接地系統(tǒng)及桿塔模型

接地系統(tǒng)1、接地裝置不僅為各種電氣設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，保證人身和設備安全，因此接地是確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要條件，其可靠性及安全性能一直受到設計和生產(chǎn)運行部門的高度重視［1-5］。電力系統(tǒng)接地就其目的來說可分為工作接地、防雷接地和保護接地3種。工作接地是為了降低電力設備的絕緣水平，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的接地裝置以便把雷電流導入大地；而電力設備為保證人身安全必須接地的情況則稱為保護接地［1,6］。2、接地電阻對于小面積接地網(wǎng)或者銅接地網(wǎng)，接地網(wǎng)地電位升與工頻入地電流之間的相位差很小，相應比值稱為接地電阻；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維方向進行研究，包括擴大接地網(wǎng)面積、引外接地、增加接地網(wǎng)的埋設深度、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，新型降阻技術不斷出現(xiàn)，充分利用接地網(wǎng)周圍的地形、地質(zhì)特性，構建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、深水井接地技術和深井爆破接地技術施工已經(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［1,7-10］。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，還考慮到了桿塔的自身結構、不同高度對地電容的變化，所得結果更加符合高桿塔的波阻抗。桿塔模型多波阻抗模型建立的基礎是基于垂直導體不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ZT=60ln來描述單根垂直導體的波阻抗。繼而可得n根平行圓柱體組成的系統(tǒng)總的波阻抗為ZT,n二ZT,n二n-1G +ZT,11T,12+…+Z)T,1n式中n為圓柱體的數(shù)目;Z為第1根圓柱體的自波阻抗，則第k根圓柱體的自波阻抗T,11Z和第k根與第l根之間的互波阻抗Z可表示為T,kk T,klZT,kkZT,ZT,kl「二60Inrkl式中，r是第k根和第l根圓柱體之間的距離。kl由以上各式可得ZTn「ZTn「二60In2\2hr為多導體的等效半徑。d本文介紹的是日本學者Hara提出的無損線桿塔模型，將桿塔的塔基、支柱和橫擔分別用無損傳輸線表示，每部分波阻抗大小由公式3-1~3-3求出?，F(xiàn)以如下桿塔模型為例來介紹Hara桿塔模型1h、「召D0乙」Dz圖1h、「召D0乙」Dz圖1桿塔結構圖圖2桿塔的Hara等效模型桿塔結構如圖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：式中rek(2逅h式中rek(2逅h )\o"CurrentDocument"Z二60ln k—2r 丿ek3r~3…R"3R23 4TKBTKBTK3-1)(r23)4C13R23)Hara經(jīng)過測量得出，每層支柱的波阻抗Z 為該層桿塔主體波阻抗Z的LKTK9倍，即TOC\o"1-5"\h\zZ=9Z(K=1,2,3,4...) (3-2)LK TK橫擔的波阻抗Z為：AKZ=60ln2h^(k=1,2,3,4...) (3-3)AKrAk式中，h為桿塔主體的高度；r為桿塔間豎直支柱的半徑；r為桿塔底k TK B部支柱半徑；R為桿塔主體水平支柱間的距離；R為桿塔底部支柱間的距離；TK Br為桿塔橫擔與塔柱連接處截面半徑的1/2。Ak圖3圖3桿塔結構圖圖4桿塔的Hara等效模型R0RczRt電D[R耳402為圖R0RczRt電D[R耳402為圖6桿塔的Hara等效模型圖5桿塔結構圖czCD4、桿塔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備的尺寸、材料、結構等計算出相關的電阻、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，在設計時可以通過元件的靈敏度分析從而改變設計，使其滿足設計要求。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，此類模型不準確。黑箱理論是一種純數(shù)學的建模方法，其基本思想是：(1)測量所需建模的器件或設備的阻抗或散射參數(shù)；(2)對測量結果進行有理函數(shù)逼近，找出其極點和留數(shù)；(3)對極點和留數(shù)進行分類處理，根據(jù)不同類別計算出RLC串并聯(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)學建模方法，考慮了頻關參數(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，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，在實際的電路設計和分析中無法進行靈敏度分析。