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PSCAD的10kV配电线路接地装置冲击特性研究

在考虑接地电阻火花效应的基础上,采用逐次渐进的算法,得出了模型元件参数,在PSCAD仿真软件中建立10 kV配电线路常用的接地装置仿真模型,对在不同雷电流幅值、不同接地装置尺寸、不同土壤电阻率以及埋设深度下该装置冲击接地电阻的冲击特性进行了仿真,分析常见10 kV配电线路的接地装置冲击特性,为10 kV配电线路的接地装置设计提供了理论数据依据,具有一定的工程应用价值。     

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。     

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.     

复杂土壤结构对杆塔接地装置冲击 特性影响分析

随着电网输送距离的增大,输电线路不可避免要跨域河流、山地等复杂地形,准确计算复杂土壤结构中杆塔接地装置的接地参数及其冲击散流特性是输电线路杆塔接地装置优化设计的基础。本文基于有限元数值计算方法,建立了考虑河流、山体的块状土壤结构模型,对接地装置散流过程土壤中电流密度和电场强度进行分析;并对河流与接地装置的距离、山体的坡度、山体顶面积对接地装置冲击接地电阻的影响进行定量的分析。结果表明:高土壤电阻率地区,接地装置与河流距离小于5 m时,河流对接地装置散流以及冲击接地电阻影响较明显;当山体顶面积为20 m×20 m时,坡度5°≤α≤75°,接地装置敷设于山顶和山侧时,接地装置冲击接地电阻值分别增加了79. 6%和32%,山体输电线路防雷设计应综合考虑山顶面积和坡度对接地装置散流和冲击接地电阻值的影响。     

考虑土壤火花击穿特性的针刺式接地装置降阻研究

杆塔接地电阻超标大大增加输电线路雷害风险，进行基于冲击降阻效果的接地装置优化设计很有必要。研究发现在接地极上加装针刺短导体能够改善接地装置冲击特性，基于电磁场麦克斯韦微分方程建立了考虑土壤火花击穿特性的接地装置冲击特性有限元模型，然后分析了在水平接地极上添加针刺的降阻机制，最后基于有限元模型仿真研究针刺长度、数量和加装方式对冲击接地电阻的影响规律。结果发现，针刺长度和数量增加都能够降低冲击接地电阻，随针刺数量增多单根针刺降阻效率逐渐下降，添加单根针刺时采用单边竖直加装方式具有最好的降阻效果，受针刺导体间的屏蔽效应影响，针刺数量较多时水平单边和竖直单边相间排列加装的方式降低电阻值更多，所得结论可以为针刺在水平接地极上的布置方式提供参考。     

考虑土壤电离的垂直接地极冲击散流性能分析

准确计算接地装置的冲击散流性能以及输电线路接地极动态冲击特性是优化接地网设计的基础。为了得到垂直接地极的散流特性以及各种因素对垂直接地极散流特性的影响,本文提出基于电磁场的有限元分析方法,对垂直接地极冲击散流特性的动态物理过程进行建模和仿真,在此基础上分析了垂直接地极的冲击散流特性;并进行了垂直接地极的模拟实验,通过对比验证了方法的正确性。结果表明,垂直接地极的散流具有明显的末端效应。     

杆塔基础外敷螺旋接地装置的冲击散流优化研究及其应用

为有效降低高压输电线路杆塔接地装置的雷电冲击接地电阻，本研究充分利用杆塔基础的垂直空间，采用一种螺旋状接地装置沿杆塔基桩表面敷设直至基桩底部，在更大限度散泄冲击电流的同时降低水平外延射线的铺设难度。研究了冲击接地电阻的原理及其在CDEGS软件仿真计算中的实现方法，并对计算方法进行了可靠性验证。建立考虑雷电流冲击下的土壤非线性电离的接地模型，研究不同雷电流幅值、土壤电阻率下螺旋接地装置的冲击特性，从而进行螺旋结构的优化选择；以110 kV输电杆塔典型四角放射型接地网为原型，对比计算双层土壤下杆塔基础外敷螺旋装置前后所需外延射线的长度，分析杆塔基础外敷螺旋接地装置的应用效果，为螺旋接地装置的推广使用提供理论基础以及方法参考。     

雷电冲击下杆塔接地阻抗特性研究

降低杆塔冲击接地阻抗是提高输电线路耐雷水平、降低雷击跳闸率的重要措施之一。目前采用的工频接地电阻乘以冲击系数得到冲击接地阻抗的方法与实际工况存在差异,随着接地体尺寸、埋设方式、土壤分布和雷电流参数变化,这种差异越来越大,因此研究杆塔接地体在雷电流下的冲击特性具有重要的意义。基于电路理论的方法,采用ATP-EMTP软件,考虑雷电流的高频特性和高幅值特性,建立了对杆塔接地体的细化仿真模型,模拟电感效应和火花效应的实际效果,并利用该模型对雷电冲击下杆塔接地阻抗特性进行研究。     

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。     

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。     

垂直电极火花放电现象分析

为研究雷电流流过接地极的冲击接地特性,用圆筒中的泥沙代替土壤,研究不同泥沙中垂直电极的冲击特性,得到不同介质的火花放电规律。泥沙击穿电压随泥沙中水含量的增加而降低,盐沙由于导电性增加就不易产生火花放电效应;干沙击穿过程以空气间隙击穿为主,而湿沙击穿以热击穿为主。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

雷击分流接地系统地电位特性试验及仿真分析

建筑物接地系统雷电冲击特性主要是指雷电流通过接地装置向周围大地散流的特征,通常表现为冲击电流对接地装置作用后局部暂态地电位升高导致地电位反击。利用土壤测试数据及接地系统图模拟实际建筑物接地模型下雷击冲击试验反击地电位特性,通过搭建CDEGS地电位仿真模型实现地电位分布计算并验证了反击试验结果的可靠性,得出地电位分布与注入点位置、接地系统支路分布之间影响关系,对雷击分流接地系统预防地电位反击提出了合理优化措施。     

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。     

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。