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    電子論文

    輸電線路桿塔接地體地電位分布特性研究

    時間:2021年03月01日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

    摘要:為了研究雷擊輸電線路時輸電桿塔接地裝置時的暫態特性以及地電位分布情況,通過在陜西省境內選取高壓輸電桿塔實地測量的方式,分析了雷電流波前時間和半波時間對地電位峰值的影響、3種不同結構接地體地電位的分布規律以及同一種接地體在不同電阻率土壤

      摘要:為了研究雷擊輸電線路時輸電桿塔接地裝置時的暫態特性以及地電位分布情況,通過在陜西省境內選取高壓輸電桿塔實地測量的方式,分析了雷電流波前時間和半波時間對地電位峰值的影響、3種不同結構接地體地電位的分布規律以及同一種接地體在不同電阻率土壤環境下的電位分布情況,試驗結果表明雷電流波前時間越短、土壤電阻率越高的條件下地電位峰值更大,不同結構類型接地體周圍的地電位都是從地網中心注流點到地網邊緣逐漸下降,地網中心附件電位梯度大于地網邊緣,但3種接地體周圍的局部散流規律呈現出不同的特點。研究結果為輸電線路桿塔接地體優化設計和降低沖擊接地電阻等方面提供參考。

      關鍵詞:雷擊;桿塔接地體;暫態特性;地電位

      0引言

      雷擊會嚴重影響人類生產活動,包括電力系統的安全穩定運行,據資料研究表明,40%~70%的電力系統跳閘是由雷擊引起[1-2],雷擊會造成電力設備停運甚至損壞,架空輸電線路地處野外,線路 長,很容易遭受雷擊,所以必須重視輸電線路的雷電過電壓及其防護問題。對于高壓輸電線路的防雷,接地裝置承擔著泄放雷電流、保證雷擊線路桿塔時保證人身和設備安全的任務,提高輸電線路桿塔的耐雷水平,降低雷擊跳閘率,對于維持電力系統的安全穩定運行具有積極意義,因此研究輸電線路桿塔接地體的雷擊暫態特性一直受到電力設計、運行等部門的重視[3-4]。

      輸電線路的雷擊過電壓可以分為兩類,第一類是感應過電壓,是雷擊線路附近的大地時,在輸電線路上引起的感應過電壓;第二類是直擊過電壓,由雷電直接擊中輸電線或者線路桿塔引起。運行研究經驗表明,感應過電壓只對35kV等級以下的輸電線路運行造成威脅,而直擊過電壓對于高電壓輸電線路的安全穩定運行危害最大。為了減小雷擊引起的輸電線路故障,人們采用了各種防雷措施,如架設避雷線、降低桿塔沖擊接地電阻、裝設線路自動重合閘裝置、安裝線路避雷器等[5-10]。根據國內外對于輸電線路的防雷研究,電壓等級在110kV及以上的高壓輸電線路,降低桿塔沖擊接地電阻是提高耐雷水平、降低雷擊跳閘率最為有效且經濟的方案,由此可見,對于輸電線路的防雷保護工作主要集中在接地體優化設計和降低沖擊接地電阻方面。

      自20世紀初,大量學者就開始研究接地裝置的沖擊特性[11-14],線路桿塔遭受直擊雷時,雷電流沿桿塔流入接地裝置,從而在接地裝置上產生過電壓,武漢大學、清華大學等研究機構在桿塔接地沖擊電位分布做了時域有限元模擬試驗,還有一些學者們是在縮小比例的沙池中試驗,但是研究學者們很少對桿塔接地體在實際環境下做沖擊試驗[15-16]。

      因此有必要開展實地試驗,研究真實環境下的接地裝置電位分布,一方面可以指導桿塔絕緣配合,另一方面可以為降低接地裝置的沖擊接地電阻提供可靠依據。針對輸電線路的雷擊情況,筆者通過實地試驗的方式,研究不同參數暫態激勵時輸電桿塔接地裝置上的暫態響應,相同暫態激勵下不同結構的接地體周圍電位分布情況,以及處于不同電阻率土壤中時,接地裝置的電位分布。為優化接地體結構、設計降低沖擊接地電阻提供參考。

