风电场接地系统雷电冲击特性的研究

良好的接地系统对于风电机组的正常运行至关重要。基于风机接地圆环的不等电位模型研究雷电流波头时间与入地点、雷电流幅值、土壤击穿场强、土壤电阻率等因素对风电机组接地系统雷电冲击特性的影响规律以及多年冻土地区通过对接地网敷设垂直接地极的散流效果。结果表明:雷电流经风机接地圆环中心注入时具有更好的散流效果,雷电流波头时间越短,接地导体的电感效应越强烈,风机冲击接地电阻越大;随着雷电流幅值的增加,土壤的火花效应得以加强,风机接地圆环面积越小,冲击接地电阻降低越明显;土壤临界击穿场强越小,接地网附近土壤越容易发生火花效应,风机冲击接地电阻越小;风机接地网存在有效的散流半径,当接地网半径超过15 m时,散流效果不再明显增强;随着土壤电阻率的增加,风机接地圆环面积较小时的散流效果有限,冲击接地电阻几乎呈线性增长,而风机大面积接地圆环的冲击接地电阻增长有限,很快趋于饱和;对于存在多年冻土现象的地区,垂直接地极的散流效果较好,垂直接地极的布置不应过于密集,以减小导体之间的屏蔽效应。     

基于立体均压结构的风机雷电冲击优化研究

风电场的风机由于大多在海边,风机接地网存在腐蚀严重、接地参数不稳定、冲击电位分布不均等问题,且传统圆环接地装置在高土壤电阻率的条件下,降阻效果不佳、跨步电压较大.在此基础上,笔者提出了一种基于立体均压结构的风机雷电冲击优化方法,采用面积元法和截面积等效法,推导了立体均压结构的地电位及接地电阻公式,并通过CDEGS软件对两种接地装置进行了地电位和跨步电压的仿真对比分析.结果表明,立体均压结构在降低接地电阻和改善地电位分布方面要优于传统圆环接地装置,这为风电场的接地网设计提供了新的参考.     

杆塔基础外敷螺旋接地装置的冲击散流优化研究及其应用

为有效降低高压输电线路杆塔接地装置的雷电冲击接地电阻，本研究充分利用杆塔基础的垂直空间，采用一种螺旋状接地装置沿杆塔基桩表面敷设直至基桩底部，在更大限度散泄冲击电流的同时降低水平外延射线的铺设难度。研究了冲击接地电阻的原理及其在CDEGS软件仿真计算中的实现方法，并对计算方法进行了可靠性验证。建立考虑雷电流冲击下的土壤非线性电离的接地模型，研究不同雷电流幅值、土壤电阻率下螺旋接地装置的冲击特性，从而进行螺旋结构的优化选择；以110 kV输电杆塔典型四角放射型接地网为原型，对比计算双层土壤下杆塔基础外敷螺旋装置前后所需外延射线的长度，分析杆塔基础外敷螺旋接地装置的应用效果，为螺旋接地装置的推广使用提供理论基础以及方法参考。     

土壤结构和雷电流冲击电阻的关系

建筑物外部防雷装置将雷电流经接闪器、引下线及接地装置引入大地进行散流。接地装置将雷电流分散时,为了防止设备产生过电压,冲击接地电阻要尽可能的小。冲击接地电阻设置是否合理影响电气装置的安全。影响冲击接地电阻的首要因素为接地装置所处的土壤结构即土壤电阻率,文章主要探讨土壤电阻率对接地电阻的散流长度和阻值大小的影响。     

基于PSCAD的10kV配电线路接地装置冲击特性研究

在考虑接地电阻火花效应的基础上,采用逐次渐进的算法,得出了模型元件参数,在PSCAD仿真软件中建立10 kV配电线路常用的接地装置仿真模型,对在不同雷电流幅值、不同接地装置尺寸、不同土壤电阻率以及埋设深度下该装置冲击接地电阻的冲击特性进行了仿真,分析常见10 kV配电线路的接地装置冲击特性,为10 kV配电线路的接地装置设计提供了理论数据依据,具有一定的工程应用价值。     

