接地系統(tǒng)及桿塔模型

1、接地系統(tǒng)1、接地裝置不僅為各種電氣設(shè)備提供一個公共的參考地，而且在發(fā)生故障或雷擊時，能夠?qū)⒐收想娏骰蚶纂娏餮杆偕⒘?，限制地電位的升高，保證人身和設(shè)備安全，因此接地是確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件，其可靠性及安全性能一直受到設(shè)計和生產(chǎn)運(yùn)行部門的高度重視1-5。電力系統(tǒng)接地就其目的來說可分為工作接地、防雷接地和保護(hù)接地 3 種。工作接地是為了降低電力設(shè)備的絕緣水平，如采用中性點接地的方式；防雷接地是為了避免雷電的危害，避雷針、避雷線和線路桿塔等都必須配以相應(yīng)的接地裝置以便把雷電流導(dǎo)入大地；而電力設(shè)備為保證人身安全必須接地的情況則稱為保護(hù)接地1,6。2、接地電阻對于小面積接地網(wǎng)或者銅接地網(wǎng)，接地

2、網(wǎng)地電位升與工頻入地電流之間的相位差很小，相應(yīng)比值稱為接地電阻；對于大面積鋼接地網(wǎng)，接地網(wǎng)地電位升與工頻入地電流之間的相位差較大，相應(yīng)比值稱為接地阻抗。為降低接地裝置的接地電阻，人們采取了各種各樣的措施。傳統(tǒng)的措施主要在接地網(wǎng)的 2 維方向進(jìn)行研究，包括擴(kuò)大接地網(wǎng)面積、引外接地、增加接地網(wǎng)的埋設(shè)深度、利用自然接地、局部換土、接地模塊和離子棒等。隨著接地系統(tǒng)降阻要求的逐步提高，新型降阻技術(shù)不斷出現(xiàn)，充分利用接地網(wǎng)周圍的地形、地質(zhì)特性，構(gòu)建 3 維立體接地網(wǎng)成為趨勢，除垂直接地極外，斜接地極技術(shù)、深水井接地技術(shù)和深井爆破接地技術(shù)施工已經(jīng)在很多高土壤電阻率地區(qū)變電站的接地改造中取得顯著的成效1,7-

3、10。但目前各種降阻措施的研究工作大部分僅針對某一種措施展開，缺乏組合降阻措施的研究，各種降阻措施之間也缺乏系統(tǒng)的比較，實際在降阻措施的選用中存在盲目性。3、桿塔3.1 桿塔建模輸電線路桿塔模型及參數(shù)對反擊過電壓的影響很大， 在目前的輸電線路桿塔仿真研究中，常用的兩種桿塔模型為集中電感模型和波阻抗模型。隨著超/特高壓的快速發(fā)展，桿塔的高度和幾何尺寸都增大很多， 因此波阻抗模型較集中電感模型更能真實的模擬線路的反擊特性。多波阻抗模型不僅考慮到了波在桿塔上的行進(jìn)，還考慮到了桿塔的自身結(jié)構(gòu)、不同高度對地電容的變化，所得結(jié)果更加符合高桿塔的波阻抗。3.2 桿塔模型多波阻抗模型建立的基礎(chǔ)是基于垂直導(dǎo)體不

4、同高度處的波阻抗不同這一概念。由波阻抗的特性可知，垂直圓柱體的波阻抗僅依賴該圓柱體的半徑和高度，可由經(jīng)驗公式來描述單根垂直導(dǎo)體的波阻抗。繼而可得n根平行圓柱體組成的系統(tǒng)總的波阻抗為式中n 為圓柱體的數(shù)目; 為第 1 根圓柱體的自波阻抗，則第 k 根圓柱體的自波阻抗 和第 k 根與第 l 根之間的互波阻抗 可表示為式中，是第 k 根和第 l 根圓柱體之間的距離。由以上各式可得為多導(dǎo)體的等效半徑。本文介紹的是日本學(xué)者 Hara 提出的無損線桿塔模型，將桿塔的塔基、支柱和橫擔(dān)分別用無損傳輸線表示，每部分波阻抗大小由公式 3-13-3 求出。現(xiàn)以如下桿塔模型為例來介紹Hara桿塔模型圖 1 桿塔結(jié)構(gòu)圖

5、 圖 2 桿塔的 Hara 等效模型桿塔結(jié)構(gòu)如圖 1所示，其Hara多波阻抗等效模型如圖 2所示。其中，每層桿塔主體部分阻抗為： （3-1）式中 Hara 經(jīng)過測量得出，每層支柱的波阻抗 為該層桿塔主體波阻抗的 9 倍，即 （3-2）橫擔(dān)的波阻抗為： （3-3）式中， 為桿塔主體的高度；為桿塔間豎直支柱的半徑；為桿塔底部支柱半徑；為桿塔主體水平支柱間的距離；為桿塔底部支柱間的距離；為桿塔橫擔(dān)與塔柱連接處截面半徑的 1/ 2 。以下為其余桿塔類型的結(jié)構(gòu)圖及 Hara 等效模型。 圖 3 桿塔結(jié)構(gòu)圖 圖 4 桿塔的 Hara 等效模型 圖 5 桿塔結(jié)構(gòu)圖 圖 6 桿塔的 Hara 等效模型4、桿塔

