土壤介电频变特性对接地极冲击散流的影响

为研究土壤介电常数频变特性对接地极暂态电阻的影响规律,在典型土壤介电谱测量结果的基础上,对冲击电流作用下的动态电磁过程进行了理论分析。提出了从电磁场角度出发的、考虑土壤频变特性的接地极冲击特性数值计算方法,分析了土壤介电常数的频变特性对接地装置冲击散流特性的影响。结果表明:考虑土壤介电常数频变特性的接地极暂态接地电阻与假定介电常数恒定时相比有显著差异;暂态电阻值受到施加的冲击电流波形和幅值的影响,波前时间越长,局部峰值越大;同种冲击波形下,电流幅值越大,波前时间内接地极暂态接地电阻局部峰值越小。     

水平型直流接地极温升试验与仿真

直流系统在单极运行时,接地极的散流电流会使附近土壤温度升高,同时极址土壤各参数也会随温度发生改变。为研究土壤参数变化情况下的接地极温度场,在考虑接地极自阻的情况下对接地极电流场进行计算,并将电流场计算结果作为温度场的计算条件采用有限元法计算土壤暂态温度场,构成电流场与温度场耦合仿真模型。采用该模型求解直流接地极的暂态温升过程,并采用水平型直流接地极温升试验数据对算法进行验证。试验选取直径30mm、长9m的圆钢作为接地极,加载74h的直流电流,采用霍尔电流传感器和光纤光栅感温光缆对接地极的电流与温度进行采集与记录。试验发现接地极电流注入处的温度曲线表现为尾部上扬,表明土壤电阻率随温度升高而增大,且电阻率的升高也导致了温升更快。根据这一情况,对土壤电阻率与温度的关系进行了拟合,并给出拟合公式。对比实测数据,模型在考虑土壤电阻率随温度变化的情况下,计算结果较为准确。     

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。     

土壤电阻率的温度特性及其对直流接地极发热的影响

为了更准确地分析接地极的发热情况,确保接地系统的安全运行,通过土壤温升模拟试验,获得了土壤在一定温度范围内的电阻率与温度、含水量的变化规律,试验结果表明:当温度较高时,土壤水分蒸发加快,土壤电阻率迅速增大,并呈指数上升。基于试验结果,结合电流场理论及传热学原理,建立了简单直线型接地极的发热仿真模型,从仿真结果中发现:土壤电阻率的变化会影响接地极表面的散流分布,从而改变接地极附近土壤的温度分布。对比传统计算模型中将土壤电阻率视为恒定的情况,该模型计算结果说明接地极附近土壤温升速度更快。试验及仿真结果说明,计算时考虑土壤电阻率的温度特性对接地极发热的影响,将有利于接地极的安全设计和维护。     

基于ATP-EMTP的水平接地电极的冲击特性研究

为了研究雷电流经接地极时的冲击特性,采用电磁暂态计算程序(ATP-EMTP)仿真的方法对水平接地体在脉冲电流下的冲击特性进行分析,得出接地电极的几何尺寸和土壤电阻率对冲击接地特性产生的影响.仿真结果表明:冲击接地电阻的大小随着接地体的尺寸的增加而增大,但增长的趋势渐缓,到一定长度时趋于稳定,冲击接地电阻大小与土壤电阻率成正比.     

杆塔接地体冲击电位分布特性的模拟试验

为研究雷击杆塔时经接地体泄散的雷电流在杆塔周围地面产生的电位分布及其影响,采用模拟试验的方法,在半球形接地池中对不同幅值冲击电流作用条件下几种典型形状杆塔接地极周围的地面电位分布特性进行了试验研究,测得了相应的等电位分布曲线。将所得电位分布曲线按模拟比进行换算后,估算出接地极附近地面可能作用于人体的暂态跨步电压。通过对...     

特高压直流共用接地极的暂态温升分析

特高压直流系统共用接地极可减少极址占地面积且节省投资,但单极运行时会引起极址大地电位升高,出现跨步电压升高、土壤发热等问题,因此开展直流接地极的相关研究对提高其安全运行具有重要意义。为此,基于COMSOL有限元分析软件,建立了特高压直流输电接地极的电流场和温度场全耦合暂态分析模型,与传统的电热模型相比,该模型能有效反映土壤参数随温度变化的过程。通过某±500 kV共用接地极各种运行工况下地面跨步电压和土壤最高温升的分析计算以及与测量值的比较,验证了该模型的有效性。基于该模型分析了土壤的电阻率、热导率和比热容对接地极运行的影响规律。研究结果表明热导率的变化对土壤温升影响更显著,对于额定入地电流为3 030 A、圆环半径为360 m、埋深为3 m的接地极,当按最大入地电流运行检验该接地极参数时,为满足跨步电压要求,接地极表层土壤电阻率需低于35Ω·m。所提出的模型和研究成果可用于指导高压直流共用接地极的优化设计。     