大型变电站接地网雷电冲击暂态特性的仿真

为了更深入掌握雷电冲击下大型变电站接地网的暂态特性,指导变电站的防雷接地设计,建立了大型变电站雷电冲击暂态特性的仿真模型。在此基础上,使用矩量法(MOM)在不同土壤电阻率、不同地网边长、不同网孔大小以及不同雷电流波头时间等情况下分别进行了接地网的雷电冲击暂态特性的仿真计算。结果表明:土壤电阻率越大,接地网的冲击接地特性越呈现出阻性;地网面积越大,接地网的冲击接地特性越呈现出感性;网孔大小对接地电阻的影响不明显,当网孔边长从50 m下降到10 m时,接地网的工频接地电阻与冲击接地电阻分别下降了22.95%和5.63%;随着雷电流波头时间的增加,接地网的冲击接地电阻与冲击系数近似线性下降。     

考虑季节性冻土因素的风电场接地系统设计

高海拔地区的风电场在冬季容易形成冻土层,冻土层的土壤电阻率变大,不利于风电机组遭受短路故障时的散流。基于风电机组接地网等电位模型研究季节性冻土因素下风机接地电阻季节系数的影响因素及其影响规律,以及垂直接地极、接地网水平引外对接地电阻季节系数的改善作用。研究结果表明:当接地网位于冻土层时,接地电阻季节系数受土壤电阻率反射系数的影响较大,当接地网位于非冻土层时,接地电阻季节系数几乎不受反射系数的影响;当冻土层厚度小于接地网埋深时,各土壤电阻率反射系数下的接地电阻季节系数基本不变并趋近于1,当冻土层厚度超过地网埋深时,接地电阻季节系数出现跃变式增长,反射系数越小,季节系数跃变越大;当土壤电阻率反射系数较小时,敷设垂直接地极对接地电阻季节系数的改善作用明显,当反射系数较大,地网埋深低于冻土层厚度时,风机接地网通过水平引外互联能够达到良好的降阻效果。     

石墨烯复合接地装置在杆塔接地中的应用

针对高土壤电阻率、强腐蚀土壤环境下输电线路杆塔接地装置降阻困难、腐蚀严重、敷设不便等实际问题,应用一种接地新型材料—石墨烯复合接地装置,可有效解决上述问题。本文简要概述了石墨烯复合接地装置的组成及特性,对比分析不同土壤电阻率下镀锌圆钢、石墨基柔性接地体与石墨烯复合接地装置的工频与冲击接地电阻特性,计算分析工频故障电流通过接地装置散流时的跨步电位差分布特性,最后通过500 kV线路杆塔接地装置实际应用证明该材料可有效满足实际工程需求。     

计及土壤电离的接地装置冲击特性有限元分析

接地装置是电力系统中的重要组成部分,是故障电流和雷电流的泄流通道,对接地装置冲击特性的研究是接地优化设计和提高输电线路耐雷性能的基础。利用基于有限元方法的COMSOL软件建立了考虑土壤火花效应的接地装置冲击特性有限元模型,通过与试验数据对比验证了模型的有效性以及准确性。并对接地装置冲击散流特性进行了分析,定量研究了土壤火花放电现象对接地装置冲击特性的影响,验证了火花效应对接地装置接地电阻的降低作用,且地表电位分布规律证明火花放电减小跨步电压,提升安全距离。以上对基本接地装置冲击特性的分析结果对接地装置的设计和运行有重要的参考价值。     

考虑火花效应的接地装置冲击散流特性有限元计算分析

为了计算输电线路杆塔接地装置的冲击散流特性并考虑火花效应的影响,本文结合土壤击穿模型,采用有限元法(FEM)求解了非线性电阻率下的磁准静态方程,模拟了雷电流的地中散流及土壤电离的过程。随后,讨论了土壤击穿模型参数对冲击接地电阻的影响,分析表明:土壤临界击穿场强E_c是影响冲击接地电阻的主要参数,为简化计算并考虑土壤分散性的平均影响,建议取E_c=3 kV/cm,剩余电阻率系数k及电阻率衰减系数n的影响较小,建议取k=7%,n=0. 75。最后,进一步补充计算了垂直接地体、针刺型接地体及实际接地装置的冲击散流特性,为实际输电线路杆塔接地设计与分析提供参考。     

