CN102944771A - 一种大型地网的交直流和冲击特性模拟试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置和方法，主要包括矩形模拟槽，等值缩小的接地网模型，交、直流试验电源，冲击电流发生器及精确定位系统，其特征在于：矩形模拟槽的槽内四壁和底部敷设有金属网格，构成网状回流电极，槽中注入液态介质；接地网模型根据实验目的和内容进行设计制作；精确定位系统由电控移动行车和全站仪组成；通过电控移动行车和全站仪协调工作，便于对矩形模拟槽内的任意点电位进行定点测量。本发明可以满足大型接地网直流、工频、冲击接地特性的试验研究，也可以扩展应用于交直流系统对水生物和金属管道等的影响及腐蚀特性的试验研究等领域，具有操作简单，电源容量大，经久耐用，改装灵活多样等优点。

Description

一种大型地网的交直流和冲击特性模拟试验装置和方法

技术领域

本发明涉及高压试验技术领域，具体地说涉及到变电站或发电厂等输变电设备接地网的交直流模拟试验方法和冲击特性模拟试验装置及方法。

背景技术

变电站（发电厂）接地网作为变电站（发电厂）交、直流设备接地以及防雷保护接地，对电力系统的安全稳定运行起着重要作用。当工频短路时，故障电流会经接地网泄放，当变电站内及附近发生雷击等事故时，变电站接地系统可能注入高频大冲击电流，此时，接地网不同点电位不同，可能产生高电位差危害站内工作人员的人身及设备的安全，以及连接电缆烧毁和二次设备故障。随着电力系统电压等级的升高及容量的增加，故障电流增大，接地网面积扩大，电位分布不均匀度增加，再加上各种微机设备的普遍应用，对接地网和接地布点的要求越来越高。因而在设计时科学地选择接地网型式，准确评估接地性能，从而构造一个合格的接地网是至关重要的。

目前，研究和评估接地网接地性能的方法主要有三种：现场实测，数值计算，模拟试验。现场实测需要在接地网建设完成后进行，不能在设计阶段采用。数值计算的算法具有一定的假设、简化及近似，其准确性和适用性有待进一步提高；特别是冲击特性研究方面，对火花放电特性认识不清晰，对放电区域的简化处理和冲击散流特性规律的人为假设等都缺乏试验依据。模拟试验克服了其他两种方法的缺点，只需进行一定的投资来建设模拟试验设备，之后就能长期使用，对于改变接地网模型拓扑结构也十分方便，因而接地模拟技术一直是接地设计的一个有效手段。

目前的模拟试验法一般是用半球形模拟槽，即在地下挖一个半球形接地池，填充土壤或细沙模拟不同的土壤电阻率，不便于观测火花放电现象；模拟槽半径一般小于3m，模拟接地网对角线长度不超过1.5m，由于实际操作可行性使模拟比例尺又不能太大，因此这种模拟槽不能模拟较大尺寸的接地网。中国发明专利“接地模拟试验方法”（申请号：201210117351.1）提出了一种内置透明液体的透明容器作为模拟试验装置，在其底部装设可移动滑轮，此模拟系统解决了火花放电观测等问题，但其对透明容器材料要求较高，容积不能做得太大，相应的也只能模拟小型地网。国内外大型地网的接地特性试验研究均十分缺乏。

有鉴于此，本发明提供一种大型地网的交直流和冲击特性模拟试验装置和方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术提出的问题，提供一种大型地网的交直流和冲击特性模拟试验装置和方法，该装置及方法操作方便，能有效反映不同接地型式与不同土壤电阻率情况下接地网各点的电位和电流分布，能方便观测火花放电，能对包括特高压交直流变电站类似的大型地网在内的各种规模的接地网的交直流和冲击特性进行模拟。

本发明的技术方案是：一种大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，主要包括矩形模拟槽，等值缩小的接地网模型，交、直流试验电源，冲击电流发生器及精确定位系统，其特征在于：

