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    電子論文

    配電線路直埋式水泥桿雷電沖擊暫態接地特性

    時間:2021年03月01日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

    摘要:安全性評估在架空線路建設過程中是不可或缺的,而跨步電壓作為安全性指標顯得尤為重要。為此研究了配電線路直埋式水泥桿遭受雷擊時的暫態接地特性:首先通過ATP-EMTP電磁暫態軟件搭建配電線路仿真計算模型,計算不同幅值的雷電流雷擊桿塔時的入地電流;其

      摘要:安全性評估在架空線路建設過程中是不可或缺的,而跨步電壓作為安全性指標顯得尤為重要。為此研究了配電線路直埋式水泥桿遭受雷擊時的暫態接地特性:首先通過ATP-EMTP電磁暫態軟件搭建配電線路仿真計算模型,計算不同幅值的雷電流雷擊桿塔時的入地電流;其次結合兩種跨步電壓安全限值判據,通過CDEGS軟件搭建接地仿真計算模型,計算不同入地電流及土壤電阻率情況下配電桿塔周圍的跨步電壓及安全距離,得到如下變化規律:1)桿塔附近跨步電壓隨雷電流增大而增大,且在不同土壤電阻率下增加的程度不同。2)雷電流較小的情況下,土壤電阻率對跨步電壓影響不大。3)土壤電阻率對跨步電壓的影響呈現飽和趨勢,當土壤電阻率增大到一定程度時,跨步電壓基本維持在某個定值。

      關鍵詞:配電線路;雷擊暫態;接地特性;跨步電壓;土壤電阻率

      0引言

      在配電網的規劃建設中,直埋式水泥桿塔作為最常見的配電桿塔形式有著數量多、范圍廣、與用戶關系密切等特點[1-3]。運行經驗表明,因雷擊配電桿塔造成的線路跳閘事故在配網運行總事故中占50%~70%[4-7]。目前國家電網、南方電網公司均提出不同地區配電線路桿塔形式的典型設計,對規范配電網建設起到了積極作用[8]。但典型設計中并未針對雷擊情況下配電桿塔的暫態接地特性開展校核,尤其對于配電桿塔周圍的跨步電壓等安全性數據沒有做出明確要求。因此筆者基于此背景開展了配電桿塔的雷電沖擊暫態接地特性研究。

      配電論文范例:基于配電網節能降損治理應用研究

      目前對于該課題的研究,國外B.THAPAR、V.GEREZ等學者研究了配電線路桿塔接地裝置的結構及布置方式[9],F.OLLENDORF等學者對鋼筋混凝土桿塔的自然接地特性,尤其是通流能力方面做了比較細致的工作[10-14]。E.J.FAGAN、R.H.LEE等學者對混凝土最大通流能力進行了大量現場實測[11-12,15-16]。E.J.FAGAN等學者同時也研究了鋼筋混凝土桿塔工頻接地電阻計算方法[11]。國 內清華大學高延慶等學者從土壤的擊穿機理開始,對單根接地導體和接地網的沖擊特性進行了系統的研究[17]。華北電力大學慈亞楠等對中壓配電網接地故障時的跨步電壓進行了研究[18]。

      清華大學何金良等對跨步電壓和接觸電壓觸電事故的概率進行了計算[19-21]。以上國內外學者分別從桿接地裝置結構、鋼筋混凝土自然接地特性、桿塔工頻與沖擊接地電阻、工頻跨步電壓計算等方向對配電桿塔接地特性進行研究,但對于直埋式水泥桿的雷電沖擊的暫態接地特性并未涉及,對雷擊條件下的跨步電壓安全范圍也未研究清楚。

      1ATP-EMTP仿真計算模型

      為探究雷擊桿塔時入地電流的大小,筆者通過ATP-EMTP電磁暫態仿真軟件搭建了23基10kV配電線路桿塔模型,線路總長度為1.5km,檔距為70m;1號配電變壓器DT1出線接入1號桿塔,23號尾桿出線接入2號配電變壓器DT2,配電變壓器型號為S11-M-200kVA/10,計算時將變壓器等效為入口電容[22]。

      雷擊點位于線路中央的第12基桿塔,雷電流模型采用Heidlertype電流源,波形為2.6/50μs,桿塔使用單波阻抗模擬,波阻抗值取250Ω,長度根據桿塔高度分段取值,根據南方電網典型設計,取塔底與橫擔間距11.2m,橫擔與塔頂間距1.24m。

      考慮到雷電流的高頻變化特性,架空線路選擇JMARTI模型。三相導線參數根據JL/G1A-240/30型號的鋼芯鋁絞線取值;單避雷線參數根據GJ-35型號的鋼芯鋁絞線取值。絕緣子通過壓控開關模擬,以瓷橫擔絕緣子SC-210的50%沖擊閃絡電壓240kV作為壓控開關的臨界值。10kV配電變壓器在雷擊暫態下等效為入口電容315.8pF。氧化鋅避雷器分別與變壓器的三相繞組并聯以保護變壓器,其中氧化鋅閥片的伏安特性曲線經實驗測得。