6、接地電阻及其等效電路4.1 建模方法傳統(tǒng)等效電路模型是根據(jù)所需建模的器件或設(shè)備的尺寸、材料、結(jié)構(gòu)等計算出相關(guān)的電阻、電容和電感 (RLC) 等效值，然后根據(jù)各元件的電氣連接而建立物理模型。該方法的優(yōu)點是直觀，每一個元件均有物理意義，在設(shè)計時可以通過元件的靈敏度分析從而改變設(shè)計，使其滿足設(shè)計要求。該方法的缺點是對于某些隨頻率變化的參數(shù)，在模型中無法考慮，在高頻情況下，此類模型不準(zhǔn)確。黑箱理論是一種純數(shù)學(xué)的建模方法，其基本思想是：(1) 測量所需建模的器件或設(shè)備的阻抗或散射參數(shù)； (2) 對測量結(jié)果進(jìn)行有理函數(shù)逼近，找出其極點和留數(shù)； (3) 對極點和留數(shù)進(jìn)行分類處理，根據(jù)不同類別計算出RLC 串

7、并聯(lián)等效電路的參數(shù)值。該方法的優(yōu)點是其采用了完全的數(shù)學(xué)建模方法，考慮了頻關(guān)參數(shù)的影響，所建立的 RLC 串并聯(lián)電路用于電路仿真比較準(zhǔn)確。該方法的缺點是 RLC 串并聯(lián)電路的元件數(shù)與有理函數(shù)逼近的階數(shù)有關(guān)，一個簡單的器件可能會用幾十個元件的串并聯(lián)來表示，并且所建立的等效電路的元件沒有物理意義，在實際的電路設(shè)計和分析中無法進(jìn)行靈敏度分析。為了解決以上兩種模型存在的問題，本文提出了基于黑箱理論與傳統(tǒng)等效電路的建模方法。該方法既可以保持傳統(tǒng)等效電路參數(shù)的意義，又可以考慮高頻情況下器件的頻變效應(yīng)。設(shè)由測量得到的器件的阻抗為 ，根據(jù)傳統(tǒng)等效電路計算得到的阻抗為，黑箱理論所建立模型的阻抗為 ，則三者關(guān)系可表

8、示為 (4-1)基于黑箱理論與傳統(tǒng)等效電路的建模流程，如圖 2-1 所示。圖 2-1 基于黑箱理論與傳統(tǒng)等效電路的建模流程4.2阻抗有理函數(shù)逼近與建模有理函數(shù)逼近設(shè)閥體器件的阻抗有理函數(shù)表示為 （4-2）其中，極點及其對應(yīng)的留數(shù)為實數(shù)或為共軛復(fù)數(shù)對，一次項 e 和常數(shù)項 d 為實數(shù)， N 為全部的極點數(shù)。選取一組已知的初始極點 ，并假設(shè)一未知函數(shù) （4-3）該未知函數(shù)與相乘可得 （4-4）由式 (4-3) 和式 (4-4) ，可得 （4-5）將測量所得的一系列頻關(guān)的離散點及其對應(yīng)的頻率代入式 (4-4), 整理可得一組線性方程組 （4-6）解方程組 (4-6) ，可求出未知量 e 、 d 、k

9、、res根據(jù)所求未知量，進(jìn)行原函數(shù)的零點和極點的求解。4.2.2 有理函數(shù)分解式 (4-2) 可分解為常數(shù)項和一次項部分、實數(shù)極點項部分以及共軛復(fù)數(shù)極點項部分，即 (4-7)其中 (4-8) (4-9) (4-10)4.2.3 等效電路4.2.3.1 常數(shù)項和一次項等效電路 圖 4-3 常數(shù)項和一次項等效電路式 (4-8) 可用電阻元件和電感元件的串聯(lián)電路進(jìn)行等效，如圖 4-3 所示。設(shè)串聯(lián)電路兩端的電壓為U (s) ，流過元件的電流為 I( s) ，則圖 4-3 電路的等效阻抗Z1( s) 為 (4-11)將式 (4-11) 與式 (4-8) 作比對，可得，電阻 R 和電感 L 分別對應(yīng)常數(shù)

10、項和一次項系數(shù)，即R=d,L=e.4.2.3.2 實數(shù)極點項等效電路4.2.3.3 共軛復(fù)數(shù)極點項等效電路1 何金良，曾嶸. 電力系統(tǒng)接地技術(shù)M. 北京：科學(xué)出版社，2007. 2 李景祿，李衛(wèi)國. 關(guān)于大中型接地網(wǎng)降阻措施的經(jīng)驗J. 高電壓技術(shù)，2002，28(9)：55-56. 3 李景祿，鄭瑞臣. 關(guān)于接地工程中若干問題的分析和探討J. 高電壓技術(shù)，2006，32(6)：122-124. 4 王東燁，董 剛. 大型變電所地網(wǎng)評估若干問題的探討J. 高電壓技術(shù)，2001，27(2)：64-65. 5 張瑞強(qiáng)，何 為，李 羿，等. 基于正逆問題分析方法的變電站接地網(wǎng)研究綜述J. 中國電機(jī)工程

11、學(xué)報，2014，34(21)：3548-3560. 6 中國電力企業(yè)聯(lián)合會. GB 500652011 交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范S. 北京：中國計劃出版社，2011.7 Meng Q B, He J L, Dawalibi F P, et al. A new method to decrease ground resistances of substation grounding systems in high resistivity regionsJ. IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, 14(3): 911-916. 8 He J L, Yu G, Yuan J P, et al. Decreasing grounding resistance of subs-tation by deep-ground-well methodJ.