矩形模拟槽的槽内四壁和底部敷设有金属网格，构成网状回流电极，槽中注入液态介质，通过调整矩形模拟槽中液态介质的电阻率或改用不同的介质来模拟土壤电阻率的变化，通过改变网状回流电极的金属网格的稀疏程度来实现在均匀媒质中模拟多层媒质中接地网的电场分布；

接地网模型根据实验目的和内容进行设计制作，通过改变接地网模型的尺寸和型式来模拟不同规模、不同型式的接地网，通过外加工频、直流和冲击试验电压，模拟不同接地网或不同土壤电阻率下流过工频、直流和雷电冲击电流的电位分布和电流分布；

精确定位系统由电控移动行车和全站仪组成；矩形模拟槽的两个长边铺设有电控移动行车的轨道，在轨道之上安装有电控移动行车的主梁，主梁可沿着轨道移动，在主梁下方安装有电控移动行车的小车，小车可沿着主梁移动，小车上可承载两名人员进行试验操作，通过电控移动行车的控制系统的遥控器可控制主梁和小车的移动，小车可移动至矩形槽内任意位置；在小车上设置了可上下移动的滑杆，在滑杆下端布置了探针，全站仪可识别探针的坐标点，全站仪测量精度1mm；通过电控移动行车和全站仪协调工作，便于对矩形模拟槽内的任意点电位进行定点测量。

如上所述的大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，其特征在于：矩形模拟槽长宽高分别为30m、27m、2.6m，位于地面以下部分高1.5m，位于地面以上部分高1.1m，由混凝土浇筑而成，底部和四壁采用防渗水处理，四壁厚度为0.5m，四壁的顶部采用钢筋混凝土现浇宽度为1.0m的人行过道，便于试验人员的操作。

如上所述的大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，其特征在于：矩形模拟槽的四个内壁和底部敷设的金属网格，为防腐和保证通流能力，选用方铜和裸铜线作为回流电极的主材，回流电极的型式和结构能够根据不同的试验要求进行变更和重组。

如上所述的大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，其特征在于：在矩形模拟槽的一角装设了进水管和出水管，配置了相应的阀门，便于随时向槽内注入自来水和泄放出槽内液体，在槽内四角设置了数据色彩清晰的标尺，便于随时掌握槽内液体深度，液体为透明状时，后期可配置摄像机进行火花放电直接观测。

如上所述的大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，其特征在于：在矩形模拟槽中心放置了绝缘支撑骨架，材料为环氧树脂，形状为圆管式，接地网模型置于其上，两者均容易移动，便于灵活调整接地网模型的放置位置。

如上所述的大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，其特征在于：交、直流试验电源输出电压可调范围6V～800V，在负载较小的情况下可输出的电流达300A，冲击电流发生器有小容量和大容量的两套，小容量冲击电流发生器为60kV/10kJ一台，大容量的冲击电流发生器为1000kV/180kJ四台，可根据实验需求灵活提供各种波形的电压、电流源。

如上所述的大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，其特征在于：在矩形模拟槽四个角的节点处牵引出四根同样长度的回流引线至电源接地端子排，导线经穿管后布置在水泥台面下端，防止互相干扰以及风吹日晒引起老化，接头采用螺栓方式，便于灵活改装。

本发明还提供一种大型地网交直流和冲击特性模拟试验方法，采用如上所述的装置，其特征在于，试验方法步骤如下：

1）根据试验目的研究试验方案，制作接地网模型，提出施加电压、电流大小，需要观测的参量，以及要观测的路径和观测点间距；

2）布线和仪器仪表接入，将电源两端分别接在接地网电流注入点和回流极连接的接地端子排上，将与探针连接的电位线和回流极引线接在电压表的两端测量地表相对回流极点的电位，也可将一铁钎接地棒嵌入矩形模拟槽附近的地下，将与该接地极相连接的导线作为电压表的参考电位接口，测量地表相对无穷远处零电位点的电位，注入电流可以直接通过交直流电源控制系统读取，若需要测量其他回路的电流，可以将电流表串联接入相应的回路或采用电流互感器和万用表组合的方式测量；

