3 X iong W, Daw alibi F1 T ransient perfo rmance of substation g rounding systems subjected to lig htning and similar sur ge cur rents1I EEE T ransactions on Power Delivery, 1994, 9 ( 3)
#电磁兼容技 术#
5 电工技术杂志6 2002 年第 12 期
接地网格的雷电冲击特性
高延庆 何金良 曾 嵘
( 清华大学电机工程系 100084)
摘 要 系统地分析了发、变电站接地网格在雷电流作用下的冲击暂态特性, 建立了基于分 布的、时变电路参数的等效电路模型。该模型考虑了接地导体周围土壤电离引起的动态、非线性 火花效应以及导体间互感的影响; 详尽分析了不同接地装置的结构、雷电流波形以及雷电流注入 点等因素对接地网格冲击特性的影响。
C = Cl ( a) + Cl ( 2h - a)
( 3)
为了模拟非线性的火花放电, 接地体的等值半
径在一定条件下是时变的。接地体与半径紧密相连
的电气参数, 包括对地电导和对地电容也是根据一 定的函数关系时变的。由于火花区域边界的电场强
度为土壤的临界击穿场强, 则各段的等值半径可通 过下式求得
Ji =
关键词 暂态性能 接地网格 冲击电流
1 引言
接地装置的冲击接地特性对于提高电力系统安 全运行的可靠性起着十分重要的作用。变电站及输 电线路的接地装置冲击特性的好坏直接影响其防雷 性能。
雷击变电站时, 巨大的雷电流通过地面装置及 接地系统流入土壤, 如此大的电流所产生的电磁场 可能对设备造成破坏并可能危及工作人员。随着变 电站控制设备的复杂性、灵敏度的不断提高, 如何 处理电磁兼容及电磁干扰等问题变得越来越重要。 准确的模拟及预测接地体在大的冲击电流作用下的 性能是非常重要的。
图 10 不同的雷电流注入点示 意图
的论述, 并通过大量的模拟计算, 分析了不同接地 网尺寸、不同引流方式等各种因素对水平接地网冲 击特性的影响。
参考文献
1 Geri A, Garbagnati E et al1 Non - linear behaviour of ground electrodes under lig htning surg e currents: computer modelling and compar ison with ex perimental results1I EEE T ransactions on M ag netics, 1992, 28 ( 2)
径。
由于冲击电流频率很高, 接地体本身的电感作
用非常明显, 阻碍冲击电流向接地体远端流动。接
地体各点的散流极不均衡, 各点电位相差很大, 因
此火花放电的程度亦不相同, 也即各点的等值半径
不同, 如图 1 所示。
图 1 接地体周围火花放电区域形状
)9 )
5 电工技术杂志6 2002 年第 12 期
由图 1 可以看出, 越靠近电流注入点接地体流 散的电流就越多, 这里的电流密度就越大, 击穿的 土壤也就越厚。所以在接地极周围, 火花放电的形 状呈锥形, 而不是一般所认为的圆柱形。
大量的研究证实, 接地系统在大冲击电流作用 下的性能与在低频小电流作用下的性能有很大的区 别。大电流将导致接地体周围的土壤电离, 从而使 接地系统呈现出典型的非线性冲击响应。土壤在大 冲击电流作用下发生的非线性电离与许多电、几何 参数有关, 其动态趋势是很难预测的, 以至于很难 建立一个准确的模型。
图 6 不同面积的地网示意图
图 7 所示为冲击电流波形 ( 波前时间和幅值) 和土壤电阻率一定时, 冲击接地电阻与接地网面积 之间的关系曲线。图 7 中横坐 标为地网的等 效半 径, 即与地网面积相等的圆形地网的半径, 此处用
图 7 冲击接地电阻随地网面积的变化 1 ) Q= 1008 #m 2 ) Q= 5008 #m 3 ) Q= 10008 #m 4 ) Q= 20008 #m
4 Daw alibi F, Xiong W et al1 T ransient perfo rmance of substation structures and associated grounding systems1I EEE T ransactions on I ndustry A pplicatio ns, 1995, 31 ( 3)
图 3 非均匀分布的接地体等值回路
图 3 中 R i 、L i 、Ci 和 Gi 分别是第 i 段导体的 电阻、电感、电容和电导。在无限大均匀媒质中长
为 l 、半径为 a 的金属导体的对地电容为
Cl( a) =
a l
+
ln l +
2PEl
l2 + a
a2 -
1+
a2 l
( 2) 当导体埋于 h 米深的大地中时, 根据镜像理 论, 假想地上空气中还有一相距 2h 的同样长度的 镜像导体, 此时导体的对地电容为
