考虑土壤电离的接地系统暂态特性研究 Research of Transient Characteristics of Grounding Systems Considering Soil Ionization 中文摘要 雷击变电站或输电线路时,产生的大的雷电冲击电流将通过接地系统向大地中流散。由此产生的暂态电磁场很可能危及附近的电力设备或工作人员。正确模拟接地装置在雷电流作用下的冲击击穿特性,是维护电力系统安全可靠运行、保障电气设备与运行人员安全的根本保证和重要措施。同时,随着灵敏的电子及数字电路在电力系统中的大量应用,对电力系统电磁环境和电磁兼容研究的重要性越来越明显。过高的电磁场不仅对人身健康产生危害,也会危及到电子设备的灵敏度。 接地装置在冲击大电流作用下的暂态性能与低频时有很大不同,这主要是由于冲击电流频率很高,与电阻作用相比接地体本身的电感作用变得非常明显,而在工频时常常被忽略。此外,大的冲击电流将引起接地体周围土壤的电离,这将使接地装置的冲击特性呈现明显的非线性。然而在目前的国内外研究中,除了那些简单形状的接地极之外,非线性的电离现象常常被忽略。这是因为考虑非线性电离现象时往往要附加复杂的计算代码,以至于非常难于模拟。 论文中首次提出了能够对土壤非线性电离进行有效模拟的暂态模型,即基于电路理论的数值计算方法,通过建立动态数学模型考虑了土壤中火花放电的影响。 论文还对接地体在暂态下的电气参数计算公式进行了详细的推导,推导过程中充分考虑了大地镜像以及导体间互感的影响。 论文对具有时变特性的接地体暂态过程的计算方法进行了详细的分析和推导,并编写了分析软件。对集中参数储能元件电感和电容,采用非线性梯形算法得到相应的暂态等值计算电路,大大方便和加快了计算机对暂态电路的数值求解。 论文对不同参数对冲击电流作用下接地体暂态性能的影响进行了分析。接地装置的尺寸、土壤电气参数、冲击电流幅值及波前时间等参数以及不同引流方式都对接地装置冲击响应有很大影响。推荐采用中间引流方式,而不是从接地装置一端引流。 论文给出了计算水平接地体冲击有效长度以及接地网格的冲击有效半径的计算公式,可直接指导工程设计人员进行防雷接地系统的设计和改造。 关键词:暂态特性,接地体,接地网格,冲击接地电阻,冲击电流
Abstract When lightning strikes a substation, high currents generated by the stroke will flow into the grounding system and dissipate in the soil. The electromagnetic fields generated by such high currents may cause damage to equipment and may be dangerous to personnel working nearby. At the same time, with the increasing complexity and sensitivity of control equipment in substations and industry, issues such as electromagnetic compatibility (EMC) and electromagnetic interference (EMI) are becoming more and more important. So, the transient characteristic of grounding systems is very important to the safe and reliable operation of power system. As already evidenced by many researches, the performance of grounding systems subject to high impulse current is dramatically different from that at the low frequency. Because inductive behavior can become more and more important with respect to resistive behavior and, in addition, these large currents can generate soil ionization, which makes the impulse response typically non-linear. But in many studies this dynamic and non-linear ionization phenomenon is often omitted because this complicated physical phenomenon is too difficult to model. It will impose a number of sophisticated calculation codes. The paper presents an effective method for this problem, that is numerical calculation approach based on circuit model of distributed time-variable parameters. It accurately takes into account non-linear effects of breakdown in the soil surrounding the ground conductors. In the paper, the formulae of electrical parameters for ground electrodes are detailedly deduced, which especially considers the influences of mirror images of the ground and mutual-inductances among ground conductors. The solution procedure and algorithm for large transient circuits are also analyzed in detail. Software package is provided to predict the behavior of grounding systems when they are excited by impulse currents. The influences of different parameters on the transient characteristic of grounding systems subjected to lightning impulse current are analyzed. These parameters have great influence on the transient characteristic of grounding systems, such as the dimensions of ground systems, the electrical parameters of soil, and the shape of impulse current. The location of feed point at the center is strongly recommended, instead of at the end. The formulae for calculating the impulse effective length of ground electrode and the impulse effective radius of ground grid are provided in this paper. It will be helpful for technical staff to design and reform ground systems against lightning. Keywords: transient characteristic, ground electrode, ground grid, impulse grounding resistance, impulse current 目 录 第一章 绪论 1.1课题背景与意义 1.1.1接地在电力系统安全运行中的重要作用 1.1.2接地体冲击特性研究的意义 1.2 国内外研究现状及存在的问题 1.2.1国内外的研究现状 1.2.2目前研究工作中存在的问题 1.3论文工作的主要内容 第二章 接地体冲击特性分析的等效模型及理论基础 2.1考虑土壤电离的等效电路模型 2.2 单根接地体的接地电阻 2.2.1 垂直接地极的接地电阻 2.2.2 水平接地极的接地电阻 2.3 接地极的电容 2.4 接地极的电导 2.5 接地极的电感 2.6 两根直导线的互感 2.7 本章小结 第三章 接地体冲击特性等效模型的数值计算及程序设计 3.1暂态电路的求解 3.2 集中储能元件的暂态等值计算电路 3.2.1 电感的等值计算电路和相应的计算公式 3.2.2 电容的等值计算电路和相应的计算公式 3.2.3 电阻与电感串联的等值计算电路和相应的计算公式 3.2.4 电导与电容并联的等值计算电路和相应的计算公式 3.2.5 具有互感支路的等值计算电路和相应的计算公式 3.3表征接地装置暂态特性的参数 3.4软件设计及流程图 3.4.1计算程序设计 3.4.2程序流程图 3.5计算结果的检验 3.6 本章小结 第四章 水平接地体的冲击特性 4.1 水平接地体的冲击特性 4.2 土壤电离的影响 4.3 接地体长度对冲击响应的影响 4.4 土壤参数对冲击响应的影响 4.4.1土壤电阻率对冲击响应的影响 4.4.2土壤介电常数对冲击响应的影响 4.4.3土壤的临界击穿场强对冲击响应的影响 4.5 雷电流波形对冲击响应的影响 4.5.1波前时间对冲击响应的影响 4.5.2冲击电流幅值对冲击响应的影响 4.6 冲击电流注入点的影响 4.7 接地体埋深的影响 4.8 接地极的冲击有效长度 4.9 垂直接地极的冲击特性 4.10 本章小结 第五章 接地网格的冲击特性 5.1 接地网格的冲击特性 5.2 接地网面积对冲击特性的影响 5.3 接地网水平导体间距对冲击特性的影响 5.4 注入点对冲击特性的影响 5.5 土壤参数对冲击特性的影响 5.5.1土壤电阻率对冲击特性的影响 5.5.2土壤临界击穿场强对冲击特性的影响 5.6 雷电流波形对冲击特性的影响 5.6.1波前时间对冲击特性的影响 5.6.2冲击电流幅值对冲击特性的影响 5.7 接地网的有效面积 5.8 本章小结 第六章 结论 参考文献 致谢 附录
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