用于接地裝置沖擊阻抗測試的便攜式雷電流產(chǎn)生裝置的制造方法
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于電力系統(tǒng)接地技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于接地裝置沖擊阻抗測試的便攜式雷電流產(chǎn)生裝置。
【【背景技術(shù)】】
[0002]電力系統(tǒng)有工作、防雷、安全等多種形式的接地需要，它們是保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行不可缺少的重要部分。隨著西電東送和南北互供的全國聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)，我國電力工業(yè)將在未來15?20年內(nèi)保持快速增長，需要建設(shè)大量的330kV、500kV、750kV和100kV超(特)高壓變電站和桿塔，同時(shí)為了確保電網(wǎng)運(yùn)行過程中，工作人員和電氣設(shè)備的安全，需要專門為這些變電站和桿塔建設(shè)大量的接地設(shè)施。接地裝置沖擊阻抗測試研宄，正是為了更好地設(shè)計(jì)、建設(shè)、維護(hù)電力系統(tǒng)的接地設(shè)施，而展開的非常緊迫，且具有十分重要意義的工作。
[0003]摸清接地裝置沖擊阻抗特性，是為了更好地設(shè)計(jì)接地裝置。電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，大多數(shù)輸電線路事故都是由于雷擊輸電線路或桿塔引起跳閘所致。例如，根據(jù)電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計(jì)表明，在我國跳閘率比較高的地區(qū)，高壓線路運(yùn)行的總跳閘次數(shù)中，由雷擊引起的次數(shù)約占40?70%，這將給社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。國內(nèi)外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析表明，有效降低桿塔接地電阻是改善輸電線路直擊雷保護(hù)效果的最為有效的措施。在線路桿塔的防雷性能設(shè)計(jì)中，其接地裝置的暫態(tài)接地阻抗取值，直接影響到線路的防雷效果。在國內(nèi)外的輸電線路防雷分析計(jì)算中，輸電線路桿塔接地裝置暫態(tài)接地阻抗通常只采用特定值的集中參數(shù)電阻來模擬，例如，目前得到廣泛應(yīng)用的CDEGS等接地分析軟件仍無法考慮在雷擊過程中土壤電離所引起的非線性特性。而事實(shí)上，在沖擊電流作用下，接地裝置的暫態(tài)接地阻抗是隨時(shí)間動態(tài)變化的，并呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性特性。
[0004]輸電線路走廊不可避免地會經(jīng)過高土壤電阻率山區(qū)。由于在傳統(tǒng)的降阻思路中將接地裝置等效為集中參數(shù)電阻來處理，因而只能從靜態(tài)的角度提出改善接地裝置散流性能的措施。而這些傳統(tǒng)措施在土壤電阻率很高時(shí)，其降阻效率有限，對線路防雷性能的改善不明顯。如果能準(zhǔn)確地測試，并計(jì)算接地裝置沖擊動態(tài)過程，就可以針對造成雷擊閃絡(luò)最嚴(yán)重的沖擊電流波頭時(shí)段，從改善沖擊電流波頭時(shí)段地中電場分布的角度來提高接地裝置的沖擊散流效率，降低沖擊電流波頭時(shí)段的暫態(tài)接地阻抗。
[0005]此外，沖擊電流經(jīng)過接地裝置向土壤散流的過程中，隨著土壤中電場強(qiáng)度的增加土壤電阻率會有所下降，呈現(xiàn)出非線性電學(xué)現(xiàn)象。同時(shí)，當(dāng)接地極周圍土壤的電場強(qiáng)度超過土壤的擊穿場強(qiáng)時(shí)，接地極周圍土壤中會產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花放電，在接地極附近形成了一個(gè)不規(guī)則的放電區(qū)域。因此，輸電線路接地裝置暫態(tài)接地阻抗的計(jì)算就必須能準(zhǔn)確地反映該動態(tài)物理過程。通過大量的接地裝置沖擊散流模擬測試試驗(yàn)得到火花放電區(qū)域與接地裝置結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并通過土壤非線性特性的試驗(yàn)得到接地裝置沖擊阻抗特性，最終就能得到符合實(shí)際物理過程的計(jì)算結(jié)果。
[0006]如果能夠簡便的進(jìn)行接地裝置的沖擊阻抗特性測試，并正確建立輸電線路接地裝置在沖擊電流作用下的動態(tài)特性計(jì)算模型，不僅為計(jì)算存在電離現(xiàn)象和介質(zhì)非線性特性的動態(tài)電場問題提供了理論分析方法，還為準(zhǔn)確預(yù)測輸電線路的防雷效果、計(jì)算雷電過電壓提供了有力支撐。接地裝置沖擊阻抗測試的便攜式雷電流產(chǎn)生裝置具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)殡娏Σ块T迫切需要解決的實(shí)際難題提供了新的解決思路。
[0007]接地裝置的沖擊特性對防雷設(shè)計(jì)具有重要意義，從上世紀(jì)早期開始，國內(nèi)外眾多學(xué)者就對其進(jìn)行了大量的研宄，也有一些顯著的成果，總的說來，這些研宄可以大致分為試驗(yàn)研宄和理論仿真研宄兩大類。
[0008](I)試驗(yàn)研宄