风机接地系统雷击暂态特性分析

良好的风机接地系统对于风电机组的雷电防护至关重要,必须详细研究风机接地系统的雷击暂态特性。利用EMTP软件建立风机叶片、塔筒和接地系统模型,考虑雷电流冲击作用下接地体的散流特性和火花效应,分析地网暂态电位变化规律。讨论土壤电阻率、地网尺寸、地网形状对接地系统雷击暂态电位的影响,分析引外接地对于降低暂态电位的效果。分析结果表明:冲击电流引起的火花效应能够降低接地系统的冲击接地电阻;地网中心暂态电位随着土壤电阻率的增大而增加;地网尺寸越大、边数越多,接地系统雷击暂态电位越小,但是暂态电位下降幅度越来越缓;引外接地能够有效降低冲击接地电阻,但引外接地长度不应超过有效长度。地网尺寸、规模并非越大越好,进行风机地网设计需要选取恰当型式。     

风电场雷电反击暂态计算与分析

根据对某风电场雷害事故的现场调研,风电机组塔外箱式变压器(简称箱变)遭雷电反击损坏严重影响了风电场的安全稳定运行,本文结合风电场实际情况,利用ATP/EMTP仿真软件建立了风机-箱变系统雷电暂态模型,对雷电反击过程进行了仿真计算,分析了接地网冲击接地电阻、风机与箱变电气距离、SPD配置方式对箱变低压侧电位差、流过避雷器电流和避雷器吸收能量的影响。计算结果表明:降低接地网冲击接地电阻,在箱变低压侧加装SPD可以起到不错的防雷效果;对于高土壤电阻率地区风电场,建议在设计时适当增大风机与箱变间电气距离;选用5k A标称放电电流的避雷器耐受塔顶雷击水平约为80k A,在强雷区应选用更大通流容量的避雷器。     

风机接地系统雷击暂态特性分析

良好的风机接地系统对于风电机组的雷电防护至关重要,必须详细研究风机接地系统的雷击暂态特性。利用EMTP软件建立风机叶片、塔筒和接地系统模型,考虑雷电流冲击作用下接地体的散流特性和火花效应,分析地网暂态电位变化规律。讨论土壤电阻率、地网尺寸、地网形状对接地系统雷击暂态电位的影响,分析引外接地对于降低暂态电位的效果。分析结果表明:冲击电流引起的火花效应能够降低接地系统的冲击接地电阻;地网中心暂态电位随着土壤电阻率的增大而增加;地网尺寸越大、边数越多,接地系统雷击暂态电位越小,但是暂态电位下降幅度越来越缓;引外接地能够有效降低冲击接地电阻,但引外接地长度不应超过有效长度。地网尺寸、规模并非越大越好,进行风机地网设计需要选取恰当型式。     

接地模块冲击特性的试验研究

介绍了非金属接地模块的组成及降阻原理,通过冲击电流试验平台,在不同土壤电阻率下分别对不同大小、不同形状、不同材料的接地体进行冲击电流试验。分析试验数据结果表明,施加不同冲击电流时,相同散流面积下圆柱形接地模块的散流效果比长方体形的散流效果好,冲击电流越大效果越明显;随着接地模块体积和散流面积的增加,降阻效果的增加呈饱和趋势;接地模块的降阻率不随土壤电阻率的改变而改变,土壤电阻率越高,接地模块的降阻效果越好;石墨型接地模块的降阻效果堪比传统金属接地体,石墨部分降阻效果非常明显,为工程应用提供参考。     

有限面积下并行线路杆塔接地网级联降阻及电位分布特性研究

现行输电线路杆塔接地施工往往受制于耕地植被、道路建筑、征地赔偿成本等原因无法采用外延降阻。针对有限施工面积条件下杆塔接地网的接地降阻问题，提出并行输电线路杆塔级联接地降阻策略并验证其可行性。首先，建立相邻输电线路杆塔接地网级联接地散流计算模型，通过仿真分析了接地材料参数、级联引线长度、土壤电阻率、入地电流频率等因素对接地电阻的影响规律；然后，对比分析级联接地模型与方框外延接地模型的降阻效率；最后，分析了相邻杆塔接地网级联条件下的导体电位分布特征。计算结果表明：相比于传统的方框外延降阻方式，采用级联接地结构的相邻杆塔降阻效率更高；级联接地网的散流特征受入地电流频率和材料参数影响较大；相邻杆塔接地网级联增大了电流的散流区域并降低受雷线路的塔顶电位。     