直流接地极与大地中金属管道的防护距离

针对直流输电工程接地极对地下金属构件的腐蚀问题,对电腐蚀的特性进行了分析,确定了大地金属构件腐蚀的限值。因海岸与陆地直流接地极计算模型不同,考虑到海洋面积远大于陆地面积,且海水的电阻率远小于大地土壤电阻率,对附近大地电位的分布影响较大,因此海岸直流接地极应根据周围的地质环境建立计算模型。考虑到海洋对大地电位的影响,对大地土壤电位梯度进行了计算,预估了海岸直流接地极与地下金属构件的防护距离。     

基于有限元方法的直流输电接地极多层土壤地电位分布计算

高压直流输电单极-大地回路方式运行时入地电流会在接地极周围的土壤中产生强电场,会对接地极附近电网的电力设备和地下金属管线等产生影响。针对接地极周围实际土壤的分布情况,建立了典型土壤模型和多层土壤模型,采用有限元法对典型接地极的地电位分布进行计算。比较了采用典型土壤模型和采用多层土壤模型下的直流输电接地极的接地特性以及对地面电位分布的影响。计算结果表明,在极址附近,接地极所在层土壤电阻率对接地电阻和跨步电压的影响较大,在离接地极数十公里范围内,深层土壤电阻率对地表电位的影响较大。     

高压直流输电接地极地电位分布ANSYS仿真

酒泉—湖南UHVDC等工程投运后,UHVDC接地极入地电流对极址附近变电站变压器的影响很大,其原因与极址大地电阻率模型建立不准确和地表电位分布计算不够精确有关。分析了直流输电接地极对周围地表电位造成的影响,并对直流输电接地极电流场的计算方法进行了整体推导。应用有限元方法,结合ANSYS软件,建立简单的土壤模型,求解运算生成接地极附近土壤表层电位分布图,并以此为基础建立了更贴近实际工况的多层复杂土壤模型,进行了仿真分析,结果能更直观表述接地极周围地电位的分布规律。     

基于薄壳理论的直流接地极电热动态耦合有限元模型

超/特高压直流输电工程中共用接地极技术的应用日趋普遍,单极大地运行方式下直流接地极承载的入地电流大幅增加。考虑直流接地极散流时土壤中温度场和电场的相互影响,准确计算其接地参数及电流场分布是直流接地极优化设计及后续相关课题研究的基础。提出了基于薄壳理论的直流接地极电热动态耦合有限元数值计算方法。在土壤中恒定电场与温度场耦合的基础上,分别通过将土壤电参数和热参数:电阻率、比热容和热导率设置为上一时刻该单元土壤温度的函数,实现由时变的温度分布控制土壤参数,准确地模拟散流过程中土壤电场、热场相互影响、相互耦合的动态过程;同时在数值计算过程引入"薄壳"理论,将接地导体用具有一定虚拟厚度的二维面代替,采用三角形单元离散,解决了直流接地极截面尺寸与求解区域差异巨大而带来的计算量大、求解困难的问题。最后,将数值计算结果与文献试验测量结果对比,验证了文中算法的有效性。并基于文中算法分析了土壤参数温度特性对接地极性能的影响,认为考虑土壤参数温度时变特性时,在一定范围内,较高土壤电阻率地区直流接地系统的接地电阻随运行时间有较明显的增大现象。     

斜接地极对改善接地网接地性能作的作用

通过比较对接地网增加不同形式接地极的效果,分析了斜接地极对改善接地网接地性能的作用及其优点,并通过工程实例进行了验证.斜接地极不仅可以起到深井接地极的作用,在无需征地的情况下还可以起到等效扩大接地网面积的作用,且斜接地极相互之间的屏蔽作用比垂直接地极的屏蔽作用小得多,因而在均匀土壤中使用斜接地极比使用相同长度的垂直接地极更有效.当深层土壤电阻率高于表层土壤电阻率时,使用斜接地极的均压降阻效果更佳.     

斜接地极对改善接地网接地性能的作用

通过比较对接地网增加不同形式接地极的效果,分析了斜接地极对改善接地网接地性能的作用及其优点。并通过工程实例进行了验证。斜接地极不仅可以起到深井接地极的作用,在无需征地的情况下还可以起到等效扩大接地网面积的作用。且斜接地极相互之间的屏蔽作用比垂直接地极的屏蔽作用小得多,因而在均匀土壤中使用斜接地极比使用相同长度的垂直接地极更有效。当深层土壤电阻率高于表层土壤电阻率时,使用斜接地极的均压降阻效果更佳。     

高压直流接地极对地表电位和跨步电压分布影响研究

通过分析土壤电阻率和接地极极环自身参数对电位分布的影响,为工程实际提供理论依据。研究运用接地分析软件CDEGS来模拟分析地表电位分布的影响因素,以实际工程土壤简化模型,逐个分析相关参数具体对地表电位分布的影响,比较了不同形式接地极在不同埋深下地表电位和跨步电压的分布,得出双圆环接地极实用价值更大。基于分析结果,可为后续新建直流接地极设计选址及直流线路设计规划提供参考依据。     