      1試驗方案

      為了研究輸電線路桿塔在雷擊下的暫態特性,選取了陜西省境內扶風段家—興平莊頭330kV高壓輸電線路走廊作為試驗的區域,采用三極法進行試驗,其中使用便攜式沖擊電流發生器或移動式沖擊電流發生器產生沖擊電流,為本次試驗過程中所采用的沖擊電流發生器現場布置。使用15kV高壓探頭測量接地網電位分布,使用Pearson101無源電流探頭測量注入電流以及地網散流情況。

      根據我國發布的接地裝置雷擊暫態特性分布中推薦在接地體周圍圍繞均流環,均流環與其他測試儀器沒有任何電氣連接,使用均流環的目的是為了沖擊電流在接地體各個方向上的散流更加均勻。根據國標[17]中的內容,在本次開展的試驗過程中,均在接地體周圍均流環,且圍均流環的直徑為1.5倍的接地體直徑或對角線長度,文獻[18]研究了試驗過程中各線路之間電磁耦合引起的測量誤差,使用三極法測量的布線盡量采用夾角排布且保持一定的距離。

      黑色加粗的輻射形結構代表輸電線路的桿塔接地體,沖擊電流發生器與接地體直接連接,此外沖擊發生器還與遠端的回流點連接,為了使試驗的結果更加準確,回流點距離桿塔接地體中心50m;當測量接地體附近的電位時,將測試點通過電壓引線與分壓器和示波器連接,從而得到測試點的電位,使用UPS電源對示波器進行供電,UPS、示波器、分壓器均應放置于絕緣墊上或懸空布置,保證對地絕緣,避免地電位的干擾。需要對不同結構類型的接地體和不同土壤條件下的電位分布進行試驗測試。

      2不同暫態激勵的影響

      為了研究試驗中采用何種參數的沖擊電流模擬雷電流注入接地體更加合適,需要開展不同參數暫態激勵的試驗,使用沖擊電流發生器產生不同波前時間的電流以模仿不同的暫態激勵。由于在本節中探究的主要是不同參數暫態激勵的影響,故接地體的結構類型可以不納入考慮范圍,在本節中選取的試驗對象為輻射形接地體,接地體埋入地下1.5m,沖擊電流發生器沿接地體中心注流。沖擊電流的波前時間是影響沖擊特性的主要因素之一,為了分析波前時間對電壓分布的影響,選取2.6/50μs的標準雷電流與5.2/50μs的雷電流的試驗結果進行分析比較。試驗得到接地裝置上暫態電壓響應。

      在峰值為1kA的2.6/50μs雷電流作用下,接地裝置電壓峰值為2.04kV;在峰值為1kA的5.2/50μs雷電流作用下,接地裝置電壓峰值為1.21kV。由于接地裝置存在感抗,且上述試驗中沒有考慮土壤電離,因此接地裝置的暫態電壓要比在單位工頻電流作用下所得到的暫態電壓高。雷擊情況下桿塔主要呈感性,在雷電流波形變緩后,塔頂電位下降較快,接地裝置上的電位與塔頂電位之間的比值開始上升[1]。

      雷電沖擊所造成的接地裝置的電壓分布與雷電流的波前時間有關。雷電流的波前時間越短,其高頻分量能量越高,接地裝置上的電壓波形更尖銳,從波形上來看波前時間較短的沖擊電流在接地網上的暫態響應具有上升快、下降快、峰值大的特點。此外根據文獻[2]中統計的數據,雷電流的波前時間多在1~4μs內,故采用波前時間為2.6μs的沖擊電流模擬真實雷電流入侵接地體具有代表意義。

      3典型接地體結構下沖擊電位分布

      常用的高壓輸電線路桿塔接地體結構有單根伸長接地體、回形接地體和輻射狀接地體[19]。使用2.6/50μs的沖擊電流注入不同結構類型的接地體,研究桿塔在不同暫態激勵下非金屬接地體表面與沖擊侵入點間的空間暫態電位差分布情況。

      列出了常見的3種桿塔接地體類型結構,3種接地體的電位測試點排布方式也在圖中體現了出來,3種接地體均具有中心對稱性,故在試驗測試中對接地網的部分代表區域進行了電位測試,即可以推演整個接地網面積上的電位分布情況。選取2.6/50μs波形的雷電流注入接地體,試驗得到的單根伸長接地體下的電位分布,接地體中心位于坐標原點,總長20m,可以得高電位主要分布在在靠近接地體的小區域范圍內,并且在電流注入點附近其電位和電位下降速率最大,隨著遠離接地體電位下降越來越平緩。

