輸電線路桿塔沖擊接地電阻特性的模擬試驗(yàn)研究分析

1、.：.；輸電線路桿塔沖擊接地電阻特性的模擬實(shí)驗(yàn)研討分析文摘全面系統(tǒng)地分析輸電線路桿塔接地安裝的沖擊接地電阻特性對(duì)于提高電力系統(tǒng)平安運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性起著非常重要的作用。根據(jù)類似實(shí)際采用模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地模擬了各種要素對(duì)輸電線路桿塔接地安裝沖擊特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡明，沖擊接地電阻隨沖擊電流幅值的添加而減小，隨幾何尺寸的添加而減小，隨土壤電阻率的添加而添加。各種要素的影響規(guī)律均與火花區(qū)的構(gòu)成與開展有關(guān)，具有非線性特征。本次實(shí)驗(yàn)研討的土壤電阻率從100m到5103m，變化范圍大，在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中沒有報(bào)導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)采用的接地安裝包括了各種高壓輸電線路工程中常用的構(gòu)造，使研討更具有實(shí)踐運(yùn)用價(jià)值。關(guān)鍵詞輸電線路； 接地安

2、裝； 模擬實(shí)際； 沖擊接地電阻； 模擬實(shí)驗(yàn)分類號(hào)TM 862隨著電力系統(tǒng)的開展，雷擊輸電線路引起的事故也日益增多，如何提高輸電線路的耐雷程度已遭到廣泛注重。統(tǒng)計(jì)結(jié)果闡明，改善接地是很有效的線路防雷措施1。線路桿塔接地安裝的沖擊接地電阻取值會(huì)影響到線路的防雷效果的計(jì)算。而2中引薦的沖擊系數(shù)多數(shù)是用簡(jiǎn)單外形的半球形、程度及垂直接地體在小電流下的實(shí)驗(yàn)值，然后運(yùn)用外插等方法得到。因此，全面系統(tǒng)地研討輸電線路桿塔接地安裝，特別是高電阻率地域桿塔接地安裝的沖擊接地電阻及沖擊系數(shù)是迫切需求處理的課題。華北500kV緊湊型線路以及將要建立的三峽輸電線路都將經(jīng)過(guò)土壤電阻率高的山區(qū)，這使得本課題更具有重要的現(xiàn)實(shí)意

3、義。接地安裝沖擊特性實(shí)驗(yàn)可用真型或模擬實(shí)驗(yàn)。二者相比，模擬實(shí)驗(yàn)具有比較容易改動(dòng)各種相關(guān)參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的研討闡明，假設(shè)嚴(yán)厲按照模擬實(shí)驗(yàn)的類似實(shí)際來(lái)進(jìn)展，其結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。本文采用模擬實(shí)驗(yàn)方法對(duì)輸電線路桿塔接地安裝的沖擊特性進(jìn)展了系統(tǒng)的研討。1模擬實(shí)驗(yàn)原理及試品引見接地安裝的沖擊特性不僅與其構(gòu)造尺寸、土壤電阻率、接地安裝的埋深及雷電流參數(shù)等要素有關(guān)，而且頻率很高的雷電流在地中流散時(shí)，電荷在空間的分布隨時(shí)間的變化而變化，具有時(shí)變場(chǎng)的特征。到目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)表了很多關(guān)于接地體沖擊特性的研討論文310，但都是在一些假設(shè)條件下，對(duì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單的程度接地體和垂直接地體建立簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)接地體的

4、沖擊特性進(jìn)展近似的分析。文11提出了沖擊接地模擬實(shí)驗(yàn)的原理，其關(guān)鍵是土壤中的沖擊物理過(guò)程的模擬。文12詳細(xì)推導(dǎo)了沖擊接地的模擬比例尺。主要的模擬比例尺為1=2，E 01=E02，l1=nl2，t1=nt2，Im1=n2Im2，1=n2，RI1=RI2/n，1=2. 式中，各物理量的下標(biāo)1表示真型接地安裝，2表示模擬接地安裝，為土壤電阻率，E 0為土壤臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，l為長(zhǎng)度，t為時(shí)間，Im為沖擊電流幅值，為沖擊電流波頭時(shí)間，RI為沖擊接地電阻，為沖擊系數(shù)。長(zhǎng)度模擬比例尺n與時(shí)間比例尺一樣。模擬實(shí)驗(yàn)在重慶大學(xué)高壓實(shí)驗(yàn)室的半球形砂池中進(jìn)展。為了滿足模擬實(shí)驗(yàn)的要求，需求減小沖擊電流的波頭時(shí)間，即減小沖

