一种利用小雷电流冲击测试得到接地装置冲击阻抗的方法
【专利说明】-种利用小雷电流冲击测试得到接地装置冲击阻抗的方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统接地技术研究领域，设及一种利用小雷电流冲击测试得到接 地装置冲击阻抗的方法。 【【背景技术】】
[0002] 合格的接地装置是电力系统安全稳定运行的根本保证。多年来，由于我国线路杆 塔接地装置冲击阻抗无法准确测试、评估，再加上±壤环境条件的影响，测试条件的限制等 原因，导致目前对杆塔类接地冲击阻抗的准确评估无法开展，成为威胁电力系统安全运行 的一大隐患。当输电线路发生雷击事故时，接地系统可能注入高频大冲击电流，接地装置雷 电冲击特性主要是指雷电流通过接地装置向周围大地散流的特征，通常表现为雷击后接地 装置的冲击接地阻抗和暂态地电位升高。输电线路杆塔接地装置的冲击接地阻抗决定了雷 击时的塔顶电位，从而影响线路绝缘子串承受的过电压及反击闪络概率，直接关系到线路 的防雷效果。接地网的冲击接地阻抗过大将产生较大的暂态地电位升导致线路雷电反击。
[0003] 随着电力系统的发展，由于雷击输电线路而引起的事故日益增多。电力系统的运 行经验表明，大多数输电线路故障都是由于雷击输电线路或杆塔引起跳闽所致。雷击跳闽 的雷电反击因素约占50%，而雷电反击是由于接地阻抗不良所致。据相关统计如下：国家 电网公司跨区电网输电线路2003年至2005年雷击故障分别占总故障跳闽的45%、34%、 17% ;国家电网公司系统llOkV~500kV线路雷击闪络跳闽占线路总跳闽的35. 12% ;在湖 北超高压线路前20年运行中，发生雷害事故就有19次，占故障跳闽总次数的57. 6%。根据 电网故障分类统计表明，在我国跳闽率比较高的地区，高压线路运行的总跳闽次数中，由雷 击引起的次数约占40%~70%，尤其是在多雷、±壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击输电 线路引起的事故率更高，运将给社会带来巨大的经济损失。日本50%W上电力系统事故是 由于雷击输电线路引起。可见，雷电是严重威胁电力系统安全可靠运行的重要因素。提高 输电线路的耐雷水平，降低雷击跳闽率对电力系统的安全运行有非常重要的意义。在线路 杆塔的设计中，线路杆塔接地装置的冲击接地阻抗直接影响到线路的防雷效果。
[0004] 但随着国家电网公司研究技术的发展，和市场科技的不断进步，便携式小容量的 模拟雷电电流源已发展愈加成熟，通过相同波形下小电流与大电流的杆塔接地极冲击试 验，探讨之间是否存在对应关系，为杆塔接地装置冲击接地电阻的小电流测量奠定基础。 阳〇化]接地装置在工频电流与雷电流作用下的响应完全不同，主要归因于雷电流通过接 地装置向大地散流时的特征。因受火花效应、电感效应的影响，接地装置的暂态接地阻抗呈 现出时变性和频变性的特点，火花效应导致接地装置暂态电阻减小，而电感效应导致接地 装置暂态电阻增大。
[0006] 就火花效应对接地装置的冲击特性影响研究，国内外研究者分别有不同的侧重 点。国外学者侧重在研究上壤的放电机理、上壤的临界击穿场强、火花效应对冲击特性的 影响等方面。对于±壤临界击穿场强，Oettle在1942年发表的文章中，对几种不同类型 的±壤进行冲击试验，得到±壤临界电离梯度为600-1850kV/m;同时，Oettle还认为±壤 的击穿场强与电阻率相关，并给出了其表达式。Mouse在研究了不同学者的大量冲击电阻 测量实验之后，分析了±壤的击穿机理和不同因素对其影响，提出了±壤的临界电离梯度 为300kV/m。CIGRE(国际大电网会议）在1994年的工作组报告中建议E。取值为400kV/ m，但是没有给出任何解释。对于±壤放电机理，Flanagan认为±壤击穿的起始过程主要还 是电的过程，是由±壤颗粒间的空气间隙的击穿产生的，Leadon等人通过将±壤间隙的空 气由SFe替代后的击穿试验证明了±壤的放电设及到±壤颗粒间空气的电离；D.P.Snowden 等人通过对±壤击穿时时延的观测，认为±壤起始击穿主要是由于±壤水分的热过程。对 于火花效应对冲击特性影响，1985年，M.Loboda在圆筒形试验装置中研究不同种类±壤 的火花放电特性，并在试验中测量得到火花放电区域内存在10% -30%的电压降。因此不 可粗略地将火花放电区域±壤电阻率简化等效为金属导体电阻率。YaqingLiu和化Ison Theethayi对其在高电压实验室进行的冲击特性试验数据W及多篇文献中冲击特性试验数 据进行详尽的分析，认为火花放电区域的±壤电阻率保持在原始±壤电阻率百分之几的水 平上；他们通过分析大量的冲击特性试验数据认为：火花区域内的剩余±壤电阻率与原始 ±壤电阻率的百分比在1. 7%到47%之间呈正态分布，其几何平均值为6. 77%，平均值为 7%。SekiokaS等人认为放电区域的电阻率随电流密度呈指数函数关系变化，即±壤中火 花放电的剧烈程度，与运块±壤区域内注入的能量相关。