3）试验前基本参数测量，测量模拟槽内液体电阻率，利用全站仪确定电流注入点坐标作为基准点，各试验人员之间采用无线对讲机联系；

5）启动交直流电源，控制交直流电源升压至需要的电压、电流水平；

6）利用电控移动行车的遥控器控制小车沿着设计的观测线对各观测点进行依次测量和记录；

7）分析试验数据，绘制地表电位分布曲线。

本发明的有益效果是：本发明在满足小型接地网接地模拟试验的基础上，可以进一步满足大型接地网直流、工频、冲击接地特性的试验研究，也可以扩展应用于交直流系统对水生物和金属管道等的影响及腐蚀特性的试验研究等领域，具有操作简单，电源容量大，回流电极布置型式新颖，电位探针定位准确，经久耐用，改装灵活多样等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的工频接地模拟试验接线示意图。

图2为矩形模拟槽回流电极设计图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

本发明提出的一种大型地网的交直流和冲击特性模拟试验方法和装置，其工频接地模拟试验接线示意图如图1所示。为获得接地网工频注入电流下的地表电位分布，试验基本步骤如下：1）根据试验目的研究试验方案，制作接地网模型，提出施加电压、电流大小，需要观测的参量，以及要观测的路径和观测点间距；2）布线和仪器仪表接入，将电源两端分别接在接地网电流注入点和回流极连接的接地端子排上，将与探针连接的电位线和回流极引线接在电压表的两端测量地表相对回流极点的电位，也可将一铁钎接地棒嵌入模拟槽附近的地下，将与该接地极相连接的导线作为电压表的参考电位接口，测量地表相对无穷远处零电位点的电位，注入电流可以直接通过交直流电源控制系统读取，若需要测量其他回路的电流，可以将电流表串联接入相应的回路或采用电流互感器和万用表组合的方式测量；3）试验前基本参数测量，测量模拟槽内液体电阻率，利用全站仪确定电流注入点坐标作为基准点，各试验人员之间采用无线对讲机联系；5）启动交直流电源，控制交直流电源升压至需要的电压、电流水平；6）利用电控移动行车的遥控器控制小车沿着设计的观测线对各观测点进行依次测量和记录；7）分析试验数据，绘制地表电位分布曲线。

基于模拟接地网中心与槽壁的距离大于五倍模拟地网对角线长度的基本要求，通过分析比较确定了矩形模拟槽的尺寸为30m×27m×2.6m。矩形模拟槽南北方向的边长为27m，东西方向的边长为30m，其总深度为2.6m，地上部分1.1m，地下部分1.5m，矩形槽的四壁和底部均采用钢筋混凝土现浇而成，并作防渗水处理，四壁厚度为0.5m，四壁的顶部采用钢筋混凝土现浇宽度为1.0m的人行过道，方便试验人员的操作。

在矩形模拟槽东西方向的两条边上装设了电控移动行车的轨道，电控移动行车的主梁架设在两个轨道上，电控移动行车的小车布置在主梁上。电控移动行车采用380V工频电源，进线位于矩形模拟槽的东南角，并通过轨道给行车及其控制箱提供电源，试验人员利用无线遥控器给控制箱中的继电器提供控制信号，从而控制主梁和小车的移动方向和移动距离。在小车上配置了可以上下滑动的滑杆，在滑杆下端配置了探针，用以测量不同深度不同位置测点的电位。

为配合电动移动行车对小车进行定位，配置了全站仪，放置在人行走道上，与小车上的探针位置相对，以探针位于模拟槽中心点时全站仪的位置和捕捉到的坐标为基准点，之后通过主梁和小车的移动带动探针移动，通过全站仪捕捉探针的坐标精确定点探针的位置。全站仪选用KTS-442R系列的免棱镜红书激光全站仪，其主要技术参数为：测角精度2’’，测距精度±(2mm+2ppm×D)，测程5km。

矩形模拟槽中的介质一般采用自来水，矩形模拟槽可容纳介质的体积为2106m³。在矩形模拟槽的东北角装设了进水管和出水管，配置了相应的阀门，便于随时向槽内注入自来水和泄放出槽内液体，在槽内四角设置了红蓝色相间的刻度标尺，可实时观测槽内液体深度，液体为透明状，后期可根据实验需求配置摄像机进行火花放电直观观测。

