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。     

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。     

扩径石墨复合接地材料的接地体散流特性研究

目前在输电线路杆塔接地网中应用广泛的接地材料包括镀锌扁钢、锰铜等传统金属材料,但在高频电流条件下传统金属接地体存在明显的集肤效应,进而影响其散流特性,新兴的非金属石墨复合接地材料因其"导电不导磁"的特性有效改善了上述问题。针对石墨复合接地体的结构进行优化进而制备了扩径石墨复合接地体,利用有限元仿真分析其集肤效应,并采用CDEGS软件仿真分析传统金属接地体、实心石墨复合接地体及扩径石墨复合接地体在不同频率、不同土壤情况、不同直径条件下的散流特性。研究结果表明,在高频高阻条件下,扩径石墨复合接地体的散流特性明显占优,相同截面积下,30%～40%的扩径率可以有效减小接地体的集肤效应。     

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。     

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。     

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.     

基于有限元分析的石墨基柔性接地体冲击接地特性研究

针对目前电力系统中存在的接地体严重腐蚀问题,新型柔性石墨接地材料得到了一定程度的应用,然而对于该材料接地特性的研究依然不够完善,选用接地体时沿用金属接地体的设计思路,因此在实际使用过程中仍然存在一定问题.基于此,笔者在考虑土壤非线性火花效应的前提下,建立了接地体有限元分析模型,通过试验验证仿真模型准确性后,比较研究了石墨基柔性接地体与钢接地体之间冲击接地特性差异,并以此为依据对两种接地体的有效长度进行了相应分析,同时还确定了两种接地体在不同频率电流下的趋肤深度.研究结果表明:接地体的冲击接地电阻主要与接地体尺寸相关,材料自身电气特性影响相对较小,同时石墨基柔性接地体有效长度相比钢接地体较长,且其趋肤效应较弱,因此接地材料的整体利用率较高.     

石墨烯复合接地装置在杆塔接地中的应用

针对高土壤电阻率、强腐蚀土壤环境下输电线路杆塔接地装置降阻困难、腐蚀严重、敷设不便等实际问题,应用一种接地新型材料—石墨烯复合接地装置,可有效解决上述问题。本文简要概述了石墨烯复合接地装置的组成及特性,对比分析不同土壤电阻率下镀锌圆钢、石墨基柔性接地体与石墨烯复合接地装置的工频与冲击接地电阻特性,计算分析工频故障电流通过接地装置散流时的跨步电位差分布特性,最后通过500 kV线路杆塔接地装置实际应用证明该材料可有效满足实际工程需求。     

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。     

柔性石墨垂直接地体在杆塔中的应用研究

针对部分因施工场地受到限制而无法按常规设计方案敷设的杆塔接地网,提出了在水平接地网基础上使用石墨垂直接地体的思路以占用尽可能小的空间来降低接地电阻。在此基础上选取典型水平接地网,利用CDEGS仿真软件,对在不同土壤电阻率条件下进行加装石墨垂直接地体后的工频接地电阻的仿真计算,并由此确定不同土壤电阻率类型的合理设计方案。同时,考虑到石墨接地材料的物理性质与传统金属接地材料的不同,提出了柔性石墨垂直接地体的回填施工技术方案以供参考。     

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。     

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。     

一种用于计算雷击接地网时最小冲击接地阻抗值的方法

为了研究接地网在雷击时冲击接地阻抗的特性,提出了一种型等值电路,在考虑火花效应的条件下,运用ATP-EMTP仿真软件对接地网进行分析计算。将土壤电阻率以内分为四个区间,每个区间对应一个地网有效面积值。并运用多项式回归分析软件得出相应区间的冲击接地阻抗拟合公式,能方便计算不同条件下冲击接地阻抗的最小值。为防雷接地工程计算提供参考依据。     