      2跨步電壓安全限值判據

      當雷擊桿塔的入地電流經桿塔接地裝置流入大地時,桿塔附近地電位抬升。若此時有人站在桿塔附近,就會承受兩腳之間的跨步電壓。為維護線路運行人員及其他人員的安全,必須嚴格將線路桿塔附近的跨步電壓控制在允許的范圍內。配電桿塔附近的跨步電壓取決于桿塔對地電位,與大地的土壤電阻率及接地裝置等因素有關?绮诫妷涸谝话闱闆r下產生最嚴重的后果是使人停止呼吸,或者導致心室纖維性顫動而造成循環障礙。

      在雷擊配電線路情況下,桿塔附近的跨步電壓所引起的觸電,其持續時間通常都不到幾秒。在如此短的時間里,一般不會引起呼吸停止。因此在線路桿塔附近因跨步電壓觸電最嚴重的后果是引起心室纖維性顫動。這種顫動是指心肌隨機收縮與遲緩,嚴重時它能導致心臟跳動衰竭而死亡。國內外在研究線路附近跨步電壓造成的觸電事故時,最關注的問題是流入人體心臟電流的大小。

      3CDEGS接地仿真計算模型

      以南方電網10kV架空線路典型設計為例,直埋式水泥桿一般采用桿塔自然接地形式:受力筋采用直徑為12mm的螺紋鋼,沿圓周布置12根,直徑4mm高強鋼絲做箍筋,間距100mm左右布置。

      由于雷電流具有高頻特性,無法直接計算其激勵作用下的時域結果,故使用CDEGS軟件的FFTSES模塊的正向FFT變換功能將雷電流的時域形式分解為不同頻率下的頻域形式;之后使用HIFREQ模塊分別計算不同頻率下雷電流的頻域響應;最后使用FFTSES模塊的反向FFT變換功能將雷電流的頻域響應轉換為時域形式并疊加得到時域響應,即得到配電桿塔入地電流點附近的跨步電壓。使用相同方法可得到其他雷電流、土壤電阻率條件下的跨步電壓,之后通過CDEGS仿真結果與跨步電壓安全限值相對比,得到不同雷電流不同土壤電阻率條件下配電桿塔周圍跨步電壓的安全距離。

      桿塔附近的跨步電壓隨雷電流的增大而增大,且在不同土壤電阻率下增加的程度不同:土壤電阻率越大,跨步電壓隨雷電流增大的程度越大。由于雷擊配電桿塔的電流的幅值是隨機的,故土壤電阻率較小的情況下配電桿塔周圍相對安全。在雷電流一定的條件下,跨步電壓隨土壤電阻率的增大總體呈現增大狀態,但在雷電流較小的情況下,土壤電阻率的變化對跨步電壓影響不大:雷電流10kA時的跨步電壓均為6m,跨步電壓基本不隨土壤電阻率變化;雷電流30kA時的跨步電壓為8~9m,受土壤電阻率的影響依然較小。

      此外,土壤電阻率對跨步電壓的影響呈現飽和趨勢,當土壤電阻率增大到一定程度時,跨步電壓基本維持在某個定值:雷電流在10kA、30kA、50kA、70kA、100kA、150kA、200kA時,隨著土壤電阻率增大,跨步電壓基本維持在6m、9m、12m、15m、18m、21m、25m。原因是隨著土壤電阻率的增大,入地電流在土壤上的壓降增大,從而使得跨步電壓增大;但隨著土壤電阻率增大,雷電流在導線上的分流增大,桿塔的入地電流減小。綜合二者相對效應,隨著土壤電阻率的增大,跨步電壓基本維持在某個定值。

      4結論與展望1)桿塔附近的跨步電壓隨雷電流的增大而增大,且在不同土壤電阻率下增加的程度不同:土壤電阻率越大,跨步電壓隨雷電流增大的程度越大;土壤電阻率越小,配電桿塔周圍越安全。2)雷電流較小的情況下,土壤電阻率的變化對跨步電壓影響不大。

      3)土壤電阻率對跨步電壓的影響呈現飽和趨勢,當土壤電阻率增大到一定程度時,跨步電壓基本維持在某個定值。通過搭建ATP-EMTP仿真計算模型,得到不同雷電流雷擊桿塔時的入地電流;通過CDEGS分析了雷擊配電線路桿塔時的跨步電壓,得到了不同入地電流及土壤電阻率條件下桿塔附近的安全距離,并分析了跨步電壓安全距離隨土壤電阻率的變化規律。但由于篇幅所限,筆者未探究雷擊配電線路 導線或避雷線情況下的跨步電壓安全距離,可作為進一步的研究方向。

      參考文獻:

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      [2]王博聞,陸佳政,方針,蔣正龍,彭永晶,胡建平,吳偉.一種10kV配電線路防雷復合絕緣子的絕緣設計及防雷性能[J].電網技術,2018,42(6):2001-2008.WANGBowen,LUJiazheng,FANGZhen,JIANGZhenglong,PENGYongjing,HUJianping,WUWei.Studyoninsulationdesignandlightningprotectionperformanceoflightningprotectioncompositeinsulatorsfor10kVdistributionline[J].PowerSystemTechnology,2018,42(6):2001-2008.

      [3]張金波,彭曉宇,王磊,梁仕斌,唐雅麗,張其林.復雜地形下架空線雷電感應過電壓特性仿真研究[J/OL].高電壓技術,2019(11):3708-3714.

      作者:劉致君1,汪進鋒2,焦彥軍1,曾繁杰3,林萬成4

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