考虑土壤电离动态过程的接地体有限元模型

准确地分析接地装置的动态冲击特性是接地优化设计和输电线路防雷计算的基础。针对冲击电流下接地导体周围土壤电离区域的时变性及其沿接地导体分布的不均匀性,基于电磁场理论,建立了考虑土壤动态电离过程的计算接地体冲击特性的有限元模型。其中对于冲击电流经接地体流散产生的地中时变电磁场,采用空间电磁场有限元格式与时域有限差分格式相结合的算法,计算接地体冲击散流的动态物理过程;将离散土壤单元的电阻率设置为对应时刻该单元电场强度的函数,实现由时变的空间电场分布控制土壤特性,准确地模拟冲击散流过程中土壤参数的分布时变性;同时,引入空间坐标变换解决了有限元计算中无穷散流空间与有限的计算资源之间的矛盾,在保证计算准确度的基础上减少了计算量。通过与文献数据以及接地装置冲击散流特性模拟试验结果的对比,验证了该计算方法的有效性。     

考虑土壤频变特性的接地装置频域矢量有限元模型

发、变电站及输电线路的接地装置是保障电力系统供电可靠性的重要基础设施,准确计算接地装置的频域特性可为合理设计接地系统提供理论依据。为此,通过引入Visacro-Alipio土壤参数频变公式,采用麦克斯韦全波方程建立了计及土壤频变特性的接地装置频域矢量有限元模型,并采用空间坐标变换法处理了模型中无穷散流空间与有限计算资源之间的矛盾;基于提出的模型和方法,对接地网进行了仿真计算,并将计算结果与现场试验及国际公认软件包CDEGS的计算结果进行了对比,验证了该模型在低频及高频注入电流作用下计算的准确性。结果表明:空间坐标变换算法的引入,使得该模型在保障计算精度的基础上降低了计算量;考虑土壤参数频变性时,接地参数明显低于不考虑时的情况;当注入电流频率低于2 MHz时,"电感效应"起到主导作用,接地电阻随着注入电流频率增加而增大;当注入电流频率高于2 MHz时,接地参数随频率增加而基本稳定,土壤电参数的频变特性使得"电感效应"导致的接地电阻随频率增加而近似线性增加的现象有所缓和。     

分层土壤中接地装置冲击散流特性的有限元分析模型

冲击电流在分层土壤中的散流过程具有明显的非线性变化特征,从电磁场理论出发,建立了分层土壤结构中接地装置冲击特性分析的有限元模型。在非线性过程的分析中考虑了传导和位移电流,准确地反映了冲击散流的物理过程;针对接地导体与土壤分界面、土壤分层界面的电阻率突变而造成有限元计算不易收敛的问题,采取了具有连续偏导数的平滑阶跃函数进行过渡的方法;在将无限散流空间变换为有限计算区域的问题上,提出了分层结构土壤的几何坐标变换方法,既减少了计算量又保证了计算准确度,并将仿真计算结果与试验结果进行对比分析。结果表明该模型能较好地模拟分层土壤结构中,土壤电离不均匀性和放电通道随机性带来的非线性变化问题,验证了模型的有效性。     

基于有限元分析方法对接地装置冲击特性研究

由于冲击电流的作用,接地体周围的土壤将会产生火花效应,使得土壤的电阻率会发生变化,进而对冲击电流的散流过程造成影响.因此本文采用有限元分析方法,利用COMSOL Multiphysics软件,构建了考虑火花效应的接地装置冲击散流模型,主要研究了垂直、水平接地体的冲击散流过程,通过模型的计算发现,接地装置在冲击散流的过程中电流主要从接地装置的末端散流到土壤中,这一情况也与实际情况相符合.     