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。     

基于ATP-EMTP的伸长接地体时变接地电阻仿真研究

运用电磁暂态分析软件ATP-EMTP搭建了单根伸长水平接地体的π型等值电路仿真模型,使用电路理论的分析方法对接地体雷电冲击特性进行了研究。仿真模型考虑了火花效应的影响。运用模型对不同条件的伸长水平接地体进行了仿真计算,有别于工程上广泛使用的冲击接地电阻的概念,得出了接地体在雷电冲击条件下实际接地电阻随时间变化的曲线,分析了其变化规律。同时从接地电阻变化曲线的角度研究了接地体长度、雷电流幅值、土壤电阻率对接地电阻的影响。     

接地体与土壤的接触电阻影响因素研究

接地电阻主要包含接地体本体电阻、土壤电阻以及接地体与土壤之间的接触电阻,但目前接地电阻计算与接地网设计中常常忽略接触电阻的影响.为研究不同材料的接地体与土壤之间接触电阻的影响因素及影响规律,本研究提出了一种研究接地体和土壤接触电阻的测量评估方法,并建立了接地体与土壤接触电阻的试验平台,采用控制变量的实验方法从温度、湿度、土壤类型3个方面研究了接地体与土壤间的接触特性.研究表明:土壤在低温度、低湿度和土壤颗粒较大的环境中,不同材料与土壤的接触电阻都会增大,并且土壤环境变化引起土壤电阻率增大越高,接触电阻增大越明显;同时在不同土壤条件下,由于新型石墨基柔性接地材料的易形变的柔性,其接触性能明显优于镀锌圆钢,即石墨材料的接触电阻明显低于镀锌圆钢的接触电阻.     

杆塔接地体冲击对输电线路雷电反击分析

为了减少雷害事故的发生,为输电线路防雷提供科学依据,计算输电线路雷电反击跳闸率时必须考虑杆塔接地体冲击特性。通过EMTP建立了线路及杆塔模型,考虑雷电流作用下接地体冲击特性,分析线路反击时杆塔和接地体暂态电压变化规律。计算不同土壤电阻率和接地体长度下线路反击跳闸率,同时讨论工频电压对反击跳闸率的影响。分析结果表明:雷电流幅值较大时,接地体冲击接地电阻降低明显。工频电压对线路反击跳闸率有一定影响。增加接地体长度和降低土壤电阻率可以有效减少线路反击跳闸率。     

一字型接地体冲击散流机理研究

为了研究接地体在遭受雷电流时的暂态散流规律，以一字型接地体为例进行了现场的冲击注流试验，选择不同幅值的冲击电流注入5 m长度铜覆扁钢的端部和中心，以及不同幅值的冲击电流注入5 m长度不锈钢包钢圆钢的端部，以总结一字型接地体在遭受冲击电流注入时的冲击散流规律。试验推理出土壤火花放电效应在一字型接地体散流时明显存在，并且接地体在散流时呈现出明显的端部效应，当端部注流时，首端和末端的散流比例高于中间导体约5%～15%,端部注流时的冲击电阻值比中心注流时大15%～25%,试验数据可以为复杂结构接地体的选材和设计提供参考，对于线路防雷中接地体的研究具有启示意义。     

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。     

扩径石墨基柔性接地材料接地性能及其实际工程应用

为了研究扩径石墨基柔性接地材料和常见金属接地材料在接地特性上的差异性,为扩径石墨基柔性接地材料的实际应用提供理论支撑,以典型杆塔地网小模型为例采用仿真建模计算的方法研究了不同土壤电阻率和外延射线长度对接地材料工频接地特性的影响,并开展了实际的工频、冲击接地模拟试验得到了扩径石墨基柔性接地材料的冲击系数;最后在实际的典型杆塔地网中采用同沟敷设的设计方案对扩径石墨基柔性接地材料进行了实际的工程应用。研究结果表明:相同土壤电阻率条件下,扩径石墨基柔性接地材料地网的工频接地电阻值比碳钢和锰铜地网低10%～20%;地网达到相同工频接地电阻值的条件下,其单根外延射线的长度分别能降低12. 26%和11. 43%;该材料的实测冲击系数为0. 840;实际工程的典型应用案例也印证了扩径石墨基柔性接地材料的接地工程应用的可靠性。