      在注入平均電流幅值為2.07kA的條件下,其接地體附近最大電位幅值達到了33.8kV,其電位沿Y軸基本呈對稱分布,對比電位下降的梯度可以得出,沿導體兩端的散流特性要強于中間;回形接地體由兩個邊長分別為20m和40m的正方形金屬框相互連接組成,坐標原電位于接地體中心,測量接地體右下角1/4區域的電位,接地體結構尺寸和測量點布置方案。

      試驗結果顯示當注入平均電流幅值1.98kA的條件下,其接地體附近最大電位幅值達到了35.6kV,繪制出了輻射形接地體的尺寸,測量的電位沿接地體右下角的扇形區域間隔分布,根據單根伸長接地體和回形接地體下的試驗結果可以得知電位變化較大的點主要集中在靠近接地體的區域,故在靠近輻射形接地體的周圍測試點布置較密,隨著遠離原點而逐漸稀疏,在注入平均電流幅值為2.35kA的條件下,其接地體附近最大電位幅值達到了33.7kV,對比電位梯度可以得出,電流散流在X方向和Y方向要弱于其他方向,這是由于電流散流依賴于金屬導體,而X方向和Y方向距離接地體水平距離最遠。

      4不同土壤電阻下試驗

      接地電阻受土壤電阻率的影響較大,陜西省所在的區域地質條件極為復雜,屬于典型的黃圖高原地貌類型,基本地貌類型是黃土塬、梁、溝等,是黃土高原經過現代溝壑分割后留存下來的高原面,土壤電阻率存在著地區不均勻性。選取處于不同土壤模型下的接地裝置進行試驗,探究處于不同電阻率土壤的接地體下地電位分布情況。

      以輻射形結構的接地體為例進行現場雷電流注流試驗,沿陜西省境內扶風段家—興平莊頭330kV高壓輸電線路選取了A、B兩處不同土壤電阻率的桿塔進行試驗,采用溫納四極法用土壤電阻率測試儀對兩桿塔處的土壤電阻率值進行了測量,顯示A處土壤電阻率為658.

      3Ω·m,B處土壤電阻率為402.8Ω·m,其中A處沿接地網中心注流0.977kA沖擊電流,B處沿接地網中心注流1.153kA沖擊電流,分析結果表明:不同的土壤模型,將對雷電流泄放效果產生影響,土壤電阻率低且均勻時有利于雷電流的泄放,地電位升由地網中心地帶向地網邊緣地帶呈現逐漸降低的趨勢,下降的幅度中心大,邊緣小,也就是說越靠近地網中心,電位梯度越大。

      電力論文投稿刊物:高電壓技術根據電力生產、建設、科研、教學需要提供導向性、實用性信息及技術措施,推廣實用技術的成果,為我國科技發展、領導決策、促進生產發揮接口、載體和橋梁作用。本刊報道內容包括高壓設備、輸電線路、系統暫態、測試工程、電磁、城網供電、電力電子等及生態環保生物醫療等邊緣、交叉學科。既有基礎理論研究也有工程實踐應用。

      5結論

      對陜西省境內高壓輸電線路不同結構的桿塔接地體以及不通電阻率土壤下的接地裝置電位分布進行了實地測量,主要結論有:1)地電位的峰值受沖擊電流波前時間的影響較大,受半波時間的影響不大,雷電流的波前時間越短,桿塔接地體上承受的電壓峰值會越大。

      2)通過測量單根伸長、回形和輻射形3種不同結構接地體的電位分布,可以得出在注入點附近其電位差最大,越到邊緣,地電位下降越平緩。單根伸長接地體的兩端部分電位梯度較大,散流特性強于中間部分;回形接地體的電位和距離注流點距離基本成反比例分布;輻射形接地體在遠離輻射金屬接地條的部分范圍電位下降慢于靠近金屬接地條的區域。3)通過對比高低兩種電阻率土壤條件下接地裝置上的電位分布,可以得出電位分布趨勢基本相同,電位峰值均集中在注流點附近,地電位沿地網中心向地網邊緣逐漸下降,下降的幅度地網中心大于地網邊緣。

      參考文獻:

      [1]張波,薛惠中,金祖山,余紹峰,吳錦鵬.遭受雷擊時輸電桿塔及其接地裝置的暫態電位分布[J].高電壓技術,2013,39(2):393-398.

      作者:李偉1,王森1,馮雅琳1,王荊1,馬學鋒2,尚茜茜2,韓帥

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