土壤電參數(shù)變化特性及其對(duì)接地裝置性能的影響研究.pdf

1、對(duì)接地裝置的接地特性進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究，是接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)和防雷計(jì)算的基礎(chǔ)。目前，在接地性能的分析計(jì)算中對(duì)散流過程中土壤電參數(shù)的變化考慮較少，有些計(jì)算中還采用定參數(shù)進(jìn)行簡化，導(dǎo)致其仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相差較大。因此，有必要對(duì)土壤電參數(shù)的變化特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并將其應(yīng)用到數(shù)值計(jì)算模型中，分析其對(duì)接地裝置性能的影響。
　　土壤在沖擊散流過程中的所呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)電離變化過程是影響輸電線路接地裝置沖擊性能的重要因素，故輸電線路接地裝

2、置沖擊特性的數(shù)值計(jì)算必須準(zhǔn)確地反映該動(dòng)態(tài)物理過程。在沖擊電流入地散流的過程中，接地導(dǎo)體周圍土壤電阻率的變化是影響沖擊接地性能的一個(gè)重要參數(shù)，同時(shí)具有空間分布性和時(shí)變性，故本文針對(duì)沖擊電流作用下接地導(dǎo)體周圍土壤電阻率隨電離過程的變化，開展了土壤非線性電離試驗(yàn)，測量了土壤擊穿前土壤電阻率與地中電場之間的非線性關(guān)系；分析了沖擊電流作用下火花放電、電弧擊穿、去游離過程及土壤電阻率在該電離變化過程中的變化規(guī)律；建立了計(jì)及土壤電離變化過程的接地裝置

3、沖擊特性有限元模型，針對(duì)接地導(dǎo)體與土壤分界面、土壤分層界面的電阻率突變而造成收斂困難的問題，采取了格林公式和散度定理進(jìn)行偏微分方程降階處理，并采用具有連續(xù)偏導(dǎo)數(shù)的平滑階躍函數(shù)進(jìn)行過渡；將幾何坐標(biāo)變換引入到分層、分塊土壤模型的建立中，實(shí)現(xiàn)了求解區(qū)域從半無界域到有界閉域的轉(zhuǎn)換，在保證計(jì)算精度的同時(shí)降低了計(jì)算量；提出通過判據(jù)函數(shù)直接判斷空間變換后計(jì)算區(qū)域中任一待求點(diǎn)變換前的位置，解決了有限元數(shù)值計(jì)算中由于坐標(biāo)變換帶來的土壤分界面被映射成復(fù)雜橢

4、球面而產(chǎn)生的分界面畸變的問題，便于計(jì)算過程中計(jì)算參數(shù)的確定。將仿真結(jié)果與與場路結(jié)合方法及模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了采用本模型計(jì)算接地裝置沖擊特性的有效性。
　　為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)接地特性，還需考慮土壤參數(shù)頻變性的影響。因此，本文在50~106Hz范圍內(nèi)進(jìn)行了不同含水量的土壤電參數(shù)頻變性的測量，得到了土壤電阻率、相對(duì)介電常數(shù)隨電流頻率的變化規(guī)律，并對(duì)土壤電參數(shù)的頻變特性進(jìn)行了原因分析及數(shù)值擬合，得到了土壤電阻率、介電常數(shù)隨注入電流頻率

5、變化的函數(shù)關(guān)系式；從麥克斯韋方程組的微分形式出發(fā)，建立了計(jì)及土壤電參數(shù)頻變特性的接地裝置沖擊特性有限元模型，計(jì)算并分析了土壤電阻率、介電常數(shù)的頻變特性對(duì)接地極沖擊散流性能的影響。
　　在直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電流持續(xù)經(jīng)由接地極向周圍土壤散流，使得土壤發(fā)熱升溫，而土壤電阻率、熱參數(shù)是影響直流接地極溫升的主要原因，因此本文對(duì)直流接地極的發(fā)熱升溫過程進(jìn)行系統(tǒng)的分析。采用交流四極法對(duì)直流接地極廣泛分布地區(qū)的三種典型土壤進(jìn)行了土壤電參數(shù)隨溫度

6、變化的模擬試驗(yàn)，得到了土壤含水量、電阻率與溫度的定量表達(dá)式，再結(jié)合熱參數(shù)的經(jīng)典計(jì)算公式推導(dǎo)出了土壤相關(guān)熱參數(shù)與溫度的關(guān)系式；建立了計(jì)及土壤參數(shù)溫升特性的直流接地極溫升分析有限元模型，在模型中充分考慮了土壤電阻率、土壤熱參數(shù)隨溫度的變化，系統(tǒng)地分析了接地極的溫升過程。結(jié)果表明，本文所建立的有限元模型能反映接地極及附近土壤的溫升過程；直流接地極的溫升過程存在溫度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該點(diǎn)后接地極溫度急劇上升；在運(yùn)行過程中，應(yīng)將直流接地極的最大溫升控制在