风电场接地系统雷电冲击特性的研究

良好的接地系统对于风电机组的正常运行至关重要。基于风机接地圆环的不等电位模型研究雷电流波头时间与入地点、雷电流幅值、土壤击穿场强、土壤电阻率等因素对风电机组接地系统雷电冲击特性的影响规律以及多年冻土地区通过对接地网敷设垂直接地极的散流效果。结果表明:雷电流经风机接地圆环中心注入时具有更好的散流效果,雷电流波头时间越短,接地导体的电感效应越强烈,风机冲击接地电阻越大;随着雷电流幅值的增加,土壤的火花效应得以加强,风机接地圆环面积越小,冲击接地电阻降低越明显;土壤临界击穿场强越小,接地网附近土壤越容易发生火花效应,风机冲击接地电阻越小;风机接地网存在有效的散流半径,当接地网半径超过15 m时,散流效果不再明显增强;随着土壤电阻率的增加,风机接地圆环面积较小时的散流效果有限,冲击接地电阻几乎呈线性增长,而风机大面积接地圆环的冲击接地电阻增长有限,很快趋于饱和;对于存在多年冻土现象的地区,垂直接地极的散流效果较好,垂直接地极的布置不应过于密集,以减小导体之间的屏蔽效应。     

基于频域电网络模型接地体冲击散流分布的研究

研究接地体冲击散流特性是优化地网冲击特性、降低输电线路雷击跳闸率的重要措施。通过对接地导体分段建立频域电网络模型模拟接地体冲击泄流过程,采用迭代法考虑土壤动态电离对散流分布的影响,并利用CDEGS软件仿真及真型散流试验对频率电网络模型及其迭代求解结果进行了对比验证。本文研究了标准电流波形下水平伸长接地体在不同接地体尺寸、不同土壤电阻率及不同电流峰值下的散流规律,得出接地体冲击散流不均匀分布是由导体段之间对地互阻抗及电感效应引起的。     

接地模块冲击特性的试验研究

介绍了非金属接地模块的组成及降阻原理,通过冲击电流试验平台,在不同土壤电阻率下分别对不同大小、不同形状、不同材料的接地体进行冲击电流试验。分析试验数据结果表明,施加不同冲击电流时,相同散流面积下圆柱形接地模块的散流效果比长方体形的散流效果好,冲击电流越大效果越明显;随着接地模块体积和散流面积的增加,降阻效果的增加呈饱和趋势;接地模块的降阻率不随土壤电阻率的改变而改变,土壤电阻率越高,接地模块的降阻效果越好;石墨型接地模块的降阻效果堪比传统金属接地体,石墨部分降阻效果非常明显,为工程应用提供参考。     

基于FDTD方法的垂直接地体冲击时-频特性分析

基于L-D(Liew and Darveniza)提出的土壤非线性击穿效应模型,根据电磁场理论开发了一套三维时域有限差分(3-D FDTD)算法,建立了垂直接地体仿真模型,利用该模型于时域内从电场强度,电导率分布,最大暂态地电位升和暂态冲击阻抗的角度来研究了不同接地体长度和不同电流幅值对垂直接地体冲击散流特性的影响,于频域内从电场强度和电导率分布的角度来研究了垂直接地体在不同正弦电流频率中的散流特性。研究表明:1)接地体长度越长,土壤横向击穿区域越小,纵向击穿区域越大,最大暂态地电位升越小,暂态冲击阻抗越小;2)电流幅值越大,土壤横向和纵向击穿区域越大,最大暂态地电位升越大,暂态冲击阻抗越小;3)正弦电流频率越高,土壤的"趋肤效应"越强,极大影响了接地体的散流过程。     

考虑火花效应的杆塔接地体冲击特性仿真研究

为研究雷击杆塔时接地体的冲击特性,以便优化设计接地体结构,针对雷电冲击时产生的火花效应,运用电磁暂态分析软件ATP-EMTP,搭建了接地体射线的时变非线性冲击阻抗模型。在验证模型的基础上,研究了接地体冲击接地阻抗受雷电流波前时间、土壤临界击穿场强及射线长度的影响。仿真结果表明:波前时间与冲击接地阻抗呈反比关系,波前时间越长,冲击接地阻抗越小;冲击接地阻抗正比于土壤临界击穿场强;对于高土壤电阻率的地区,雷电流幅值在10～110 k A之间,接地体射线的有效长度为40 m,无限加长射线长度不利于减小冲击接地阻抗。所得结论对于接地网优化改造、接地体射线长度选取具有指导意义。     

