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(yàn)研究.pdf

1、發(fā)、變電站及輸電線(xiàn)路的接地裝置是維護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)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(duì)接地系統(tǒng)的影響也越來(lái)越大,接地系統(tǒng)面臨新的安全問(wèn)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?chē)寥乐械幕鸹ǚ烹姮F(xiàn)象是影響接地性能的重要因素,考慮接地裝置散流過(guò)程中各種因素的影響,對(duì)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(xiàn)路桿塔接地極在雷電流作用下的動(dòng)態(tài)沖擊特性進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)

2、算和試驗(yàn)研究,是目前電力系統(tǒng)迫切需要解決的實(shí)際難題。
　　 本文在深入分析國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)、變電站接地網(wǎng)頻域性能及輸電線(xiàn)路桿塔接地裝置沖擊特性的試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算研究的基礎(chǔ)上,首先針對(duì)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(guò)程引起的地中電位分布的數(shù)值計(jì)算原理,建立了考慮土壤中位移電流的計(jì)算地中電位分布的標(biāo)量有限元模型。利用基于弱形式的有限元方程對(duì)接地導(dǎo)體和土壤分界面處介質(zhì)參數(shù)突變的問(wèn)題進(jìn)行處理;引入空間幾何變換方法,解

3、決了接地系統(tǒng)無(wú)窮散流空間和有限計(jì)算資源之間的矛盾。通過(guò)與文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了該模型的正確性。然后針對(duì)入地故障電流頻率較高的氣體絕緣變電站,基于電磁場(chǎng)麥克斯韋全波方程,建立了考慮場(chǎng)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(wèn)題;詳細(xì)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(wú)窮散流空間和有限計(jì)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(guò)程中的作用,同時(shí)解決了考慮接地導(dǎo)體集膚效應(yīng)帶來(lái)的計(jì)算量劇增的問(wèn)題。采用此模型對(duì)簡(jiǎn)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(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)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(jì)算模型,計(jì)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(shí),散流過(guò)程產(chǎn)生的地中電流場(chǎng)、電位場(chǎng)、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(xué)沖擊接地模擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)八種典型接地裝置結(jié)構(gòu)的沖擊散流規(guī)律進(jìn)行模擬試驗(yàn)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(duì)沖擊散流規(guī)律的影響。
　　 在深入分析沖擊散流物理過(guò)程中土壤電離現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,建立了考慮土壤

6、動(dòng)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(shí)域有限差分格式相結(jié)合的方法計(jì)算接地體沖擊散流產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電位分布;在分析大量接地裝置沖擊特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)及本文沖擊散流規(guī)律模擬試驗(yàn)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(lái)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(duì)應(yīng)時(shí)刻該單元電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù),由時(shí)變的空間電場(chǎng)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(zhǔn)確地模擬沖擊散流過(guò)程中土壤參數(shù)的分布時(shí)變性。并

7、且以此動(dòng)態(tài)有限元模型為基礎(chǔ),對(duì)沖擊模擬試驗(yàn)中使用的接地裝置建立仿真模型,結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析了沖擊散流規(guī)律以及火花放電現(xiàn)象對(duì)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(yàn)及數(shù)值分析結(jié)果,提出高土壤電阻率地區(qū)輸電線(xiàn)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(duì)星型針刺接地極降低沖擊接地電阻的原理進(jìn)行數(shù)值分析,結(jié)果表明,通過(guò)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