线路杆塔接地装置冲击特性及试验系统的研究

论文摘要

架空输电线路杆塔的接地装置属于防雷接地的范畴,其主要功能是为强大的雷电流提供入地通道。雷电流通过接地装置向周围土壤的流散过程中将抬高接地装置和输电杆塔的电位,当塔顶电位超过某一定值后将造成线路绝缘子的反击闪络,甚至引起线路的雷击跳闸。因此,合理设计杆塔的接地装置是保证架空输电线路安全、可靠运行的基础,并且通过对现有接地装置进行一定的降阻改造来提高输电线路的防雷性能也具有重要的工程意义。本文利用仿真计算、真型试验和模拟试验等研究方法对冲击接地试验系统、集中参数电网络模型及其迭代算法、冲击特性的特征现象、方框接地体冲击特性的评估方法和流散电流分布规律以及高电阻率土壤中的降阻措施等方面进行了深入地研究。1接地装置冲击大电流试验系统的研制设计确定了冲击大电流放电回路的电气参数,并按此参数要求提出了围绕直径40m的圆环形回流电极均匀对称布置的四台冲击电流发生器的技术方案,成功实现了在负载大于4Ω的情况下输出峰值100kA、波形8μs/20μs冲击电流的研制目标；并针对该试验系统提出了基于互阻抗的补偿公式和相应的试验方法,最后通过T2-4-4型接地体的冲击特性试验对试验系统和试验方法的准确性和有效性进行了验证。2考虑火花放电的频域电网络模型及其仿真计算研究构建了杆塔接地体的频域电网络模型,该模型中可考虑接地体自感、互感、对地电容对冲击特性的影响,以及接地体之间对地互阻抗的影响；并推导了均匀土壤模型和水平双层土壤模型中接地体之间对地互阻抗矩阵的计算公式；最后利用国际通用软件CDEGS对上述模型和算法进行了验证,并在此基础上提出了可考虑火花放电的频域电网络模型迭代算法,最后利用真型试验结果对上述算法进行了验证。3单根水平接地体电感效应和火花效应的研究以单根水平接地体为研究对象,采用不同波前时间的冲击电流作为激励,对不同土壤电阻率情况下不同长度水平接地体的冲击特性进行了仿真计算与分析,掌握了接地体对地电容、纵向电感、土壤火花放电等因素对冲击特性的影响规律及地电位升波形的特征,总结归纳了各种特征现象的影响范围,主要区分了电感效应在冲击特性中占主导的影响范围和火花效应占主导的影响范围。4方框接地体冲击特性的简化评估方法和流散电流分布规律以我国杆塔接地工程中广泛使用的方框接地体为研究对象,对低、中、高土壤电阻率情况下方框接地体进行初步选型,并采用不同波前时间、不同峰值的冲击电流作为激励,对上述方框接地体的冲击特性进行了仿真计算,在此基础上总结归纳了不同土壤电阻率情况下方框接地体冲击特性的简化评估方法；利用模拟试验和仿真计算的方法,研究了方框接地体水平射线上流散电流的分布规律,并分析了冲击电流波前时间、峰值以及土壤电阻率对流散电流分布规律的影响。5高土壤电阻率地区接地体的降阻措施及其有效性分析针对大地底层存在低电阻率土壤的情况,通过模拟试验验证了加装垂直接地体后的降阻效果,结果显示加装垂直接地体前、后水平接地体和方框接地体的冲击接地电阻减小量可达到65%以上；针对大地底层不存在低电阻率土壤的高土壤电阻率地区,提出了分支呈120°三段式结构的改型方案,并比较了水平接地体和方框接地体改型前、后的冲击特性模拟试验结果,比较发现该结构可减弱电感效应,同时可为接地体增加一个火花放电通道,具有一定的降阻效果。通过本文的研究,在接地装置的冲击大电流试验系统及其试验方法、杆塔接地体冲击特性仿真计算方法、冲击特性特征现象、方框接地体冲击特性、高电阻率土壤的降阻措施等方面取得了一定的成果,为杆塔接地体冲击特性的试验研究和仿真计算提供了新方法和新思路,同时也为杆塔接地工程的设计与改造提出了冲击特性评估方法及降阻改型方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 接地装置冲击特性的研究意义
• 1.2 研究现状与分析
• 1.2.1 理论研究现状与分析
• 1.2.2 仿真计算研究现状与分析
• 1.2.3 试验研究现状与分析
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 接地装置冲击大电流试验系统的研究
• 2.1 冲击电流发生器的基本原理
• 2.1.1 冲击电流发生器的构成
• 2.1.2 冲击电流发生器放电回路的电路分析
• 2.1.3 冲击电流发生器的结构
• 2.2 试验系统的技术方案
• 2.2.1 冲击电流放电回路的电气参数
• 2.2.2 回流电极的型式及尺寸
• 2.2.3 分体式冲击电流发生器的技术方案
• 2.2.4 主设备及现场布置
• 2.3 试验系统的调试试验
• 2.3.1 试验回路电气参数的测试试验
• 2.3.2 冲击电流波形的调试试验
• 2.3.3 电流场分布的测试试验
• 2.4 回流电极的影响及其补偿方法
• 2.4.1 基于互阻抗的修正公式
• 2.4.2 补偿方法的仿真计算验证
• 2.5 验证性试验
• 2.6 本章小结
• 第3章 考虑火花放电的频域电网络模型及其仿真研究
• 3.1 频域电网络模型
• 3.1.1 离散傅立叶变换与快速傅里叶算法
• 3.1.2 接地装置的集中参数电网络模型
• 3.1.3 支路对地互导纳矩阵
• 3.1.4 节点导纳矩阵
• 3.2 火花效应的模拟及其迭代算法
• 3.2.1 土壤放电过程及其模拟方法
• 3.2.2 考虑火花放电的迭代算法
• 3.2.3 计算软件及算法编程
• 3.3 算法验证与分析
• 3.3.1 与CDEGS计算结果的比较
• 3.3.2 与真型试验结果的比较
• 3.3.3 误差分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 杆塔接地冲击特性影响因素的研究
• 4.1 电感效应与火花效应的影响范围
• 4.1.1 不同土壤条件下水平接地体的工频特性
• 4.1.2 雷电流的计算参数
• 4.1.3 仿真计算结果及分析
• 4.2 方框型接地体的冲击特性研究
• 4.2.1 不同土壤电阻率条件下接地体型式的选择
• 4.2.2 冲击电流波前时间和峰值对冲击特性的影响
• 4.2.3 方框接地体冲击特性的简化评估方法
• 4.3 水平射线上横向流散电流的分布规律
• 4.3.1 模拟试验及分析
• 4.3.2 仿真计算与分析
• 4.3.3 横向流散电流的分布规律及影响因素
• 4.4 本章小结
• 第5章 降低冲击接地电阻的措施及其有效性分析
• 5.1 常用的降阻措施
• 5.1.1 加大接地体的尺寸
• 5.1.2 引外接地
• 5.1.3 增设垂直接地体或深井接地
• 5.1.4 填充电阻率低的物质或降阻剂
• 5.1.5 综合降阻措施
• 5.2 加装垂直接地体
• 5.2.1 模拟试验原理及试验土壤条件
• 5.2.2 模拟试验结果及分析
• 5.3 改进水平射线的结构
• 5.3.1 水平接地体的改型效果
• 5.3.2 方框接地体水平射线的改型效果
• 5.3.3 水平射线改型后的流散电流测量结果
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者攻读博士期间的科研成果
• 致谢