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。     

风机接地装置的冲击特性研究

随着风电场的大规模建设以及风机位置的特殊性,雷电对风机危害的事故愈发频繁,为保证风电机组的安全运行,可靠的接地装置是风机防雷工程中的关键组成部分。以CDEGS软件作为仿真计算工具,通过建立风机接地网仿真模型,比较了雷电流作用下不同形状接地网的冲击特性,讨论了雷电流注入点、土壤电阻率、接地网埋深和雷电流波形对风机接地装置冲击特性不同程度的影响。仿真结果表明:多圆环接地网比单圆环接地网具有更好的散流性,采取接地网中心引流的方式可得到最小冲击接地电阻;土壤电阻率的增大会导致冲击接地电阻增大,不过增大的幅度逐步降低;仅增加接地网埋深对其降阻效果不明显,工程中应根据地理环境选择适当的埋深;对于同一雷电流注入点,当雷电流波前时间缩短时,冲击接地电阻将会增大。采用加装水平接地极和圆环不等间距布置的措施,对风机接地网的降阻效果比较明显,仿真结果对实际工程中设计风机的接地装置有一定指导意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

计及土壤电离的接地装置冲击特性有限元分析

接地装置是电力系统中的重要组成部分,是故障电流和雷电流的泄流通道,对接地装置冲击特性的研究是接地优化设计和提高输电线路耐雷性能的基础。利用基于有限元方法的COMSOL软件建立了考虑土壤火花效应的接地装置冲击特性有限元模型,通过与试验数据对比验证了模型的有效性以及准确性。并对接地装置冲击散流特性进行了分析,定量研究了土壤火花放电现象对接地装置冲击特性的影响,验证了火花效应对接地装置接地电阻的降低作用,且地表电位分布规律证明火花放电减小跨步电压,提升安全距离。以上对基本接地装置冲击特性的分析结果对接地装置的设计和运行有重要的参考价值。     

考虑多基杆塔接地散流线路临近管道雷击过电压研究

由于目前输电线路与管道常交叉、并行架设，当雷击杆塔时雷电流会沿杆塔两侧避雷线流向相邻多基杆塔，而杆塔接地散流不可避免会对临近管道产生过电压影响。针对多基杆塔接地散流下管道过电压进行仿真计算并提出管道过电压防护方法。首先利用电磁暂态软件ATP-EMTP搭建输电线路雷电暂态计算模型，计算不同土壤电阻率下多基杆塔雷电流分布特征；然后基于多基杆塔雷电流分布特征，搭建多基杆塔接地网-油气管道散流计算模型，计算分析土壤电阻率、“管-线”间距及雷电流幅值等因素对管道过电压的影响；最后对比分析“接地排流线”、“迫向换流”等方式对管道过电压的防护效果。研究结果表明：土壤电阻率增加使杆塔接地电阻变大，从而使得杆塔分流系数会逐渐减小；相较单基杆塔模型，考虑多基杆塔接地散流会加剧管道过电压问题，土壤电阻率和雷电流幅值增加将导致管道过电压升高，“管-线”间距增加会导致管道过电压降低；敷设排流线和采用迫向换流等方式均可有效降低管道电位。     

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。     

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。     

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。     

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。     

工频电压作用下新式接地模组指标参数特性分析

高效的接地模组可降低接地系统的冲击接地内阻,提高雷电流吸收、泄散效率。为此介绍一种新式接地模组,并借助雷电冲击平台,研究其能量吸收、残压和通流的变化规律。分析内阻与土壤电阻率两者关系,并就接闪效果与传统避雷设施进行比较。结果表明:随着冲击电压不断增大,模组的内阻呈现明显减小趋势,且接地模组的吸收能量与冲击电压呈正相关,吸收能量百分比与冲击电压呈负相关;土壤电阻率越低,模组泄流效果发挥更佳;在串联该接地模组的对比试验中较传统防雷装置提高6.5%的接闪概率。     

异阻区土壤对接地网接地电阻影响分析

准确模拟接地网周围土壤结构对接地装置优化设计具有重要意义。基于有限元算法,建立了考虑异阻区的土壤结构模型,对接地网散流过程中地中电流密度进行分析;并对异阻区土壤电阻率、截面积、厚度、位置等参数对接地网接地电阻的影响规律进行了定量分析。结果表明:异阻区截面积不大于10 m×10 m时,可以忽略异阻区对接地网接地电阻的影响,否则应考虑其对接地电阻的影响;异阻区土壤电阻率越小、厚度越大,其对接地电阻的影响越大,异阻区土壤电阻率ρ=10Ω·m,厚度h=1 m时,接地电阻下降幅度为36%;异阻区土壤位置在接地网边角(40,40)时其对接地电阻的影响最大;高土壤电阻率地区采用边角换土方式代替传统的整体换土,不仅可以减少施工量还可以有效的降低接地电阻。     

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。     

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。     

大型变电站接地网雷电冲击暂态特性的仿真

为了更深入掌握雷电冲击下大型变电站接地网的暂态特性,指导变电站的防雷接地设计,建立了大型变电站雷电冲击暂态特性的仿真模型。在此基础上,使用矩量法(MOM)在不同土壤电阻率、不同地网边长、不同网孔大小以及不同雷电流波头时间等情况下分别进行了接地网的雷电冲击暂态特性的仿真计算。结果表明:土壤电阻率越大,接地网的冲击接地特性越呈现出阻性;地网面积越大,接地网的冲击接地特性越呈现出感性;网孔大小对接地电阻的影响不明显,当网孔边长从50 m下降到10 m时,接地网的工频接地电阻与冲击接地电阻分别下降了22.95%和5.63%;随着雷电流波头时间的增加,接地网的冲击接地电阻与冲击系数近似线性下降。     

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。     

输电杆塔混凝土桩基接地散流与结构优化研究

电力输电线路杆塔除桩基自然接地体外往往需要额外敷设人工外延接地体,实际工程中人工外延接地往往受地形、征地以及施工难度所限,提高杆塔桩基自然接地的接地散流效率具有重要意义.笔者提出基于柔性石墨复合接地材料搭建杆塔桩基立体"笼"式外敷接地装置,采用COMSOL仿真软件建立混凝土杆塔桩基散流计算模型,针对典型杆塔桩基采用"笼"式外敷接地装置的不同敷设方式、根开间距等因素进行仿真计算,验证"笼"式接地装置对杆塔散流的影响,最后针对整个杆桩基础,对比了桩基外敷接地与传统人工外延接地的散流效果.计算结果表明:随着土壤电阻率的提升,桩基"笼"式外敷接地装置的降阻效率始终保持在19％以上;与人工外延接地装置相比,外敷接地装置的散流比在90％以上,可以有效地分担桩基钢筋的散流占比;当入地电流中包含冲击高频分量时,外敷接地装置的降阻效率始终在20％以上,且外敷接地装置的散流比高于人工外延接地体.