柔性石墨复合接地体电感效应与火花放电效应研究

柔性石墨复合接地体是一种具有良好的导电性、耐腐蚀性且非铁磁性的非金属接地体.为研究电感效应与火花放电效应对石墨复合接地体冲击特性的影响规律,笔者搭建了频域电网络模型及其迭代算法对接地体的冲击接地特性进行仿真计算,通过与CDEGS仿真结果及文献的试验结果进行对比,验证了仿真计算方法的有效性及准确性.在此基础上,对不同土壤和雷电流参数下石墨复合接地体的冲击特性进行仿真计算.研究结果表明:高土壤电阻率作用下,石墨复合接地体的冲击系数较小,火花放电效应较强,相反的,当土壤电阻率较低时,电感效应较强.火花放电效应强度在高幅值雷电流作用下增强,且与土壤临界击穿场强有关,而电感效应受两者的影响不大.雷电流波前时间越短,接地体的长度越长,电感效应的影响就越强,尤其是在低土壤电阻率条件下影响更为显著.本研究仿真结论可为杆塔接地施工与材料选型提供参考.     

冲击电流作用下杆塔接地体的散流分布及降阻措施研究

采用模拟试验的方法得到了水平射线的电流分布,包括不同电阻率土壤中的纵向传导电流及相应各段接地导体的横向流散电流,结果显示杆塔接地体水平射线上的横向流散电流呈现出"两端大、中部小"的分布特点,具有明显的端部效应。基于这一分布规律,提出分支呈120°的三段式结构的水平射线改型方案,模拟试验证实这一结构改型最大可使方框接地体的冲击接地电阻降低22%,降阻效果显著。     

风机基础外引接地有效长度分析

外引接地是降低风机接地电阻的常用措施,必须详细研究雷电流作用下风机外引接地的有效长度及其影响因素。利用PSCAD软件建立风机叶片、塔筒和外引接地系统模型,考虑冲击电流作用下外引水平接地体的散流特性和火花效应。讨论土壤电阻率、波头时间对外引接地有效长度的影响,拟合出相应函数关系。分析结果表明:采用外引接地措施能够降低接地体的冲击接地阻抗,但外引接地体存在一个明显的有效长度,超过有效长度后对降低冲击接地阻抗几乎没有效果。外引接地的有效长度随着波头时间和土壤电阻率的增加而增大,三者之间存在一个幂函数关系。风机接地采用外引接地措施时应选取恰当的接地体长度,并非越长越好。     

输电线路杆塔地网冲击接地电阻现场测量方法

为研究杆塔地网冲击特性,掌握冲击电阻值的变化,提出了一种杆塔地网冲击接地电阻现场测量方法,采用适于现场使用的冲击电流发生器产生大电流、陡波头的冲击电流模拟雷电流,使地网电感效应与火花效应得以体现。利用实验室变电站地网对该方法进行验证与改进:在电压测量回路首段接入300Ω阻尼电阻消除电压波形振荡;通过降低回流极接地电阻增大电流幅值。现场试验在湖北省武汉市某变电站500 kV交流线路进线侧2号杆塔进行,冲击接地电阻随电流幅值的增大呈非线性下降趋势。实验室与现场试验表明:该方法可有效测量杆塔地网冲击接地电阻。     

杆塔接地极的冲击散流特性及降阻研究

分析杆塔接地极的冲击散流特性对优化接地极的结构、降低接地极的冲击接地电阻具有指导意义。基于电磁场的理论,在CDEGS中建立了计及土壤非线性电离影响的接地极仿真模型,通过模拟试验验证了模型的正确性,并依据模型对放射型接地极的冲击散流特性进行了研究。结果表明:放射型接地极在水平射线上的散流分布很不均匀,且散流比重远大于内部方框;冲击散流分布受土壤电阻率的变化影响较明显,冲击电流幅值的变化对其影响不大。此外,从提高接地极的冲击散流效率出发,提出两种改进的放射型接地极,经仿真验证,改进的接地极冲击接地电阻降低显著。     