针刺式接地装置降阻机制的仿真和试验研究

改善高土壤电阻率地区输电线路杆塔接地装置的冲击散流效率、降低其暂态接地阻抗是提高输电线路耐雷性能的有效措施。采用考虑土壤电离动态过程的接地装置冲击特性有限元模型分别对水平星型接地装置及添加针刺的水平星型接地装置建立有限元分析模型,通过对比加针前后接地装置在冲击电流作用下产生的地表电位分布、地电位升及其周围土壤中的电场分布等参数,分析了针刺式接地装置的降阻机制,认为在土壤结构、电阻率和注入冲击电流一定的条件下,改变接地装置的局部结构,能够使冲击电流入地时土壤中局部电场畸变加强,扩大火花放电区域,从而减小冲击接地电阻。另外基于相似性准则对加针前后的星型水平接地极进行模拟试验测量其冲击接地阻抗,试验结果与数值计算结果的对比分析证实了针刺式接地装置的降阻效果。     

杆塔冲击接地阻抗的有限元分析

电力系统的运行经验表明,大多数输电线路事故是由雷击输电线路或杆塔引起跳闸所致。经由输电线路杆塔接地体流入大地的雷电流可达数十甚至上百千安,此时接地体周围土壤出现非线性火花放电现象。为了提高输电线路耐雷水平,降低雷击故障率,考虑实际工况下土壤非线性火花放电效应进行杆塔接地体参数计算对降低杆塔接地电阻的优化设计至关重要。文中基于电磁场理论,考虑土壤中的火花效应特性,采用有限元数值计算方法建立了仿真模型,实现了高幅值冲击接地电流下接地体入地散流过程的模拟。研究表明,该仿真模型与试验结果偏差小于10%;随着雷电流幅值的升高,冲击接地阻抗降低且有饱和趋势;接地体阻抗随雷电流频率增大而增大。     

复杂土壤结构对水电站接地装置散流机理影响分析

准确计算复杂土壤结构中接地装置接地参数及其散流机理是水电站接地装置合理优化设计的基础。提出考虑大范围复杂土壤结构的接地装置有限元计算方法,针对有限元数值计算方法中大范围求解区域和接地导体截面尺寸的差异导致的计算量过大问题,采用二维接地导体与三维散流土壤耦合的有限元数值计算方法;基于有限元模型分别建立垂直三层土壤模型、块状土壤模型以及落差土壤模型,对接地装置散流过程中土壤中的电流密度、电场强度分布规律进行了详尽分析;并对河道两岸土壤电阻率、河水深度对水电站接地网散流过程及接地电阻的影响规律进行了定量分析。对比分析了三种不同土壤模型对水电站接地网散流过程及接地电阻的影响规律,结果表明河水深度是影响接地装置散流过程的重要因素,复杂土壤结构中水电站接地网设计中宜采用考虑实际河水深度的块状土壤模型和落差土壤模型。     

石墨基柔性接地装置在输电线路中的适用性研究

石墨基柔性接地材料因具有化学性质稳定、耐腐蚀性优异、与土壤相容性较好等优点被应用在输电线路杆塔接地体中,但是其在应用时的适应性必须依据输电线路的输送能量、杆塔位置和运行环境确定.本文通过建立不同输电线路杆塔接地装置的有限元仿真模型,计算相应的接地电阻;根据接地电阻值,采用ATP-EMTP软件,计算接地短路及雷电冲击大电流下流过接地装置的电流和温升,从接地电阻和工频短路电流,以及雷电冲击大电流下的温升两个方面,研究石墨基柔性接地装置在输电线路中的适用性.研究结果表明,规程要求的工频接地电阻满足输电线路杆塔接地电阻的要求,但是特高压输电线路发生单相接地短路故障时,保护拒动会使接地装置的温升超过限值.     

