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防雷接地阻抗模型在传动系统的分析中的影响
摘要:在传输系统中防雷分析是至关重要的,其中接地阻抗模型对此有着很大的效果。本文关注防雷接地阻抗模型的影响分析。这个传动系统考虑三种接地阻抗模型的固定电阻而建立在PSCAD / EMTP模型上的,标准动态阻力和实时动态阻力。在几种典型条件下的土壤电阻率和电压水平下获得闪电承受水平模拟。此外,模型也在动态电阻方面有着比较和分析,在接地电位上升以及绝缘子电压也一样。这使得本文在确定合适的接地阻抗模型来应用于防雷分析上做出了贡献,而且在理论和实践上也很有意义。
关键词： 接地 瞬态性能 防雷 传输系统
1 引言
闪电是传动系统故障的主要原因。直接击中屏蔽线是导致雷电过电压频繁出现的原因。在众多影响保护效果的因素,接地装置发挥着极其重要的作用,这就需要“足量地低阻抗和载流能力,防止电压的增加可能会导致对连接设备和人的过度的危害”[1]。
为了对传动系统直接显著的保护作用的评估,研究人员通常建立传动系统的仿真模型,包括塔、绝缘子、输电线路和电磁暂态分析程序中的接地装置如PSCAD / EMTP [2]。考虑接地装置的保护效果的重要性，确定一个合适的接地阻抗的模型进行瞬态分析是非常必要的,这正是本文所针对的。
1.1 接地阻抗模型
一般来说,有三种模型通常用于描述暂态接地装置的性能:
1.1.1 固定电阻（CR）模型
固定阻力模型是应用于防雷分析里最普遍的模型。对于这个模型,接地系统的阻抗由集总电阻[3]表示，常被定义为:
Vm和Im分别表示高峰值脉冲电压和脉冲电流。有许多方法来获取电阻的值,包括实地测试和计算演算法。此外,工频接地阻抗R0是已知的,冲击接地电阻可以通过计算[4]得到:
其中a表示脉冲系数。
事实上, 当闪电电流注入到接地装置时候接地阻抗不是一个常数。首先,在接地导体通过脉冲电流被激发,接地导体周围的土壤将电离(5、6),因此,接地阻抗会随着脉冲电流的值改变。此外,土壤的频率相关参数和导体参数[7,8]还导致了动态阻力。
1.1.2 标准动态电阻(SDR)模型
为了考虑在土壤电离时接地电阻的时变的重要性,CIGRE推荐标准的动态阻力模型RSDR(t)[9]:
其中
RSDR(t): 在脉冲条件下接地装置的电阻；Omega;
R0: 在工频条件下接地装置的电阻；Omega;
I(t): 通过塔基的雷电流,kA
Ig: 临界电离电流,kA
E0: 土壤电离梯度,kV / m
rho;: 土壤电阻率,Omega;·m
这个模型是时变的,但是又是半经验和放弃一些精度的。然而,由于其简易性,这个公式通常应用于输电系统的防雷分析。
1.1.3 实时动态电阻(RTDR)模型
通过电磁仿真和现场试验、冲击电压V(t)和I(t)的脉冲电流可以由基础原理获得,实时动态阻力模型RRTDR(t)可以计算为:
RTDR模型表示实际的闪电下接地装置的瞬态性能。然而,它是不容易获得的。这导致进行接地阻抗的影响模型的深入分析的研究变得十分罕见。
1.2 获得暂态接地装置的性能的方法
除了现场测试,这里有几种方法来计算瞬时接地装置的性能。简而言之,他们可以概括为三种类型:
第一个是集总参数电路等电路的方法方法[10 - 12]和分布式电路方法(所谓的传输线方法,TLM)[13]。这些电路方法方便、有效,但不容易被应用在多层介质复杂的接地装置[14]。
第二个是有限元方法(FEM)或有限差分时域(FDTD)法[15]。这些方法基于麦克斯韦方程组的微分形式,获得准确的解决方案。然而,他们需要接地空间的离散化,这将是麻烦和复杂复杂的接地系统。
第三个是混合电磁法(HEM)[21],以及部分元件等效电路方法(PEEC)(25、26)。基于麦克斯韦方程的积分形式,这些方法形成一个等效电路来解决电磁问题。推导密切相关矩量法(MoM)[27-30]。在根据这些想法后,最近出版的一篇论文[31]提出一种方法获得接地系统的瞬态性能。它是一种时域方法,这样就可以将应用于时域仿真分析软件。此外,这就需要考虑相互耦合,频率相关和土壤电离。
在该论文中,不同接地阻力的影响,例如在防雷分析模型。传动系统建模在PSCAD / EMTP包括塔、绝缘子、输电线路和接地装置。至于接地装置,该方法在金鹏等人写的[31]是适应和嵌入PSCAD / EMTP的瞬态性能。闪电承受水平被选中作为分析指标,而且几种典型情况下不同的电压水平和不同土壤电阻率都考虑到了。
2 传输系统的结构和参数
2.1 塔
输电杆塔仿真配置是图1中所示。它由一个和两个屏蔽线水平间距2d1的单电路三相线构成。唯一的横臂的垂直间距地贴上和指地面线和横臂的垂直距离为h1,h2。基于三相导体连接底部的绝缘子串与Lin的距离为长度,而相邻的绝缘子的间距是标为d2。此外,Rim表示等效接地装置的接地电阻。在仿真中,三塔在每一侧的塔被考虑到,然后是输电线路和屏蔽电线被无限超出三塔的长导线代替。
表1给出了设计为110，220，500年和1000千伏输电线路的典型塔。
2.2 绝缘子
闪电承受水平与绝缘子的结构高度相关。对不同的电压水平,绝缘子适用于不同长度。表2显示了四种典型的绝缘子参数电压水平。
2.3 输电线路
模拟传输系统包括七座塔和八段传输线。两个终端部分都是有着100公里这样相对较大的长度的,而其他6个长度为400米。闪电击中位于中间位置的第四塔。输电线路的空间分布是根据塔结构而定的。表3中列出的典型类型,是由IEC技术委员会[32]详细介绍的。
2.4 接地装置