雁门关直流接地极附近地表电位分布研究

超高压直流输电系统采用单极大地回线方式运行时,直流入地电流会造成接地极附近地表电位发生变化。不同地区由于土壤结构的差异,地表电位分布并不相同。为了研究雁门关换流站单极运行时地表电位变化规律,采用Wenner四电极法实测雁门关直流接地极附近土壤视在电阻率,建立了3层大地土壤水平分层模型,用CDEGS计算了接地极在额定电流下附近100Km范围内变电站、风电场、输气管道的电位分布,并定量给出了地表电位随距离变化的函数关系式。最后研究了注入电流、土壤电阻率、埋地金属管道对地表电位分布的影响。     

土壤非线性击穿效应对垂直接地体散流特性的影响

基于L-D(Liew and Darveniza)提出的土壤非线性击穿模型,利用Taku Noda和Yoshihiro Baba等分别提出的导体在无耗介质和有耗介质中的细导线处理方案,开发了一套三维时域有限差分(three dimension finite-difference timedomain,3-D FDTD)算法,研究了在不同雷电流幅值和波形以及土壤低频电导率作用下,土壤非线性击穿效应对垂直接地体受土壤击穿影响的散流区域、冲击阻抗和暂态地电位升等参数的影响。结果表明,当土壤低频电导率为0.02 S/m和0.005 S/m时,垂直接地体横向散流半径分别约为0.5 m和1.2 m;接地极尖端部位的纵向散流区域分别约为0.3 m和0.9 m。此外,暂态地电位升的变化特性与注入的雷电流幅值和波头时间以及土壤低频电导率密切相关,但无论是否考虑土壤击穿效应,垂直接地极冲击阻抗最大值保持不变,仅决定于土壤低频电导率等相关土壤特性参数。工程上定义的冲击阻抗值仅表征了未考虑土壤击穿情况下的稳定阶段阻抗值,远小于文中计算的冲击阻抗最大值。     

复杂地质情况下接地极土壤模型建立及研究

如何构建能够准确反映直流接地极附近土壤真实特性的土壤电性模型是一项极其重要但又悬而未决的难题,因数千安的直流电流通过接地极注入大地将会引起接地极附近地表电位畸变,给周边地区生产生活带来严重的安全隐患。但目前,惯用的典型接地极模型将接地极等效为点电源,无法体现接地极尺寸带来的影响,在计算跨步电压和接触电势时极其局限并且精度有限。针对上述问题,该文提出基于线电流源的三维土壤电性模型及地表电位计算方法。首先,从理论出发,推导复杂地质情况下的接地极地表及以下任一点电位的计算方法,进而,以某实际接地极工程的土壤电阻率勘测数据为基础,提出基于线电流源的复合分层土壤模型建模方法。最后,在COMSOL中完成了对接地极附近地表电位(earth surface potential,ESP)和最大跨步电压的仿真计算,验证了模型的合理性和先进性。     

不同针刺型接地网结构的雷电冲击散流特性影响分析

在接地网添加针刺是一种降低冲击接地电阻的有效方法,且效果随针刺短导体的布置方式不同而存在区别。研究接地体针刺的冲击散流作用特性,对比分析了针刺数量、长度、间距等影响因素对接地体冲击散流特性的影响。首先分析不同针刺对“一”字形水平接地极在冲击电流作用下的电位、电场、电流分布进行研究,其次计算不同针刺结构下的接地极冲击接地电阻、散流效率等参数并分析针刺式接地装置的降阻机制。仿真结果表明,针刺数量、针刺长度等会产生散流屏蔽效应,影响接地体的散流特性,恰当的针刺数量和长度可有效增加散流面积,提高接地体的散流效率。     

特高压直流接地极周边断裂结构对地表电位分布的影响研究

为了提高复杂地质条件下接地极选址的合理性,避免直流系统单极大地运行时入地电流对交流电网产生不利影响,针对特高压直流接地极周边典型断裂结构建立复合土壤地质模型,将行波法与镜像法相结合推导地表电位计算公式。运用Matlab仿真平台比较了水平和复合两种土壤地质模型下的地表电位分布情况,研究断裂及其参数影响下的地表电位分布规律。结果表明:复合土壤地质模型下地表电位更接近实测值;大区域内断裂到接地极距离对地表电位影响较大;接地极近区应主要考虑断裂处电阻率的影响。该结论对接地极选址及预防直流偏磁都有重要意义。     

金属管道受入地电流影响的抑制措施研究

直流输电系统处于单极大地回线运行方式时,直流接地极入地电流会导致管道上产生感应电位,在管道的破损点会有电流流进、流出,从而加速管道的腐蚀。从耦合途径、敏感设备两个角度,研究了抑制直流接地极入地电流对埋地金属管道影响的措施。分析了直流接地极与埋地金属管道防护距离对管道干扰电压的影响,研究表明当直流接地极与埋地金属管道防护距离大于一定值时,直流接地极入地电流对管道的影响很小,可以不考虑其影响。着重研究了土壤电阻率对防护距离的影响,发现防护距离受土壤电阻率的影响很大,在一定范围内,防护距离随土壤电阻率增大而增大。对分段绝缘法、旁路排流法、强制阴极电流法三种金属管道自身抑制直流接地极干扰的措施进行了总结。