如图2所示，回流电极布置在矩形模拟槽的四个内壁和底部，回流电极布置成网状，由截面为14mm×14mm的方铜和截面为6mm²的裸铜线组成，图2中粗线代表方铜，细线代表裸铜，四壁上的网格大小为1.5m*0.6m，底部的网格大小为6m*5.4m，主框架由方铜构成，铜预埋件固定在矩形槽的内壁上，其上钻孔以连接方铜，裸铜线通过纵向方铜上均匀分布的铜螺杆和铜螺母连接在方铜上，底部裸铜线的互相交叉点也采用铜螺杆连接。

为满足在矩形模拟槽中开展各种接地试验的需求，还配备了动力配电柜、调压器、直流电源、工频交流电源、交直流电源中控台、小冲击电流发生器及其中控台、大冲击电流发生器及其中控台等用以输出交流、直流、冲击电源的试验电源设备。

箱式变压器将10kV电源降压至380V送入室内的动力配电柜，并接入三相感应调压器，试验人员在交直流电源中控台上控制三相感应式调压器升高或降低单相工频交流电源和直流电源的输出电压。三相感应调压器是单相工频交流电源和直流电源的共用电源，采用移圈式感应调压方式，型号为TSA-315，主要技术参数如下：额定容量315kVA，输入电压三相380V/50Hz，调压范围6～650V，电压分辨率3V。单相工频交流电源是一个三相变单相隔离变压器，为箱式结构，型号为ZSDG-250kVA，主要技术参数如下：额定容量250kVA，一次电压三相650V/50Hz，二次电压单相800V，二次电流300A；输出频率范围波动±1Hz；在正弦波纯电阻负载下，波形畸变率200V以上小于2%，100V～200V小于5%。直流试验电源由整流变压器、整流柜组成，整流变压器为箱式结构，型号为ZSGX-250kV/650V，主要技术参数如下：额定容量250kVA，一次电压三相650V/50Hz，二次电压三相650V，二次电流220A；整流柜也为箱式结构，型号为ZBF-300A/800V，额定交流输入电压三相650V/50Hz，额定直流输出电压800V，直流电流300A，直流输出波形近似为平滑直线，纹波电压小于1%。

小冲击电流发生器成套试验设备主要由以下几个部分组成：60kV/10kJ发生器本体、充电装置、测量线圈、残压分压器、调波组件、测控测量系统等。该套设备是多模块单元构成，移动组合方便；高压充电装置单独成套，可方便对不同的电容器组充电；本系统可以进行8/20μs、4/10μs雷电冲击电流等多种波形试验的要求。额定冲击电容量为4μF，两个电容器串联充电时产生4/10μs波形，并联充电时产生8/20μs波形。

大冲击电流发生器，在兼顾电容量和充电电压的情况下，选择MCF200-0.6绝缘桶式脉冲电容器，其额定充电电压为200kV，电容量为0.6μF。单台冲击电流发生器中由五级串联，每级由三台脉冲电容器并联组成，每级输出电压200kV，单台冲击电流发生器总电容量为0.36μF，额定输出电压可达1000kV，在负载4Ω时，可产生幅值25kA、波形为8μs/20μs的标准冲击电流波形。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，主要包括矩形模拟槽，等值缩小的接地网模型，交、直流试验电源，冲击电流发生器及精确定位系统，其特征在于：

矩形模拟槽的槽内四壁和底部敷设有金属网格，构成网状回流电极，槽中注入液态介质，通过调整矩形模拟槽中液态介质的电阻率或改用不同的介质来模拟土壤电阻率的变化，通过改变网状回流电极的金属网格的稀疏程度来实现在均匀媒质中模拟多层媒质中接地网的电场分布；

接地网模型根据实验目的和内容进行设计制作，通过改变接地网模型的尺寸和型式来模拟不同规模、不同型式的接地网，通过外加工频、直流和冲击试验电压，模拟不同接地网或不同土壤电阻率下流过工频、直流和雷电冲击电流的电位分布和电流分布；