不同频域范围对水平接地体的雷电冲击响应特性的影响分析

雷电流可分解为不同的频率分量,目前对于雷电流各频域范围与冲击响应电压之间的对应关系还缺乏相应的研究。在CDEGS中建立土壤电阻率500Ω·m下的100 m长水平接地体模型,利用MATLAB计算研究2.6/50μs雷电流中各频域范围对100 m长水平接地体的冲击电压幅值及幅值时间的影响,研究了将雷电流通过傅里叶变换分解为一系列的离散频率,计算接地极在各频率下的响应电压,再通过傅里叶反变换合成得到雷电流冲击响应电压波形的方法。并通过与CDEGS仿真的雷电流冲击响应电压波形对比分析,证明该方法可用于计算雷电流作用下接地极的冲击响应电压。研究发现雷电流不同频域范围对接地体冲击响应电压的影响不同:0~33 333 Hz频域对冲击电压幅值起增幅作用并且增幅程度最大;66 666~360 000 Hz的频域主要影响峰值电压出现的时间;586 667~910 000 Hz频域对冲击电压幅值起削弱作用,对冲击电压幅值时间影响较小;1 080 000 Hz之后频域主要产生毛刺谐波,此外还会削弱冲击电压的幅值。     

输电线路杆塔接地体地电位分布特性研究

为了研究雷击输电线路时输电杆塔接地装置时的暂态特性以及地电位分布情况,通过在陕西省境内选取高压输电杆塔实地测量的方式,分析了雷电流波前时间和半波时间对地电位峰值的影响、3种不同结构接地体地电位的分布规律以及同一种接地体在不同电阻率土壤环境下的电位分布情况,试验结果表明雷电流波前时间越短、土壤电阻率越高的条件下地电位峰值更大,不同结构类型接地体周围的地电位都是从地网中心注流点到地网边缘逐渐下降,地网中心附件电位梯度大于地网边缘,但3种接地体周围的局部散流规律呈现出不同的特点.研究结果为输电线路杆塔接地体优化设计和降低冲击接地电阻等方面提供参考.     

深井型直流接地极散流机理研究

准确计算直流接地装置的散流性能及接地特性是优化设计直流接地极的基础。提出了基于恒定电场理论的直流接地装置性能有限元数值计算模型,针对求解区域和接地导体截面尺寸的差异导致的剖分困难、计算量大的问题,引入"薄壳"理论,在保证计算精度的前提下大大减小了计算量;通过与文献数据对比,验证了该方法的有效性。建立典型结构的深井型接地极模型,计算深井接地极散流过程产生的地中电流密度、电场强度、接地电阻和最大跨步电压等参数;分析电流注入点个数、接地极导体长度、接地极埋深、导体并联根数以及土壤电阻率等因素对接地性能的影响。结果表明:深井型直流接地极的散流具有明显的端部效应,其接地性能基本不受电流注入点个数的影响;接地电阻和最大跨步电压随导体长度、埋深、并联根数的增加而减小,并呈现饱和趋势;在均匀土壤中,接地电阻和最大跨步电压与土壤电阻率成线性关系。     

高土壤电阻率地区柔性石墨复合接地材料与圆钢接地材料的有效长度对比研究

改善杆塔接地能够有效的降低输电线路雷击跳闸率,对于高土壤电阻率地区的杆塔,减小冲击接地电阻是降低雷击跳闸率的关键,而减小接地体冲击接地电阻可以通过延长接地体长度来实现,但是当长度超过一定值时,延长将不再有效。因此研究接地体的有效长度、选取有效长度更长的接地材料,对降低接地电阻有着重要意义。首先分析了接地体有效长度的物理意义,然后运用CDEGS仿真软件计算工程中常用的镀锌钢和柔性石墨复合材料水平接地体的工频接地电阻与接地体长度、冲击接地电阻与接地体长度之间的关系。由此对比在高土壤电阻率情况下柔性石墨复合接地材料的和镀锌钢材料的有效长度,并分析其原因。此后采用冲击散流试验加以验证,最后得出结论,高土壤电阻率情况并通以冲击电流时,柔性石墨复合材料接地体有更长的有效长度。     

风机接地系统雷击暂态特性分析

良好的风机接地系统对于风电机组的雷电防护至关重要,必须详细研究风机接地系统的雷击暂态特性。利用EMTP软件建立风机叶片、塔筒和接地系统模型,考虑雷电流冲击作用下接地体的散流特性和火花效应,分析地网暂态电位变化规律。讨论土壤电阻率、地网尺寸、地网形状对接地系统雷击暂态电位的影响,分析引外接地对于降低暂态电位的效果。分析结果表明:冲击电流引起的火花效应能够降低接地系统的冲击接地电阻;地网中心暂态电位随着土壤电阻率的增大而增加;地网尺寸越大、边数越多,接地系统雷击暂态电位越小,但是暂态电位下降幅度越来越缓;引外接地能够有效降低冲击接地电阻,但引外接地长度不应超过有效长度。地网尺寸、规模并非越大越好,进行风机地网设计需要选取恰当型式。     