接地网面积一定时, 改变水平导体间距 ( 即改 变子网格数目) 也将对地网的冲击阻抗产生较大影 响。以面积均为 40 @ 40m2 但水平导体间距不同的 地网为例, 如图 8 所示, n 为接地网中子网格的个 数。图 9 所示为接地网最大暂态 GPR 随 n 变化的 关系曲线。
图 8 面积一定、导体间距不同的接地网示意图
2 Leonid D G, M ar kus H1 Frequency dependent and tr ansient characteristics of substation g rounding systems1I EEE T ransactions on P ower Delivery, 1997, 12 ( 1)
到目前为止, 国内外学者进行了大量的关于接 地系统冲击特性的 研究, 但都 是基于一些假 设条 件, 对一些结构比较简单的水平接地体和垂直接地 体建立了简化数学模型。在以往文献的分析和计算 中, 一般都没有考虑火花放电对接地装置冲击特性 的影响。本文提出了对这一问题的有效解决方法, 即基于电路理论的数值计算方法, 通过建立动态数 学模型考虑土壤中火花放电的影响, 得出了一些结 论。
5 雷电流注入点对冲击特性的影响
我们已经知道, 接地网的工频接地电阻基本不 受电流注入点的影响, 因为在低频下, 可以忽略接 地导体的电感, 认为整个接地网各处导体是等电位 的。而在冲击电流作用下, 冲击电流注入点的位置 将对地网的冲击产生很大影响。图 10 所示为不同 的雷电流注入点示意图。不同的雷电流注入点对最 大暂态 GPR 的影响如图 11 所示。
描述的基于电路理论的数学模型, 与以前国内外文 献中提出的模型相比, 这一模型做了部分简化。
为了比较不同接地装置的暂态性能以及分析不
同参数对暂态性能的影响, 通常要用 到最大暂态 GP R ( 地电位升) , 即电流注入点的 GPR。最大暂 态 GPR 给出了暂态周期中接地导体与远处大地之 间最大的可能电压值, 这在 EM C 研究中是特别关 注的。
另外经常用来描述接地系统性能的参数是冲击 接地电阻。冲击接地电阻定义为接地体上最大冲击
电压和最大冲击电流的比值
Ri =
U max I max
( 5)
本文中除特别指出, 均假定土壤临界击穿场强
E c 为 300kV / m。
3 接地网格的冲击特性
由于冲击电流的等值频率比工频高很多, 使得 接地网的电感效应非常显著, 其结果是冲击电流在 接地网格各点的分布极不均匀, 网格上各点的电位 分布相差很大。图 4 所示为一个 20 @ 20m2 的接地 网, 埋深 018m, 在雷电流波形为 216/ 50Ls, 幅值 为 10kA, 土壤电阻率为 Q= 5008#m, 介电常数 Er = 9 的条件下, 雷击点在地网的边角 1 处时, 位置 1 和位置 2 处的电位变化如图 5 所示。
图 4 雷击地网示意图
从图 5 可以看出, 接地网格上不同点处的电压 分布是极不均匀的。起始时刻接地网电流随注入电流的增大而迅速增大, 由于电流 的传导, 随着时间的推移, 接地网上远离注入点 1 处的电压依次逐渐升高。若导体各段向土壤中流散 的电流超过了临界 值, 则各段 将相继发生火 花放 电, 导致等值半径增大。最终电流注入点 1 处的电 压逐渐下降, 接地网上各点的电压逐渐趋于一致。
Ec Q
=
$ ii 2Pr i $l
ri =
$ ii 2PJ i $l
( 4)
) 10 )
接地网格的雷电冲击特性
式中 Ji ) ) ) 通过第 i 段导体流散的电流密度 $i i ) ) ) 通过第 i 段导体流散的电流 $l ) ) ) 每段导体的长度 E c ) ) ) 土壤临界击穿强度
根据不同时 刻各导体段流散 的电流值, 由式 ( 4) 确定各导体段的等值半径 ( 随时间变化) , 进 而求得各导体段的参数, 然后根据电路理论计算出 各点的电压、电流值。文中的模拟计算应用了上面
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r 表示。 从图 7 可以看出, 在土壤及雷电流参数不变的
情况下, 随着接地网面积的不断增大, 地网的冲击 接地电阻很快减小并趋于某一定值; 当接地网面积 超过一定值时, 地网面积的增加对冲击接地电阻的 影响就非常小了。此外, 只有在地网面积不太大的 情况下, 地网尺寸对冲击接地阻抗才有比较大的影 响。雷电流作用下的冲击接地阻抗随接地网面积变 化的情况与工频时有所不同。在工频时, 接地网尺 寸对接地电阻值有着巨大的影响, 地网的接地电阻 随地网面积的增加迅速减小。 412 水平导体间距对冲击特性的影响
不断增加, 靠近接地体的土壤的电场强度如果超过
土壤的临界击穿场强, 则在靠近接地导体区域的土