塔下的接地装置结构通常被设计为如图2中所示。在仿真中,交叉水平导体直径12毫米的钢被埋在土壤的深度1米,边长的平方是10 m。水平电极的长度l是对应土壤电阻率rho;,从而做成一个合适的接地电阻。
表4列出了接地装置参数的土壤电阻率分别为500,1000，2000和3000Omega;.m。当计算接地电阻RCR冲动时,临界击穿电场应选择180千伏/米,波形的峰值脉冲电流选择为2.6/50秒和30KA。
3 接地阻抗模型对闪电承受水平的影响
3.1 在相同的土壤电阻率中的结果
土壤电阻率极大地影响接地装置的设计。以500米的情况为例,如图3所示。它可以直观地得出结论,闪电承受水平更高的电压水平更大。这是因为绝缘子的长度变大使得过电压水平更大。
至于接地电阻的影响模型,可以看出结果基于SDR模型比基于RTDR模型更大，最后结果是基于CR模型是最小的。这条规则同样适用于其他土壤电阻率的条件下,如从图4 - 6所示
3.2 相同的电压水平下的结果
塔主要取决于电压水平的结构。以110千伏的情况为例,如图7所示。可以看出,闪电承受水平会降低土壤电阻率的增加。这是因为的电阻接地装置在土壤电阻率中变大。
在本节中, 影响接地电阻模型得到的相同的结论，就在最后一部分:结果基于SDR模型比基于RTDR模型大，但结果基于CR模型是最小的。其他条件土壤电阻率的结果已经从图8 - 10所示一样，遵守同样的规律。
4 接地阻抗模型的详细分析
最后部分的仿真结果表明,该接地阻抗模型极大地影响闪电承受水平条件。这一部分将详细比较和分析。
首先,CR模型被应用于防雷分析是不合理的。这是因为CR模型的分配值与接地装置的脉冲电流注入密切相关,之前不能确定知道闪电承受水平。在这边文章中，CR模型估计假设的值的峰值脉冲电流等于30卡。事实上,这些指定的值导致误差偏大,这在上面所示的结果都能看到。
至于SDR模型和RTDR模型,这两个模型的值取决于脉冲电流在每个时间的步长,因此他们更适合应用在防雷分析。基于这两个模型结果总结在表5。可以看出,平均相对误差为10%,最大的是20%。
接下来,将SDR模型和RTDR模型。在110 kV和3000Omega;m的条件下,详细比较两个模型能得出动态电阻的相位、接地电位上升以及绝缘子电压。例如
4.1 比较动态电阻
两个模型的动态电阻曲线见图11。对雷电流峰值20、40和60 kA来说,两个模型的曲线显示完全不同的趋势。在波前阶段,SDR模型考虑土壤电离效应,然而RTDR模型上升是由于强烈的诱导效应。波尾阶段,SDR模型逐渐恢复,然而RTDR模型继续下行。事实上,RTDR模型随着时间的推移也会恢复,这在图中没有显示出来。
简而言之,SDR模型忽略了诱导效应且低估了土壤电离效应。RTDR模型被认为用来描述暂态接地装置的性能更好。
4.2 接地电位的上升和绝缘子电压的比较
地面电位上升和绝缘子电压直接确定闪电承受水平。地面电位上升的曲线和绝缘子电压是由图12和13所示。可以看出基于SDR的曲线模型位于那些基于RTDR模型的下面。这主要是受接地阻抗模型的影响。
5 结论
防雷接地阻抗模型的影响传动系统的分析研究。SDR模型,CR模型和RTDR模型应用于PSCAD / EMTP的传输系统。闪电承受水平作为指标,同时考虑几种典型情况下不同土壤电阻率和不同电压水平。此外,这些模型在比较和分析动态电阻的相位,接地电位上升以及绝缘子电压。
首先,不同的接地阻抗模型导致不同的模拟闪电承受的水平。结果基于SDR模型比基于RTDR模型大，而且基于CR模型是最小的。
此外,不同的接地阻抗模型有不同的特点。CR模型被应用于防雷分析不合理是因为分配的值是不确定的。SDR模型和RTDR模型生成不同的动态电阻曲线,从而导致不同的地面电位和绝缘子电压上升。SDR与RTDR模型相比,他忽略了诱导效应以及低估了土壤电离效应。RTDR模型被认为在描述暂态接地装置的性能方面更好。
鸣谢单位：这项工作是由中国国家自然科学基金支持的(No.51277107)。
参考文献：
[1] IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronics Terms, IEEE Std. 100-1992, Jan. 1993.
[2] D. Rondon, M. Vargas, J. Herrera, J. Montana, H. Torres, M. Camargo, D. Jimenez,A. Delgadillo, Influence of grounding system modeling on transient analysis of transmission lines due to direct lightning strike, in: Power Tech 2005, StPetersburg, Russia, June, 2005.
[3] IEEE Fast Front Transients Task Force of Working Group in Modeling, Analysis of System Transients, Modeling guidelines for fast front transients, IEEE Trans.PWRD 11 (January (1)) (1996) 493–506.
[4] H. Jinliang, Z. Rong, B. Zhang, Methodology and Technology for Power System Grounding, Wiley, 2012.
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