接地装置冲击过程中土壤电气特性的研究进展综述

根据土壤结构,研究了土壤的多孔介质电气模型,并研究了冲击电流作用下,土壤特性参数的频变规律,分析得出土壤频变特性对改善接地装置冲击散流效率,降低暂态冲击接地阻抗具有重要意义。研究了接地装置冲击过程中土壤火花放电现象的动态物理过程和土壤火花放电的检测手段及其对接地装置的影响。最后进行了土壤火花放电现象的试验研究,得出随着土壤含水量的增加,土壤火花放电的起始冲击击穿场强逐渐降低;在0℃以上,温度越高,越容易发生土壤的火花放电现象。     

考虑土壤电离现象的接地极冲击特性时域有限差分计算

输电线路接地装置良好的接地性能是线路安全、稳定运行的重要保障。本文针对高幅值雷电流作用下的土壤电离现象,基于电磁场理论,根据A.C.Liew的动态电阻率模型,建立了考虑土壤电离现象的接地装置冲击特性时域有限差分(FDTD)分析模型。在模型中,每一个土壤单元的电阻率设置为某一时刻受此单元电场强度控制的瞬时值。为了验证提出的模型的准确性,将不同的接地极的冲击特性的计算结果与文献中的试验结果进行了对比,包括长度为0.6 m并连接四根辅助垂直极的单根垂直接地极、长度为8.1 m并连接1 m辅助垂直极的水平接地极、以及长度为3.05 m的四根平行垂直接地极。结果表明本文的计算模型与文献测量结果吻合。     

引外接地对降低接地网接地阻抗的作用分析

工程上常采用引外接地的措施,一般根据经验在离主接地网1~2km范围内另敷设一辅助接地网,并采用扁钢将此辅助接地网与主接地网相连,但国内现行接地设计方法及故障电流下地网等电位计算模型均不能计算引外接地电阻。为此采用接地网工频接地参数分析软件,计算了均匀土壤中引外接地网对降低主接地网接地阻抗的作用。结果表明,辅助接地网与主接地网间的距离超过一定数值后,辅助接地网的作用可忽略,且在土壤电阻率较高的地区,引外接地具有较好的降阻作用。     

高压试验厅的接地设计

为保证高压试验的测量准确度和人身安全,高压试验厅要求具有良好的接地系统.系统地对接地网面积、水平接地网格数、垂直接地体的间距、垂直接地体的长度对接地电阻的影响进行了比较和分析.提出高压试验厅的接地必须采用以水平接地为主、与垂直接地体配合的复合接地形式.对高压试验厅的接地系统设计应注意的问题和措施进行了介绍.     

Seasonal influences on safety of substation grounding system

The low or high resistivity soil layer formed in raining or freezing season affects the safety of the grounding system, and leads to changes of grounding resistance of the grounding system, step and touch voltages on the ground surface. This paper systematically discusses the seasonal influence on the safety of grounding system by numerical analysis method. If the thickness of the low-resistivity soil layer formed in raining season is smaller than the burial depth of the grounding system, the touch voltage would increase. On the other hand, the raining season leads the limit of touch voltage is smaller than the actual touch voltage, even if a surface granite layer is used. The influences of raining on the safety of grounding system must be comprehensively considered. When the high resistivity soil layer is formed in freezing season, the grounding resistance, step and touch voltages would increase with the thickness or resistivity of the freezing soil layer. When the thickness of high resistivity soil layer exceeds the burial depth of the grounding system, the grounding resistance, step and touch voltages would increase sharply, and the touch voltage would exceed the limit of touch voltage decided by a surface granite layer. In order to ensure the safety of the grounding system in freezing season, the grounding system must be designed carefully, and special measures should be used, long vertical grounding electrodes added to the grounding system can effectively attenuate the seasonal influence, and improve the safety of the grounding system.     