深井型直流接地极散流机理研究

准确计算直流接地装置的散流性能及接地特性是优化设计直流接地极的基础。提出了基于恒定电场理论的直流接地装置性能有限元数值计算模型,针对求解区域和接地导体截面尺寸的差异导致的剖分困难、计算量大的问题,引入"薄壳"理论,在保证计算精度的前提下大大减小了计算量;通过与文献数据对比,验证了该方法的有效性。建立典型结构的深井型接地极模型,计算深井接地极散流过程产生的地中电流密度、电场强度、接地电阻和最大跨步电压等参数;分析电流注入点个数、接地极导体长度、接地极埋深、导体并联根数以及土壤电阻率等因素对接地性能的影响。结果表明:深井型直流接地极的散流具有明显的端部效应,其接地性能基本不受电流注入点个数的影响;接地电阻和最大跨步电压随导体长度、埋深、并联根数的增加而减小,并呈现饱和趋势;在均匀土壤中,接地电阻和最大跨步电压与土壤电阻率成线性关系。     

基于CDEGS降阻材料对接地电阻影响的仿真

为了提高杆塔接地装置的降阻效率,通过电磁分析软件CDEGS建模,研究了降阻材料敷设厚度和敷设位置对接地电阻的影响。结果表明:随着降阻材料敷设厚度的增加,一维直线型接地装置的工频接地电阻和冲击接地电阻的降低呈现出先快后慢的趋势,并且土壤电阻率越高,接地电阻降幅越明显。至于敷设位置,对于放射型接地极,土壤电阻率为100～2 000Ω·m时,对射线敷设就可以达到全部敷设的降阻效果。对于复合型接地极,仅射线敷设和仅垂直接地极敷设降阻效果相同。土壤电阻率为2 000Ω·m时,射线、垂直接地极均敷设和全部敷设的降阻效果相差不大。仿真结果证实了降阻材料的有效性,并为其现场施工提供了一定的参考建议。     

风机基础外引接地有效长度分析

外引接地是降低风机接地电阻的常用措施,必须详细研究雷电流作用下风机外引接地的有效长度及其影响因素。利用PSCAD软件建立风机叶片、塔筒和外引接地系统模型,考虑冲击电流作用下外引水平接地体的散流特性和火花效应。讨论土壤电阻率、波头时间对外引接地有效长度的影响,拟合出相应函数关系。分析结果表明:采用外引接地措施能够降低接地体的冲击接地阻抗,但外引接地体存在一个明显的有效长度,超过有效长度后对降低冲击接地阻抗几乎没有效果。外引接地的有效长度随着波头时间和土壤电阻率的增加而增大,三者之间存在一个幂函数关系。风机接地采用外引接地措施时应选取恰当的接地体长度,并非越长越好。     

雷击分流接地系统地电位特性试验及仿真分析

建筑物接地系统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,通常表现为冲击电流对接地装置作用后局部暂态地电位升高导致地电位反击。利用土壤测试数据及接地系统图模拟实际建筑物接地模型下雷击冲击试验反击地电位特性,通过搭建CDEGS地电位仿真模型实现地电位分布计算并验证了反击试验结果的可靠性,得出地电位分布与注入点位置、接地系统支路分布之间影响关系,对雷击分流接地系统预防地电位反击提出了合理优化措施。     

配电线路直埋式水泥杆雷电冲击暂态接地特性

安全性评估在架空线路建设过程中是不可或缺的,而跨步电压作为安全性指标显得尤为重要.为此研究了配电线路直埋式水泥杆遭受雷击时的暂态接地特性:首先通过ATP-EMTP电磁暂态软件搭建配电线路仿真计算模型,计算不同幅值的雷电流雷击杆塔时的入地电流;其次结合两种跨步电压安全限值判据,通过CDEGS软件搭建接地仿真计算模型,计算不同入地电流及土壤电阻率情况下配电杆塔周围的跨步电压及安全距离,得到如下变化规律:1)杆塔附近跨步电压随雷电流增大而增大,且在不同土壤电阻率下增加的程度不同.2)雷电流较小的情况下,土壤电阻率对跨步电压影响不大.3)土壤电阻率对跨步电压的影响呈现饱和趋势,当土壤电阻率增大到一定程度时,跨步电压基本维持在某个定值.