接地網(wǎng)頻域性能及植塔接地極沖擊特性的數(shù)值分析及試驗研究.pdf

1、發(fā)、變電站及輸電線路的接地裝置是維護電力系統(tǒng)安全可靠運行的重要基礎(chǔ)設(shè)備。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展,故障、操作和雷電等暫態(tài)故障電流對接地系統(tǒng)的影響也越來越大,接地系統(tǒng)面臨新的安全問題。高頻故障電流作用下接地導(dǎo)體呈現(xiàn)的電感效應(yīng)以及高幅值沖擊電流作用下接地體周圍土壤中的火花放電現(xiàn)象是影響接地性能的重要因素,考慮接地裝置散流過程中各種因素的影響,對發(fā)變電站接地網(wǎng)在故障電流作用下的頻域性能和輸電線路桿塔接地極在雷電流作用下的動態(tài)沖擊特性進行準確的數(shù)值計

2、算和試驗研究,是目前電力系統(tǒng)迫切需要解決的實際難題。
　　 本文在深入分析國內(nèi)外對發(fā)、變電站接地網(wǎng)頻域性能及輸電線路桿塔接地裝置沖擊特性的試驗研究和數(shù)值計算研究的基礎(chǔ)上,首先針對入地故障電流頻率較低的常規(guī)變電站接地網(wǎng),闡述了故障散流過程引起的地中電位分布的數(shù)值計算原理,建立了考慮土壤中位移電流的計算地中電位分布的標量有限元模型。利用基于弱形式的有限元方程對接地導(dǎo)體和土壤分界面處介質(zhì)參數(shù)突變的問題進行處理;引入空間幾何變換方法,解

3、決了接地系統(tǒng)無窮散流空間和有限計算資源之間的矛盾。通過與文獻試驗數(shù)據(jù)對比驗證了該模型的正確性。然后針對入地故障電流頻率較高的氣體絕緣變電站,基于電磁場麥克斯韋全波方程,建立了考慮場域中位移電流和感應(yīng)電流的接地裝置高頻特性矢量有限元模型。利用基于弱形式的矢量有限元方程處理接地導(dǎo)體與土壤分界面處介質(zhì)突變的問題;詳細推導(dǎo)了空間幾何變換方法在矢量有限元分析模型中的應(yīng)用,解決了無窮散流空間和有限計算資源之間的矛盾;在接地導(dǎo)體與土壤的分界面上使用阻

4、抗邊界條件考慮高頻故障電流作用下接地導(dǎo)體中的集膚效應(yīng),它不僅考慮了接地導(dǎo)體在散流故障電流過程中的作用,同時解決了考慮接地導(dǎo)體集膚效應(yīng)帶來的計算量劇增的問題。采用此模型對簡單水平、垂直接地極和接地網(wǎng)建立數(shù)值分析模型,與CDEGS計算結(jié)果對比驗證了該方法的有效性。
　　 以接地裝置高頻特性的矢量有限元分析模型為基礎(chǔ),建立了單根水平、單根垂直接地極和水平接地網(wǎng)的數(shù)值計算模型,計算得到高頻故障電流作用下于單根水平、單根垂直接地極和接地網(wǎng)

5、時,散流過程產(chǎn)生的地中電流場、電位場、沿接地導(dǎo)體漏電流分布規(guī)律以及接地導(dǎo)體上電位分布規(guī)律與注入電流頻率之間的關(guān)系特性。
　　 在重慶大學沖擊接地模擬實驗室對八種典型接地裝置結(jié)構(gòu)的沖擊散流規(guī)律進行模擬試驗研究,得出了各種接地裝置結(jié)構(gòu)在沖擊電流作用下漏電流沿接地導(dǎo)體的分布規(guī)律,系統(tǒng)地分析了接地裝置結(jié)構(gòu)、沖擊電流幅值、土壤電阻率等因素對沖擊散流規(guī)律的影響。
　　 在深入分析沖擊散流物理過程中土壤電離現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,建立了考慮土壤

6、動態(tài)電離現(xiàn)象的接地裝置沖擊特性有限元分析模型。采用空間有限元格式與時域有限差分格式相結(jié)合的方法計算接地體沖擊散流產(chǎn)生的動態(tài)電位分布;在分析大量接地裝置沖擊特性試驗數(shù)據(jù)及本文沖擊散流規(guī)律模擬試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,提出采用四分區(qū)結(jié)構(gòu)的土壤模型來模擬土壤電離現(xiàn)象的不同程度;將離散土壤單元的電阻率設(shè)置為對應(yīng)時刻該單元電場強度的函數(shù),由時變的空間電場控制土壤電阻率,不需要事先假定土壤火花區(qū)域的形狀,能夠準確地模擬沖擊散流過程中土壤參數(shù)的分布時變性。并

7、且以此動態(tài)有限元模型為基礎(chǔ),對沖擊模擬試驗中使用的接地裝置建立仿真模型,結(jié)合試驗結(jié)果分析了沖擊散流規(guī)律以及火花放電現(xiàn)象對電力設(shè)備和人身安全的影響。
　　 根據(jù)沖擊散流規(guī)律的模擬試驗及數(shù)值分析結(jié)果,提出高土壤電阻率地區(qū)輸電線路桿塔采用針刺式接地裝置的降阻措施,并應(yīng)用本文提出的接地裝置沖擊特性有限元分析方法對星型針刺接地極降低沖擊接地電阻的原理進行數(shù)值分析,結(jié)果表明,通過添加針刺引導(dǎo)沖擊電流在接地導(dǎo)體各段平衡散流,可使土壤顆粒間局部