5、擊電流發(fā)生器的電感。因此，將電容器的銜接導(dǎo)線改為平板，添加銜接導(dǎo)線的尺寸，并縮短其長(zhǎng)度。丈量得到?jīng)_擊電流的波頭時(shí)間為0.040.06s，平均值為0.05s.取實(shí)踐沖擊電流波形為2.6/50s，那么模擬比例尺n=52.實(shí)驗(yàn)中用細(xì)砂來(lái)模擬土壤。用埋在砂中的電加熱器加熱細(xì)砂來(lái)提高土壤電阻率，加水或鹽水來(lái)降低土壤電阻率，實(shí)驗(yàn)時(shí)砂池中土壤電阻率在1005103m范圍改動(dòng)。砂池的外部是直徑為5m的半球形鐵殼，用來(lái)作為集電極模擬無(wú)窮遠(yuǎn)處大地。沖擊電流發(fā)生器的最大沖擊電流為65kA。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)需求改動(dòng)接地安裝的幾何尺寸及埋深，沖擊電流的幅值和波頭時(shí)間，以及土壤電阻率等參數(shù)。對(duì)6種接地安裝進(jìn)展了實(shí)驗(yàn)，包括

6、表1中a,b,c實(shí)踐高壓輸電線路桿塔常用的3種接地安裝，d，e,f為3種簡(jiǎn)單的程度或垂直接地體。普通接地導(dǎo)體的直徑為1020mm，根據(jù)模擬比例尺，模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)接地導(dǎo)體的直徑取0.4mm.表1實(shí)驗(yàn)中采用的桿塔接地安裝構(gòu)造圖接地安裝稱號(hào)接地安裝外形 實(shí)踐接地體尺寸闡明/ma) 鐵塔接地安裝 a: 4s: 810l: 050 b) 水泥桿環(huán)型接地安裝 d: 2.5l: 026l0時(shí)，l2=0l=0時(shí)，l2=7 c) 水泥桿放射型接地安裝 a: 1.5d: 10l: 553 d) 從一端施加沖擊電流的程度接地體 l: 5100 e) 從中間施加沖擊電流的程度接地體 l: 560 f) 垂直接地體 l:

7、560 2影響沖擊接地電阻的主要要素2.1沖擊電流幅值對(duì)沖擊接地電阻的影響圖1為實(shí)驗(yàn)中得到的沖擊接地電阻與沖擊電流幅值的關(guān)系曲線，其中曲線af分別表示表1中相應(yīng)的接地安裝。當(dāng)接地安裝的幾何尺寸及土壤電阻率一定時(shí)，其沖擊接地電阻隨沖擊電流幅值的添加而減小，但當(dāng)沖擊電流幅值到達(dá)一定值以后，沖擊接地電阻減小的趨勢(shì)變緩，趨于飽和。在沖擊電流作用下接地體周圍具有瞬變電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)土壤的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)E 0時(shí)，土壤擊穿而產(chǎn)生火花放電，這相當(dāng)于加大了構(gòu)成接地安裝的金屬導(dǎo)體直徑，因此沖擊接地電阻隨沖擊電流的添加而減小。實(shí)驗(yàn)闡明，土壤電阻率不同，同一接地安裝的沖擊接地電阻隨電流添加而減小所呈現(xiàn)的飽和趨勢(shì)也不

8、一樣。土壤電阻率越低，出現(xiàn)飽和趨勢(shì)的沖擊電流幅值越小。=3.127km,其中a,b,c,e和f的l=26m；d 的l=60m圖1各種接地安裝的沖擊接地電阻與沖擊電流幅值的關(guān)系曲線2.2接地安裝的幾何尺寸對(duì)沖擊接地電阻的影響圖2所示為各種接地安裝在沖擊電流幅值和土壤電阻率一定時(shí)，其沖擊接地電阻與其幾何尺寸的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，沖擊接地電阻隨幾何尺寸的添加而減小，減小到一定值后具有飽和趨勢(shì)。Im=100kA，=1.031km圖2各種接地安裝的沖擊接地電阻與其幾何尺寸的關(guān)系曲線在沖擊電流的作用下，接地體可以看成是由電感、電容、電導(dǎo)和電阻組成的分布參數(shù)組成的電路。由于沖擊電流的頻率很高，很大的導(dǎo)

9、體感抗妨礙沖擊電流向接地體的遠(yuǎn)端流動(dòng)。因此，越接近入地端的接地體流散的電流就越多，這里的電流密度就越大，土壤的擊穿厚度也就越大。如圖3所示，沿接地體長(zhǎng)度周圍土壤中的火花區(qū)域的外形呈錐形逐漸減少。圖3接地體周圍構(gòu)成的火花放電區(qū)域外形接地體尺寸的添加，一方面可添加接地體的散流面積，而使其沖擊接地電阻減?。?另一方面，由于接地體長(zhǎng)度的添加，感抗增大，使得散流不均勻，增長(zhǎng)的接地體不能得到充分利用。兩方面要素導(dǎo)致沖擊接地電阻的降低具有飽和特性。這就是沖擊電流作用下接地體具有一定的有效長(zhǎng)度le.從大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，沖擊電流幅值一定時(shí)，隨著土壤電阻率的添加，接地體的有效長(zhǎng)度添加。這是由于接地體接近入地端

