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接地网频域性能及杆塔接地极冲击特性的数值分析及试验研究

作　者: 李景丽
导　师: 孙才新
学　校: 重庆大学
专　业: 电气工程
关键词: 接地装置冲击散流规律集肤效应土壤火花放电频率特性
分类号: TM862
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

发、变电站及输电线路的接地装置是维护电力系统安全可靠运行的重要基础设备。随着电力系统的发展,故障、操作和雷电等暂态故障电流对接地系统的影响也越来越大,接地系统面临新的安全问题。高频故障电流作用下接地导体呈现的电感效应以及高幅值冲击电流作用下接地体周围土壤中的火花放电现象是影响接地性能的重要因素,考虑接地装置散流过程中各种因素的影响,对发变电站接地网在故障电流作用下的频域性能和输电线路杆塔接地极在雷电流作用下的动态冲击特性进行准确的数值计算和试验研究,是目前电力系统迫切需要解决的实际难题。本文在深入分析国内外对发、变电站接地网频域性能及输电线路杆塔接地装置冲击特性的试验研究和数值计算研究的基础上,首先针对入地故障电流频率较低的常规变电站接地网,阐述了故障散流过程引起的地中电位分布的数值计算原理,建立了考虑土壤中位移电流的计算地中电位分布的标量有限元模型。利用基于弱形式的有限元方程对接地导体和土壤分界面处介质参数突变的问题进行处理;引入空间几何变换方法,解决了接地系统无穷散流空间和有限计算资源之间的矛盾。通过与文献试验数据对比验证了该模型的正确性。然后针对入地故障电流频率较高的气体绝缘变电站,基于电磁场麦克斯韦全波方程,建立了考虑场域中位移电流和感应电流的接地装置高频特性矢量有限元模型。利用基于弱形式的矢量有限元方程处理接地导体与土壤分界面处介质突变的问题;详细推导了空间几何变换方法在矢量有限元分析模型中的应用,解决了无穷散流空间和有限计算资源之间的矛盾;在接地导体与土壤的分界面上使用阻抗边界条件考虑高频故障电流作用下接地导体中的集肤效应,它不仅考虑了接地导体在散流故障电流过程中的作用,同时解决了考虑接地导体集肤效应带来的计算量剧增的问题。采用此模型对简单水平、垂直接地极和接地网建立数值分析模型,与CDEGS计算结果对比验证了该方法的有效性。以接地装置高频特性的矢量有限元分析模型为基础,建立了单根水平、单根垂直接地极和水平接地网的数值计算模型,计算得到高频故障电流作用下于单根水平、单根垂直接地极和接地网时,散流过程产生的地中电流场、电位场、沿接地导体漏电流分布规律以及接地导体上电位分布规律与注入电流频率之间的关系特性。在重庆大学冲击接地模拟实验室对八种典型接地装置结构的冲击散流规律进行模拟试验研究,得出了各种接地装置结构在冲击电流作用下漏电流沿接地导体的分布规律,系统地分析了接地装置结构、冲击电流幅值、土壤电阻率等因素对冲击散流规律的影响。在深入分析冲击散流物理过程中土壤电离现象的基础上,建立了考虑土壤动态电离现象的接地装置冲击特性有限元分析模型。采用空间有限元格式与时域有限差分格式相结合的方法计算接地体冲击散流产生的动态电位分布;在分析大量接地装置冲击特性试验数据及本文冲击散流规律模拟试验结果的基础上,提出采用四分区结构的土壤模型来模拟土壤电离现象的不同程度;将离散土壤单元的电阻率设置为对应时刻该单元电场强度的函数,由时变的空间电场控制土壤电阻率,不需要事先假定土壤火花区域的形状,能够准确地模拟冲击散流过程中土壤参数的分布时变性。并且以此动态有限元模型为基础,对冲击模拟试验中使用的接地装置建立仿真模型,结合试验结果分析了冲击散流规律以及火花放电现象对电力设备和人身安全的影响。根据冲击散流规律的模拟试验及数值分析结果,提出高土壤电阻率地区输电线路杆塔采用针刺式接地装置的降阻措施,并应用本文提出的接地装置冲击特性有限元分析方法对星型针刺接地极降低冲击接地电阻的原理进行数值分析,结果表明,通过添加针刺引导冲击电流在接地导体各段平衡散流,可使土壤颗粒间局部空间电场强度畸变加强,促进了火花效应的产生;在实验室进行的冲击接地电阻测量试验结果进一步验证了针刺接地极降低冲击接地电阻的降阻效果。以上研究成果为实际接地装置的特性研究和接地工程设计提供理论依据和试验数据,具有重要的指导意义。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-22
  1.1 课题的研究背景和意义  10-12
    1.1.1 发、变电站接地网频域性能研究的背景和意义  10-11
    1.1.2 输电线路杆塔接地极冲击特性研究的背景和意义  11-12
  1.2 接地装置性能的国内外研究现状  12-20
    1.2.1 接地装置性能的试验研究现状  12-15
    1.2.2 接地装置性能数值计算方法的研究现状  15-20
  1.3 本文主要工作  20-22