精确定位系统由电控移动行车和全站仪组成；矩形模拟槽的两个长边铺设有电控移动行车的轨道，在轨道之上安装有电控移动行车的主梁，主梁可沿着轨道移动，在主梁下方安装有电控移动行车的小车，小车可沿着主梁移动，小车上可承载两名人员进行试验操作，通过电控移动行车的控制系统的遥控器可控制主梁和小车的移动，小车可移动至矩形槽内任意位置；在小车上设置了可上下移动的滑杆，在滑杆下端布置了探针，全站仪可识别探针的坐标点，全站仪测量精度1mm；通过电控移动行车和全站仪协调工作，便于对矩形模拟槽内的任意点电位进行定点测量。

2.根据权利要求1所述的大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，其特征在于：矩形模拟槽长宽高分别为30m、27m、2.6m，位于地面以下部分高1.5m，位于地面以上部分高1.1m，由混凝土浇筑而成，底部和四壁采用防渗水处理，四壁厚度为0.5m，四壁的顶部采用钢筋混凝土现浇宽度为1.0m的人行过道，便于试验人员的操作。

3.根据权利要求1所述的大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，其特征在于：矩形模拟槽的四个内壁和底部敷设的金属网格，为防腐和保证通流能力，选用方铜和裸铜线作为回流电极的主材，回流电极的型式和结构能够根据不同的试验要求进行变更和重组。

4.根据权利要求1所述的大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，其特征在于：在矩形模拟槽的一角装设了进水管和出水管，配置了相应的阀门，便于随时向槽内注入自来水和泄放出槽内液体，在槽内四角设置了数据色彩清晰的标尺，便于随时掌握槽内液体深度，液体为透明状时，后期可配置摄像机进行火花放电直接观测。

5.根据权利要求1所述的大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，其特征在于：在矩形模拟槽中心放置了绝缘支撑骨架，材料为环氧树脂，形状为圆管式，接地网模型置于其上，两者均容易移动，便于灵活调整接地网模型的放置位置。

6.根据权利要求1所述的大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，其特征在于：交、直流试验电源输出电压可调范围6V～800V，在负载较小的情况下可输出的电流达300A，冲击电流发生器有小容量和大容量的两套，小容量冲击电流发生器为60kV/10kJ一台，大容量的冲击电流发生器为1000kV/180kJ四台，可根据实验需求灵活提供各种波形的电压、电流源。

7.根据权利要求1所述的大型地网交直流和冲击特性模拟试验装置，其特征在于：在矩形模拟槽四个角的节点处牵引出四根同样长度的回流引线至电源接地端子排，导线经穿管后布置在水泥台面下端，防止互相干扰以及风吹日晒引起老化，接头采用螺栓方式，便于灵活改装。

8.一种大型地网交直流和冲击特性模拟试验方法，采用权利要求1所述的装置，其特征在于，试验方法步骤如下：

1）根据试验目的研究试验方案，制作接地网模型，提出施加电压、电流大小，需要观测的参量，以及要观测的路径和观测点间距；

2）布线和仪器仪表接入，将电源两端分别接在接地网电流注入点和回流极连接的接地端子排上，将与探针连接的电位线和回流极引线接在电压表的两端测量地表相对回流极点的电位，也可将一铁钎接地棒嵌入矩形模拟槽附近的地下，将与该接地极相连接的导线作为电压表的参考电位接口，测量地表相对无穷远处零电位点的电位，注入电流可以直接通过交直流电源控制系统读取，若需要测量其他回路的电流，可以将电流表串联接入相应的回路或采用电流互感器和万用表组合的方式测量；

3）试验前基本参数测量，测量模拟槽内液体电阻率，利用全站仪确定电流注入点坐标作为基准点，各试验人员之间采用无线对讲机联系；

5）启动交直流电源，控制交直流电源升压至需要的电压、电流水平；

6）利用电控移动行车的遥控器控制小车沿着设计的观测线对各观测点进行依次测量和记录；

7）分析试验数据，绘制地表电位分布曲线。

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