10、流散的電流相對(duì)減少，使接地體有效長(zhǎng)度相對(duì)添加。另外實(shí)驗(yàn)闡明，添加沖擊電流幅值也會(huì)導(dǎo)致接地體有效長(zhǎng)度的添加。2.3土壤電阻率對(duì)沖擊接地電阻的影響圖4所示為沖擊電流幅值和接地體的幾何尺寸一定時(shí)，沖擊接地電阻隨土壤電阻率的變化曲線。普通來(lái)說(shuō)，接地體的工頻接地電阻隨土壤電阻率的添加而線性添加，而沖擊接地電阻與土壤電阻率呈非線性關(guān)系添加，即土壤電阻率較小時(shí)，沖擊接地電阻隨電阻率添加而添加的速度較大，而當(dāng)電阻率較大時(shí)，添加的速度減小。Im=200kA,其中a,b,c,e和f的l =26m；d 的l=60m圖4各種接地安裝的沖擊接地電阻與土壤電阻率的關(guān)系曲線分析圖中各曲線，可以看出沖擊接地電阻隨土壤電阻率變

11、化的曲線根本可以分成三段。當(dāng)土壤電阻率小于500m時(shí)，土壤導(dǎo)電性較好，隨著土壤電阻率的添加，沖擊接地電阻添加很快，根本呈線性關(guān)系； 土壤電阻率在5003000m的范圍，導(dǎo)電性較差，沖擊接地電阻隨土壤電阻率的添加而添加的速度變慢，呈非線性關(guān)系； 當(dāng)土壤電阻率大于3000m時(shí)，土壤為極不良土壤，土壤的導(dǎo)電性很差，這時(shí)隨著土壤電阻率的添加，沖擊接地電阻接近線性添加，但添加的速度變慢。當(dāng)土壤電阻率較小時(shí)，容易將電流流散到土壤中去，土壤電阻率的添加對(duì)接地體周圍場(chǎng)強(qiáng)的影響較小，土壤的擊穿厚度添加不多，使沖擊接地電阻變化接近線性； 土壤電阻率在5003000m范圍時(shí)，土壤的導(dǎo)電性能下降，只需經(jīng)過(guò)擊穿土壤構(gòu)成

12、火花區(qū)才干將沖擊電流流散出去，這使變化趨勢(shì)呈非線性。大于3000m時(shí)，土壤的導(dǎo)電性很差，土壤電阻率添加，使接地體周圍的場(chǎng)強(qiáng)添加較多，導(dǎo)致土壤的擊穿厚度添加較多，從而減弱了土壤電阻率對(duì)沖擊接地電阻的影響，并使變化趨勢(shì)變得更平緩。3有關(guān)接地安裝構(gòu)造的選擇以上分析了影響輸電線路桿塔接地安裝沖擊接地電阻的幾個(gè)主要要素。實(shí)踐上，桿塔接地安裝的沖擊接地電阻不僅與沖擊電流幅值、土壤電阻率及幾何尺寸有關(guān)，而且還與接地安裝的構(gòu)造有關(guān)。分析不同構(gòu)造接地體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出有關(guān)線路桿塔接地安裝構(gòu)造的結(jié)論。1) 由圖1、圖2和圖4可見，采用單根程度接地體時(shí)，在一樣的土壤電阻率和雷電流幅值的情況下，中點(diǎn)引流比從接地體

13、一端引流的沖擊接地電阻要低，因此不宜選擇單端點(diǎn)引流的接地安裝構(gòu)造。2) 由圖1和圖4可見，當(dāng)接地安裝的幾何尺寸較大時(shí)，水泥桿環(huán)型接地安裝的沖擊接地電阻與放射型的相差不大；而由圖2可見，當(dāng)幾何尺寸較小時(shí)，水泥桿環(huán)型接地安裝的沖擊接地電阻比放射型的要大得多。在實(shí)踐中，往往受地形等要素的限制，接地安裝的幾何尺寸不太能夠很大，因此，水泥桿環(huán)型接地安裝由于沖擊散流效果差，其沖擊接地電阻比放射型的大，不宜在高土壤電阻率情況下采用。3) 表1中a和c所示的鐵塔接地安裝和水泥桿放射型接地安裝，從塔基引出四根程度接地體，施工簡(jiǎn)單，效果較好。4) 由圖2可見，接地安裝的沖擊接地電阻隨幾何尺寸的添加而降低，但當(dāng)幾何尺寸較大時(shí)，沖擊接地電阻呈飽和趨勢(shì)，因此接地體存在一定的有效長(zhǎng)度。在實(shí)踐工程中接地體的長(zhǎng)度不應(yīng)超越有效長(zhǎng)度，否那么即使工頻接地電阻下降，而沖擊接地電阻并沒有降低，導(dǎo)致線路的防雷效果不佳。4結(jié)論1) 輸電線路接地安裝沖擊特性的好壞直接影響線路的防雷性能。按照類似實(shí)際可以系統(tǒng)地模擬各種要素