2 发、变电站接地网频域性能的有限元分析模型  22-52
  2.1 有限元法在电磁计算中的应用简述  22-23
  2.2 接地网低频特性有限元分析模型  23-35
    2.2.1 接地网泄放低频故障电流过程的数学描述  23-25
    2.2.2 接地网泄流过程对应边值问题的标量有限元分析  25-28
    2.2.3 无穷散流空间的几何坐标变换处理  28-31
    2.2.4 接地装置低频特性有限元分析模型的验证  31-35
  2.3 接地装置高频特性的有限元分析模型  35-50
    2.3.1 接地网泄放高频故障电流问题的数学描述  35-37
    2.3.2 接地网泄流对应边值问题的矢量有限元分析  37-41
    2.3.3 矢量有限元模型中无穷散流空间的空间变换处理  41-42
    2.3.4 接地导体中集肤效应的处理  42-45
    2.3.5 接地装置高频特性有限元分析模型的验证  45-50
  2.4 小结  50-52
3 考虑集肤效应的接地装置频域性能分析  52-68
  3.1 垂直接地极频域性能分析  52-58
    3.1.1 土壤中电流密度的频域性能分析  52-55
    3.1.2 土壤中电位分布的频域性能分析  55-58
  3.2 水平接地极的频域性能分析  58-63
    3.2.1 土壤中电流密度的频域性能分析  58-60
    3.2.2 土壤中电位分布频域性能  60-63
  3.3 接地网频域性能分析  63-67
    3.3.1 土壤中电流场频域性能分析  63-64
    3.3.2 土壤中电位分布的频域性能分析  64-67
  3.4 小结  67-68
4 接地装置冲击散流规律的模拟试验研究  68-94
  4.1 概述  68-69
  4.2 接地装置冲击散流模拟试验原理  69-72
    4.2.1 土壤中冲击物理过程的模拟  69-70
    4.2.2 对时间的模拟  70
    4.2.3 对冲击电流和冲击接地电阻的模拟  70-71
    4.2.4 火花放电现象的模拟  71-72
    4.2.5 接地装置冲击系数的模拟  72
    4.2.6 接地体的电感效应模拟  72
  4.3 冲击散流模拟试验装置及试验方法  72-77
    4.3.1 冲击散流模拟试验装置  72-76
    4.3.2 接地装置冲击散流模拟试验方法  76-77
  4.4 接地装置冲击散流模拟试验结果分析  77-93
    4.4.1 端部引流时水平接地极的散流规律  77-80
    4.4.2 单点注入多方向散流的水平放射型接地极的冲击散流规律  80-84
    4.4.3 田字型接地网的散流规律  84-89
    4.4.4 顶部引流时垂直接地极的散流规律  89-93
  4.5 小结  93-94
5 接地装置冲击特性的有限元动态模型  94-118
  5.1 接地装置冲击散流的物理过程  94-98
  5.2 接地装置冲击散流过程的数学描述  98-99
  5.3 空间有限元与时域有限差分相结合的数值计算方法  99-102
    5.3.1 空间有限元分析  99-100
    5.3.2 无穷散流空间的处理  100-101
    5.3.3 时间域内的有限差分方程  101-102
  5.4 计及冲击散流过程中土壤火花放电的有限元模型  102-105
    5.4.1 土壤电离现象的离散化动态模拟  102-104
    5.4.2 非线性有限元方程的求解  104-105
  5.5 接地装置冲击特性有限元动态分析模型的验证  105-116
    5.5.1 垂直接地极仿真模型  105-110
    5.5.2 模拟试验接地体的仿真模型  110-116
  5.6 小结  116-118
6 输电线路杆塔接地装置优化设计研究  118-128
  6.1 输电线路杆塔接地装置概述  118-119
  6.2 针刺接地极的降阻原理分析  119-124
  6.3 针刺接地极降阻效果模拟试验研究  124-126
  6.4 小结  126-128
7 结论与展望  128-130
  7.1 结论  128-129
  7.2 后续研究工作的展望  129-130
致谢  130-132
参考文献  132-140
附录  140
  A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录  140
  B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目  140

接地网频域性能及杆塔接地极冲击特性的数值分析及试验研究

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