考虑火花放电效应的典型接地材料冲击特性研究

雷击是造成输电线路发生跳闸和停运事故的主要原因。"防雷在于接地",对输电线路的接地网的冲击接地特性进行研究改进对于防止雷击事故有着不可或缺作用。本文在不考虑火花放电效应和考虑火花放电效应两方面对钢、铜、石墨复合接地材料的接地网冲击接地阻抗进行对比分析。同时,采用ATP-EMTP建立了考虑火花效应时的接地散流模型,研究了土壤电阻率、接地网面积及冲击电流幅值对接地网冲击接地特性的影响。研究结果表明:考虑火花放电效应时,接地材料的冲击接地阻抗相比不考虑火花放电有所降低。不同接地材料冲击接地阻抗同时受火花放电效应与电感效应的影响,二者的强弱关系与冲击电流的幅值有明显关系。相对于传统金属接地材料,石墨复合接地材料冲击接低阻抗小。     

风机接地系统雷击暂态特性分析

良好的风机接地系统对于风电机组的雷电防护至关重要,必须详细研究风机接地系统的雷击暂态特性。利用EMTP软件建立风机叶片、塔筒和接地系统模型,考虑雷电流冲击作用下接地体的散流特性和火花效应,分析地网暂态电位变化规律。讨论土壤电阻率、地网尺寸、地网形状对接地系统雷击暂态电位的影响,分析引外接地对于降低暂态电位的效果。分析结果表明:冲击电流引起的火花效应能够降低接地系统的冲击接地电阻;地网中心暂态电位随着土壤电阻率的增大而增加;地网尺寸越大、边数越多,接地系统雷击暂态电位越小,但是暂态电位下降幅度越来越缓;引外接地能够有效降低冲击接地电阻,但引外接地长度不应超过有效长度。地网尺寸、规模并非越大越好,进行风机地网设计需要选取恰当型式。     

配电线路混凝土杆塔接地体冲击特性实验研究

为了分析雷击配电线路杆塔时的冲击特性，选择实地试验的方式进行测量工作，同时为了增加试验的可靠性及对比不同土壤电阻率环境下的杆塔冲击特性，在陕西省某地选择了两处不同土壤电阻率的同类钢筋混凝土材质杆塔进行测试，选择移动式冲击电流发生器作为本次试验的激励装置，采用三级法布线方式，测量得到了4种不同幅值的冲击电流下的杆塔接地体表面电位及杆塔周围地电位升的数据。本次试验属于配电线路杆塔防雷任务的基础研究工作，测量得到的杆塔接地体冲击特性数据及电位分布规律可以指导此类钢筋混凝土材质类型的配电线路杆塔本体及接地体优化设计工作，降低配电线路的雷击致故障概率。     

接地模块在冲击电流下的降阻特性及其优化布置试验研究

为掌握接地模块在雷电冲击电流下对接地体的降阻效果,指导防雷接地的优化设计和改造,在不同土壤环境和冲击电流幅值下,对接地模块的非金属包围层,及接地模块安装数量和位置对水平接地体冲击特性的影响进行了对比试验研究。结果表明,接地模块的降阻效果在小幅值冲击电流下更显著,在火花放电效应极其强烈的高土壤电阻率和大幅值电流下,接地模块与其极芯导体的冲击特性曲线几乎一致,围绕在极芯周围的非金属包围层降阻材料作用被淹没。在同样条件下,圆形接地模块的降阻效果优于方形和梅花形。水平射线上的接地模块,宜优先布置在首端注流点,其次为靠近射线末端,布置数量更多时,宜均匀分布在射线上。为提高技术经济性,接地模块的布置间距不宜过小;当达到饱和数量时继续并联加密接地模块对降阻作用不明显,可以通过串联加长模块的方式进一步减小冲击接地阻抗。     

考虑火花效应的接地装置冲击散流特性有限元计算分析

为了计算输电线路杆塔接地装置的冲击散流特性并考虑火花效应的影响,本文结合土壤击穿模型,采用有限元法(FEM)求解了非线性电阻率下的磁准静态方程,模拟了雷电流的地中散流及土壤电离的过程。随后,讨论了土壤击穿模型参数对冲击接地电阻的影响,分析表明:土壤临界击穿场强E_c是影响冲击接地电阻的主要参数,为简化计算并考虑土壤分散性的平均影响,建议取E_c=3 kV/cm,剩余电阻率系数k及电阻率衰减系数n的影响较小,建议取k=7%,n=0. 75。最后,进一步补充计算了垂直接地体、针刺型接地体及实际接地装置的冲击散流特性,为实际输电线路杆塔接地设计与分析提供参考。