接地网格的雷电冲击特性_高延庆

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
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
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 GP R 的影响如图 11 所示 。
图 5 雷击地网时点 1 、 2 处电压的变化曲线
4 接地网格结构对冲击特性的影响
4.1 接地网面积对冲击特性的影响 不同面积的接地网示意图如图 6 所示 , 地网面
积从 5 ×5m2 到 40 ×40m2 不等 , 接地网中子网格 大小不变 , 即导体间距保持 5m 不变 。图中 n 为接 地网的子网格数目 。
本文的分析基于土壤的均匀性与各向同性的假
设。
2 考虑火花放电的等效电路模型
雷击线路及杆塔时 , 雷电流经杆塔由接地装置
流散到大地中去 。 接地装置在冲击电流的作用下 ,
在其周围产生瞬变电磁场 , 在土壤中产生的场强为
E =Jρ
(1)
式中 J ———电流密度
ρ——— 冲击 电流 流过 时土 壤的 电阻 率
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 。 4.2 水平导体间距对冲击特性的影响
图 3 非均匀分布的接地体等值回路
图 3 中 Ri 、 Li 、 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+
2πεl
l2 a
+a 2
-
1+
a l
2
(2)
当导体埋于 h 米深的大地中时 , 根据 镜像理
随着冲击电流幅值的增大 , 土壤中的电场强度
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
壤中产生火花放电 , 土壤被击穿 , 火花放电使得靠
近Hale Waihona Puke Baidu地体的电压降大大减小 。火花放电区域土壤的
电阻率大大降低 , 区域内电位梯度非常小 , 等效于
接地体的尺寸增加 。接地体周围土壤火花放电区域
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
=
Ec ρ
=
Δii 2πri Δl
ri
=
Δii 2πJ i Δl
(4)
— 10 —
式中 Ji ———通过第 i 段导体流散的电流密度 Δi i ———通过第 i 段导体流散的电流 Δl ———每段导体的长度 E c ———土壤临界击穿强度
的半径 , 即可认为是接 地体暂态过程 中的等值半
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
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 , Garbagna ti E et al.Non - linear behaviour of ground electrodes under lig htning surge currents :computer modelling and comparison with experimental results.I EEE T ransactions on M ag netics, 1992 , 28 (2)
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。
考虑到数学模型的复杂性 , 文中采用图 2 所示 的分段等效为圆柱区域的模型 , 显然这一等效是合 理的 。其中 ri 为火花放 电区域的等值半径 , a 为 接地导体的金属半径 。
图 2 土壤电离时各段导体等值半径变化模型
在冲击电流的作用下 , 接地体可以看成是由电 感 、 电容 、 电导和电阻组成的电路 , 如图 3 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注入点 1
接地网格的雷电冲击特性 《 电工技术杂志》 2002 年第 12 期
处的电压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 。
·电磁兼容技 术· 《 电工技术杂志》 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 。 关键词 暂态性能 接地网格 冲击电流
2 Leonid D G , M arkus H.Frequency dependent and transient characteristics of substation g rounding sy stems.I EEE T ransactions on P ower Delivery , 1997, 12 (1)
—9 —
《 电工技术杂志》 2002 年第 12 期 接地网格的雷电冲击特性
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 。
— 11 —
《 电工技术杂志》 2002 年第 12 期 接地网格的雷电冲击特性
易。 同时 , 从图 9 还可以看出 , 相同面积的接地网
在其有效面积内的 导体间距越小 (即导体数 目越 多), 不但可以降低最大暂态 GPR , 同时最大暂态 GPR 的持续时间也会变短 。这一点对于雷击发 、 变电站及输电杆塔时 , 降低其对附近的电力 、 电子 设备所产生的电磁干扰有着重要的意义 。
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 0.8m , 在雷电流波形为 2.6/ 50μs , 幅值 为 10kA , 土壤电阻率为 ρ=500Ψ·m , 介电常数 εr =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 。
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 。
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 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 。
图 9 导体间距对最大暂态 G PR (注入点) 的影响 1 — n =1 2 — n =4 3 — n =16 4 — n =64
一般而言 , 低频时接地网的地电位决定于接地 网格的面积 , 而与接地网水平导体间距没有太大关 系 。从图 9 可以看出 , 在高频下接地网同样具有这 一特征 , 但前提是接地网导体间距要大于 20m , 此 时接地网水平导体间距的变化对地网的冲击阻抗没 有什么影响 。当地网导体间距小于 20m 并逐渐减 小时 , 地网的最大暂态 GPR 将急剧减小 , 这是因 为在接地网有效面积内的导体数目越多 , 所能利用 的土壤面积就越大 , 对 雷电流的流散 相对就越容
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 GP R 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
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 — ρ=100Ψ·m 2 — ρ=500Ψ·m 3 — ρ=1000Ψ·m 4 — ρ=2000Ψ·m
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 GP R 。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 EMC 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