[0007] 国内研究者多侧重在冲击接地电阻与冲击系数经验计算式的拟合等方面，早在 1960年湖北中试所就20m长水平接地极冲击特性进行了现场试验，试验电流从2kA-8kA， 冲击系数从0. 68-0. 52变化；刘继等人也进行了相关的现场试验，同样得出了冲击系数随 着入地电流幅值增加而较小的规律；陈先禄、何金良等人利用电磁场理论和相似理论论证 了冲击接地模拟试验的有效性，针对典型接地体进行了大量的模拟试验，并通过曲线拟合 归纳了典型接地体的冲击系数经验计算式，其成果已用于指导我国输电线路接地工程的设 计；四川电科院就冲击接地电阻的现场测量也进行了相关研究，并推出了相关测试标准"接 地装置冲特性测试导则"，但是导则给出的测量的冲击系数均大于1，原因是注入电流幅值 过小，无法产生明显的火花效应，只反应了接地装置在冲击电流作用下的电感效应。邓长 征等人利用特高压交流试验基地的接地实验室对水平、垂直W及方框接地极进行了冲击试 验，试验冲击系数小于行业标准，主要原因认为是由±壤颗粒结构的差异造成的，规程中冲 击系数的得到是采用沙子模拟±壤，沙粒的均匀性要比±壤好，因而其中产生火花放电比 ±壤中困难，故采用实际±壤进行接地装置的冲击特性模拟试验时，试验结果要小于规程 值。
[0008] 对于电感效应对接地装置冲击特性研究上，国内外研究者均认为电感效应会导致 接地电阻值的增高，而且主要采用仿真计算的方式来进行研究，目前几种代表性的冲击暂 态过程分析方法是基于电路理论的分析方法、传输导线分析方法、电磁场分析方法、有限元 分析方法。
[0009] (1)基于电路理论的方法：是由集中参数R-CA-G组成的31型等值电路来模拟计 算接地导体暂态特性的一种直接有效的方法。Gupta和化apar在上世纪八十年代初首先提 出了运种计算方法，总结出了方形接地网格冲击接地阻抗的经验公式，但该模型忽略了串 联电阻及对地电容对接地性能的影响，并认为±壤火花放电对接地装置的冲击特性的影响 可W忽略。目前，有学者基于电路法提出接地网的暂态分析模型，其中接地网被划分为若干 导体段。该模型结构简单，参数的物理意义明确，是后续电路法的发展基础。但该电路分析 模型计算导体电感时未计及集肤效应，当暂态电流频率很高时，计算将有较大误差。另一方 面模型中未考虑±壤可能放电的影响，且未考虑各导体间的相互禪合。与其他方法相比，易 于执行，在对计算机资源的消耗W及结果的准确度方面都是可W接受的。但对于复杂地网 的计算，该方法在计算导体间的交错复杂的禪合参数时候存在一定的困难。
[0010] (2)传输导线分析法：文献于二十世纪八十年代提出了基于传输线理论的解决接 地装置冲击暂态特性的时域方案，即将接地极在冲击电流作用下的响应看作具有分布参数 的传输线上的波过程来考虑，把分析场的问题转化为分析电路模型的问题。基于传输线理 论的方法的计算过程可W分为两步：首先根据注入电流及上壤特性计算接地导体的对地导 纳和轴向阻抗等分布参数，而后根据所得的导体参数求解传输线方程。将接地体在冲击电 流作用下的相应看做具体分布参数的传输线上的波过程来考虑。运一方法对于水平接地体 是完全合理的，但是不适用于垂直接地体。
[0011] (3)电磁场分析法：基于场路结合理论的方法提出电磁场和电路结合分析接地网 暂态特性，目前我国在该方法上取得了很多研究成果，在实际工程中广泛应用该方法分析 工频短路W及雷击情况下接地网的响应。场路结合法首先将接地网分成N段，假设分段导 体泄漏电流由节点或者导体段中点流出，轴向电流在导体段中为恒定值；由轴向电流和导 体内阻抗、导体段之间的互感求得导体段内表面电位，由漏电流和导体段之间的互阻抗求 得导体段外表面电位；由电磁场理论中介质分界面处电位连续的边界条件建立方程，求解 得出导体轴向电流和漏电流分布。运种方法目前已经得到比较成功的应用，加拿大及清华 大学等开发的软件包均是基于运种分析法。
[0012] (4)有限元分析法：基于麦克斯韦微分方程的有限元方法（FiniteElement Method,阳M)作为一种有效的数值计算方法，分析接地网接地性能时可W方便地考虑上壤 地电特性、地网结构和注入电流特征等各种因素的影响。其计算完全W场的形式进行，避免 了由于各种参数的忽略或近似求取带来的计算误差。
[0013] 综上所述，目前，学界对冲击下的接地电阻有如下共识：