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。設由測量得到的器件的阻抗為Z(s)，根據(jù)傳統(tǒng)等效電路計算得到的阻抗為Z(s)，黑箱理論所建立模型的阻抗為F(s)，則三者關系可表示為TF( Z)s-Z)s (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。兀強忡或設鶴迢頻等妝屯蹄F{s)=Z{s)-Zr(s)逮立傳統(tǒng)尊效電踏結束祇抗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。兀強忡或設鶴迢頻等妝屯蹄F{s)=Z{s)-Zr(s)逮立傳統(tǒng)尊效電踏結束祇抗傾率恃性測螢\T處理，旅取根點和悝販肌抗粽臺建立限吭計算zron圖2-1基于黑箱理論與傳統(tǒng)等效電路的建模流程阻抗有理函數(shù)逼近與建模4.2.1有理函數(shù)逼近設閥體器件的阻抗有理函數(shù)表示為F(4送竺F(4送竺+s七dk=1s-P4-2)其中，極點p及其對應的留數(shù)res為實數(shù)或為共軛復數(shù)對，一次項e和常kk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p，并假設一未知函數(shù)i.(s.(s)=送k=1resLs一pk+14-3)該未知函數(shù)與F(s)相乘可得沁)心遲二++ed(4-4)

k=1s-pk由式(4-3)和式(4-4)，可得———、昱輕+se+d=迅d+1F(s) (4-5)k=1s-pk Ik=1s-pk 丿將測量所得的一系列頻關的離散點F(s)及其對應的頻率s代入式(4-4),ii整理可得一組線性方程組Ax=b (4-6)解方程組(4-6)，可求出未知量e、d、k、res根據(jù)所求未知量，進行原函數(shù)F(s)的零點和極點的求解。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數(shù)極點項部分，即其中(n+myF(s)=F(s)+^F(s)+￡2F(s)1 2k k3k=1 k=M+1(4-7)F(s)=se+d1(4-8)()resF s丿= k—2k s-pk(4-9)res res (res+res)s-(respF(s)= =+ 亠= k1 胖 k2+resk2乙)(4-10)s-ps-p s2-(p+p )s+ppk1 k2 k1k2 k1k24.2.3等效電路4.2.3.1常數(shù)項和一次項等效電路TOC\o"1-5"\h\z心｝L R” -、w十 5) ?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)電路進行等效，如圖4-3所示。設串聯(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Z(s)=U(S)=R+sL (4-11)1 I(s)將式(4-11)與式(4-8)作比對，可得，電阻R和電感L分別對應常數(shù)項和一次項系數(shù)，即R=d,L=e.實數(shù)極點項等效電路共軛復數(shù)極點項等效電路[1]何金良，曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術[M].北京：科學出版社，2007.⑵李景祿，李衛(wèi)國.關于大中型接地網(wǎng)降阻措施的經(jīng)驗[J].高電壓技術，2002,28(9)：55-56.⑶李景祿，鄭瑞臣.關于接地工程中若干問題的分析和探討[J].高電壓技術，2006,32(6)：122-124.[4]王東燁，董岡山大型變電所地網(wǎng)評估若干問題的探討[J].高電壓技術，2001,27(2):64-65.⑸張瑞強，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].中國電機工程學報，2014，34(21)：3548-3560.⑹中國電力企業(yè)聯(lián)合會.GB50065—2011 交流電氣裝置的接地設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2011.[7]MengQB,HeJL,DawalibiFP,etal.Anewmethodtodecreasegroundresistancesofsubstationgroundingsystemsinhighresistivityregions[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1999,14(3):911-916.[8]HeJL,YuG,YuanJP,etal.Decreasinggroundingresistan