一种填加降阻剂的接地电阻计算方法

介绍了一种有降阻剂情况下,计算半球形接地体、单根水平接地体和垂直接地体接地电阻的计算公式。在接地体较短时,应考虑到端部效应的影响,并提出了修正计算公式,与根据经验公式计算的数据仅相差5.8%,在工程实际中可以达到降低接地电阻的目的。     

110kV电阻接地系统电气设备适应性研究及试验

110kV配电网采用中性点经合适的电阻值接地后,能够消除单相接地故障时负荷侧电压出现的暂降/暂升,但同时也会引起系统中性点和非故障相对地电压的升高。因此,原工作于直接接地系统的部分110kV电气设备不能直接用于110kV中性点经电阻接地系统中。采用理论分析和数字仿真的方法,对国产110kV电气设备用于中性点经电阻接地系统的适应性进行了研究,给出了设备的选型建议,并通过现场试验证明了国内110kV配电网采用中性点经电阻接地方式的可行性和优越性。     

Optimal design of grounding system considering the influence of seasonal frozen soil layer

Frozen soil leads to the change of the soil model. This would affect the safety of the grounding system. The design of the grounding system considering the seasonal frozen soil should be based on the full investigation of the actual maximum depth of the frozen soil and the actual layered soil models. The final design scheme of the grounding system should be determined synthetically from two phases-first, the grounding system is designed in the normal soil model and its safety is checked in the frozen soil model, second, it is designed in the frozen soil model and its safety is checked in the normal soil model. The influences of the frozen soils on the optimal design of grounding systems in homogeneous and double-layer soil models were systematically analyzed, and the respective design methodologies of the grounding systems were proposed. The influence of vertical electrodes on the design of the grounding system considering the seasonal frozen soil was discussed. The analyzed results state that the safety of grounding system can be sufficiently improved by vertical grounding electrodes added to the horizontal grounding grid.     

接地网垂直接地极地表传导电流分析

垂直接地极作为一种有效降低接地网接地电阻的方法,在接地网图纸缺失或图纸与实际不符情况下,面临准确探测位置等问题。根据安培环路定律,提出通过测量地表传导电流来探测接地网垂直接地极位置的方法。通过理论公式推导,推算垂直接地极及其连接地网支路在地表产生的传导电流分布情况;再构建有/无垂直接地极的接地网模型,仿真垂直接地极对地表传导电流的影响。理论分析和模型仿真验证表明,测量地表传导电流能够有效地探测垂直接地极位置,方法简单,可进一步用于接地网3D结构成像。     

电力调度大楼计算机系统防雷接地设计探讨

电力调度大楼内除有通信系统外,还有信息中心和调度自动化两个计算机系统。目前它们和接地设计的,通信系统接地与大楼接地装置组成联合接地体,而计算机的工作接地则接到楼外单独设置的接地装置上。若大楼遭雷击时,两个接地系统有较大的电位差,将对计算机甚至人身产生危险影响。为此,提出计算机工作接地系统应接到大楼接地装置的看法。     

对中压配电网中性点接地方式的研究

分析了武汉地区中压电网中性点接地方式的现状，包括经消弧线圈接地、小电阻接地及不接地方式。在电力系统中，应根据配电网的绝缘水平，电网电容电流的大小选择不同的接地方式。对于以电缆线路为主的城市栩电网，电容电流超过100A时，中性点应以低电阻接地方式为宜。以架空线为主的配电网，一般采用中性点经消弧线圈接地方式。对一些重要枢纽变电站，运行方式变化频繁，中性点与电容电流超过50A时，应采用低电阻接地方式。     

青藏铁路110kV输变电工程五道梁和沱沱河变电站的接地系统设计

为青藏铁路供电的110kV沱沱河和五道梁变电站地处高寒永冻地区,如何在高寒永冻地区进行接地系统设计对变电站的建设十分重要。通过测试二次电缆和二次设备的绝缘耐受特性,提出可将地电位升高提高到5kV。采用电磁场数值计算方法对分层土壤中接地系统的电气参数进行计算, 分析比较了各种可行的高寒冻土地区接地系统的设计方案, 讨论了深垂直接地极的布置规律、水平地网的埋设深度、接地系统的均压优化布置对接地系统接地电阻、接触电压和跨步电压的影响。最终得出了坨坨河和五道梁两变电站的接地系统设计方案,并总结归纳了高寒冻土地区变电站接地系统的设计规律。