和相似理論論證 了沖擊接地模擬試驗(yàn)的有效性，針對(duì)典型接地體進(jìn)行了大量的模擬試驗(yàn)，并通過曲線擬合 歸納了典型接地體的沖擊系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式，其成果已用于指導(dǎo)我國(guó)輸電線路接地工程的設(shè) 計(jì)；四川電科院就沖擊接地電阻的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量也進(jìn)行了相關(guān)研究，并推出了相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)"接 地裝置沖特性測(cè)試導(dǎo)則"，但是導(dǎo)則給出的測(cè)量的沖擊系數(shù)均大于1，原因是注入電流幅值 過小，無法產(chǎn)生明顯的火花效應(yīng)，只反應(yīng)了接地裝置在沖擊電流作用下的電感效應(yīng)。鄧長(zhǎng) 征等人利用特高壓交流試驗(yàn)基地的接地實(shí)驗(yàn)室對(duì)水平、垂直W及方框接地極進(jìn)行了沖擊試 驗(yàn)，試驗(yàn)沖擊系數(shù)小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要原因認(rèn)為是由±壤顆粒結(jié)構(gòu)的差異造成的，規(guī)程中沖 擊系數(shù)的得到是采用沙子模擬±壤，沙粒的均勻性要比±壤好，因而其中產(chǎn)生火花放電比 ±壤中困難，故采用實(shí)際±壤進(jìn)行接地裝置的沖擊特性模擬試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果要小于規(guī)程 值。
[0008] 對(duì)于電感效應(yīng)對(duì)接地裝置沖擊特性研究上，國(guó)內(nèi)外研究者均認(rèn)為電感效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致 接地電阻值的增高，而且主要采用仿真計(jì)算的方式來進(jìn)行研究，目前幾種代表性的沖擊暫 態(tài)過程分析方法是基于電路理論的分析方法、傳輸導(dǎo)線分析方法、電磁場(chǎng)分析方法、有限元 分析方法。
[0009] (1)基于電路理論的方法：是由集中參數(shù)R-CA-G組成的31型等值電路來模擬計(jì) 算接地導(dǎo)體暫態(tài)特性的一種直接有效的方法。Gupta和化apar在上世紀(jì)八十年代初首先提 出了運(yùn)種計(jì)算方法，總結(jié)出了方形接地網(wǎng)格沖擊接地阻抗的經(jīng)驗(yàn)公式，但該模型忽略了串 聯(lián)電阻及對(duì)地電容對(duì)接地性能的影響，并認(rèn)為±壤火花放電對(duì)接地裝置的沖擊特性的影響 可W忽略。目前，有學(xué)者基于電路法提出接地網(wǎng)的暫態(tài)分析模型，其中接地網(wǎng)被劃分為若干 導(dǎo)體段。該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)的物理意義明確，是后續(xù)電路法的發(fā)展基礎(chǔ)。但該電路分析 模型計(jì)算導(dǎo)體電感時(shí)未計(jì)及集膚效應(yīng)，當(dāng)暫態(tài)電流頻率很高時(shí)，計(jì)算將有較大誤差。另一方 面模型中未考慮±壤可能放電的影響，且未考慮各導(dǎo)體間的相互禪合。與其他方法相比，易 于執(zhí)行，在對(duì)計(jì)算機(jī)資源的消耗W及結(jié)果的準(zhǔn)確度方面都是可W接受的。但對(duì)于復(fù)雜地網(wǎng) 的計(jì)算，該方法在計(jì)算導(dǎo)體間的交錯(cuò)復(fù)雜的禪合參數(shù)時(shí)候存在一定的困難。
[0010] (2)傳輸導(dǎo)線分析法：文獻(xiàn)于二十世紀(jì)八十年代提出了基于傳輸線理論的解決接 地裝置沖擊暫態(tài)特性的時(shí)域方案，即將接地極在沖擊電流作用下的響應(yīng)看作具有分布參數(shù) 的傳輸線上的波過程來考慮，把分析場(chǎng)的問題轉(zhuǎn)化為分析電路模型的問題?；趥鬏斁€理 論的方法的計(jì)算過程可W分為兩步：首先根據(jù)注入電流及上壤特性計(jì)算接地導(dǎo)體的對(duì)地導(dǎo) 納和軸向阻抗等分布參數(shù)，而后根據(jù)所得的導(dǎo)體參數(shù)求解傳輸線方程。將接地體在沖擊電 流作用下的相應(yīng)看做具體分布參數(shù)的傳輸線上的波過程來考慮。運(yùn)一方法對(duì)于水平接地體 是完全合理的，但是不適用于垂直接地體。
[0011] (3)電磁場(chǎng)分析法：基于場(chǎng)路結(jié)合理論的方法提出電磁場(chǎng)和電路結(jié)合分析接地網(wǎng) 暫態(tài)特性，目前我國(guó)在該方法上取得了很多研究成果，在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用該方法分析 工頻短路W及雷擊情況下接地網(wǎng)的響應(yīng)。場(chǎng)路結(jié)合法首先將接地網(wǎng)分成N段，假設(shè)分段導(dǎo) 體泄漏電流由節(jié)點(diǎn)或者導(dǎo)體段中點(diǎn)流出，軸向電流在導(dǎo)體段中為恒定值；由軸向電流和導(dǎo) 體內(nèi)阻抗、導(dǎo)體段之間的互感求得導(dǎo)體段內(nèi)表面電位，由漏電流和導(dǎo)體段之間的互阻抗求 得導(dǎo)體段外表面電位；由電磁場(chǎng)理論中介質(zhì)分界面處電位連續(xù)的邊界條件建立方程，求解 得出導(dǎo)體軸向電流和漏電流分布。運(yùn)種方法目前已經(jīng)得到比較成功的應(yīng)用，加拿大及清華 大學(xué)等開發(fā)的軟件包均是基于運(yùn)種分析法。
[0012] (4)有限元分析法：基于麥克斯韋微分方程的有限元方法（FiniteElement Method,陽M)作為一種有效的數(shù)值計(jì)算方法，分析接地網(wǎng)接地性能時(shí)可W方便地考慮上壤 地電特性、地網(wǎng)結(jié)構(gòu)和注入電流特征等各種因素的影響。其計(jì)算完全W場(chǎng)的形式進(jìn)行，避免 了由于各種參數(shù)的忽略或近似求取帶來的計(jì)算誤差。
[0013] 綜上所述，目前，學(xué)界對(duì)沖擊下的接地電阻有如下共識(shí)：