[0009]根據(jù)試驗(yàn)條件的不同，接地裝置沖擊特性的試驗(yàn)研宄可以分為現(xiàn)場真型試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)兩大類。
[0010]現(xiàn)場真型試驗(yàn)就是用沖擊電流發(fā)生器模擬雷電流的輸入，對真實(shí)的接地體進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測量其沖擊特性。在實(shí)際中，雷擊桿塔時(shí)的電流是非常大的，現(xiàn)場真型試驗(yàn)要想獲得大電流，就需要大容量的沖擊電流發(fā)生器，而要想提高沖擊電流發(fā)生器的容量，那在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，不可避免的就要增大發(fā)生器的體積，又因?yàn)楝F(xiàn)場真型試驗(yàn)的土壤條件不是人為可以控制的，要想獲得不同土壤條件下的數(shù)據(jù)，就必須經(jīng)常移動笨重的沖擊電流發(fā)生器。而隨著發(fā)生器容量的提高，試驗(yàn)的危險(xiǎn)性也會進(jìn)一步的增大。這樣一來，不僅僅是運(yùn)輸笨重的沖擊電流發(fā)生器非常耗費(fèi)人力物力，而且大容量沖擊電流發(fā)生器做試驗(yàn)時(shí)帶來的安全問題也更加復(fù)雜。由于現(xiàn)階段現(xiàn)場真型試驗(yàn)有較大的局限性，一直以來相關(guān)的數(shù)據(jù)都比較少，只是用于驗(yàn)證理論推導(dǎo)的結(jié)果。
[0011]電場的模擬實(shí)驗(yàn)方法有兩種，一種是幾何模擬，一種是數(shù)學(xué)模擬。在接地裝置的試驗(yàn)中廣泛采用的是幾何模擬法。幾何模擬法是建立在相似原理基礎(chǔ)上的一種物理模擬，它將接地裝置的幾何尺寸、埋設(shè)深度、注入接地裝置的電流、土壤電阻率等按各自的比例尺縮小，在模擬池中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)最大的好處就是方便，只需要不大的投資，就可以將實(shí)驗(yàn)平臺建立起來，并可以長期使用。另外在實(shí)驗(yàn)中想改變接地體的結(jié)構(gòu)尺寸或土壤電阻率都比較容易，可以方便的模擬多種條件下的沖擊試驗(yàn)。
[0012]然而模擬實(shí)驗(yàn)的局限性也比較明顯。如果土壤模型和接地體的所有幾何尺寸的比例尺為n，那么根據(jù)相似原理，所注入的沖擊電流相比于真型試驗(yàn)電流應(yīng)當(dāng)縮小η倍那么波形的幅值應(yīng)該縮小η倍，而且波頭時(shí)間也要相應(yīng)的縮小η倍。僅僅這樣就會帶來兩個(gè)方面的問題，首先當(dāng)電流幅值縮小以后，相應(yīng)的會使得土壤中各點(diǎn)的電場強(qiáng)度降低很多，那么在真型試驗(yàn)條件下可能出現(xiàn)的土壤火花放電現(xiàn)象，在模擬實(shí)驗(yàn)的時(shí)候也許就不會出現(xiàn)；其次，想要將輸入電流的波頭時(shí)間縮小η倍，提高波形的陡度，實(shí)現(xiàn)起來難度也不小。除此以外，縮小土壤模型的尺寸并不能縮小土壤顆粒的尺寸，因而模擬實(shí)驗(yàn)也就不能模擬不同土壤顆粒條件下的散流狀況，也就難以真實(shí)的反映接地裝置在沖擊電流下發(fā)生的土壤火花放電現(xiàn)象。模擬實(shí)驗(yàn)可以定性的反映接地裝置沖擊特性的某些規(guī)律，卻很難從定量的角度準(zhǔn)確反映接地裝置的沖擊特性。
[0013](2)理論仿真研宄
[0014]相比于接地裝置沖擊特性的試驗(yàn)研宄，其理論研宄的發(fā)展要迅速的多，尤其是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得大型計(jì)算變得容易，進(jìn)一步推動了理論計(jì)算的發(fā)展。目前，針對接地裝置暫態(tài)特性的仿真主要有以下幾種:傳輸線理論，電路理論，電磁場理論，有限元方法等。
[0015]I)傳輸線理論
[0016]Mel1poilos A.P，Moharam M.G，Mazzettie C.和 Veca G.M.等人在上世紀(jì)八十年代的時(shí)候提出了用傳輸線的理論來模擬接地裝置暫態(tài)特性的方案。傳輸線理論將水平接地體在沖擊電流下的響應(yīng)當(dāng)作具有分布參數(shù)的傳輸線上的波過程來處理，是一種時(shí)域的方法。這種方法對于水平接地體是比較適用的，但是對于其他結(jié)構(gòu)的接地裝置就不適用了，比如垂直接地體或者是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的接地裝置。
[0017]2)電路理論
[0018]基于電路理論的方法是將接地體模擬成由集中參數(shù)R-L-C-G組成的π型等值電路來計(jì)算其沖擊響應(yīng)，這是一種非常直接的方法。這種方法對計(jì)算資源的需求不是太高，計(jì)算結(jié)果也是可以接受的。
[0019]電路理論的缺陷在于，對于復(fù)雜接地體的情況處理起來比較麻煩，為了方便計(jì)算，通常要采取簡化的計(jì)算公式，這樣就影響了計(jì)算結(jié)果的精度。國內(nèi)有些學(xué)者進(jìn)行了這方面的研宄，但很多都局限于水平的接地體，或是忽略了土壤發(fā)生火花放電時(shí)非線性特性的影響，或是采用了非常簡化的模型。另外，有些學(xué)者結(jié)合電磁場理論利用電路仿真軟件對接地體的沖擊特性進(jìn)行了研宄，電路仿真軟件的缺陷在于無法自動的完成參數(shù)的迭代計(jì)算，需要人為去計(jì)算每次迭代的參數(shù)，這樣使用起來就很不方便，而且容易引入人為的誤差。
[0020]3)電磁場理論
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