CN103810323A - 一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，所述方法包括以下步骤：建立变电站主接线图模型；确定所述变电站出线杆塔的雷电作用下的入地电流；建立变电站接地网模型；确定所述接地网模型各个频率每个节点的电位；确定所述接地网模型任意两个节点的电位差。该方法为变电站通信设备间电缆接地方式设计提供依据和通信设备设计保护措施提供理论依据。

Description

一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法

技术领域：

本发明涉及一种评估电位升的方法，更具体涉及一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法。 

背景技术：

变电站和换流站的接地网上连接着全站的高低压电气设备的接地线、低压用电系统接地、电缆屏蔽接地、通信、计算机监控系统设备接地，以及维护检修时的临时接地体。 

当发生接地故障时，由于接地网的地电位升向通信与信号线路、低压中性线、电缆线路等导电体转移时，将导致非常高的电位差，可能对上述设备与设施产生严重的危险。这种地位差可能达到短路时的总电位升，称为转移电位。在高土壤电阻率地区，接地网的接地电阻一般很难降低，因此在发生接地短路故障时，接地网的电位可以升得很高，以标准规定的5Ω为例，只要经接地网入地的短路电流达到2000A，接地网电位就会升到10kV，大大超过标准规定的安全电压2kV。接地网的均压措施只能解决跨步电压和部分解决接触电压问题，要保证设备和人身的安全还必须解决高电位引入接地网造成的转移电位问题。 

从外部进入电站的地下或架空电缆，或从与电站隔离的变电站进入电站的通信系统和控制电缆，在输电线路接地故障、雷击或操作冲击作用时，应防止高压对其产生危害。对于通信线路来说，线路设计应包括保护工作人员和通信终端设备安全的保护装置、隔离变压器和中和变压器。目前，通信线 路及外联的控制线路一般采用光缆，这个问题可不考虑。但在变电站内非光缆的通信线路，如E1线（E1线是75欧阻抗同轴电缆，一般称呼为2M线或是E1线，是设备之间的2M连接线。一般情况是SDH和SHD\BTS和BTS\BTS和SHD\SHD和BSC等，只要是需要2M电路落地或是极连到其他设备一般都用E1线），应考虑此类电缆在变电站在雷击、短路故障情况下，电缆两端接地体间存在的电位升数值，进而评估电位差对通信质量及通信设备安全造成的危害。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，该方法为变电站通信设备间电缆接地方式设计提供依据和通信设备设计保护措施提供理论依据。 

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，包括以下步骤： 

（1）建立变电站主接线图模型； 

（2）确定所述变电站出线杆塔的雷电作用下的入地电流； 

（3）建立变电站接地网模型； 

（4）确定所述接地网模型各个频率每个节点的电位； 

（5）确定所述接地网模型任意两个节点的电位差。 

本发明提供的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，所述步骤（1）中的主接线图模型根据变电站一次系统结构图建立，并确定所述结构图中的各种元件模型以及线路长度参数。 

本发明提供的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，所述步骤（2）通过分布参数处理所述出线杆塔，并通过贝热龙方法确定所述波过程。 

本发明提供的另一优选的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，所述分布参数处理为所述出线杆塔根据部位不同取不同的波阻抗；在雷电流作用下，接地装置的接地电阻呈现暂态电阻的特性，用冲击接地电阻来表征；在确定所述入地电流时，所述出现杆塔的冲击接地电阻取为在10～30Ω。 

本发明提供的再一优选的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，影响所述雷电流的参数包括主放电通道波阻抗、雷电流幅值概率分布、雷电流波形、雷电流陡度概率分布和雷电极性。 

本发明提供的又一优选的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，通过确定所述步骤（2）中入地电流的频率成分、所述步骤（3）中的接地网模型的土壤结构、地下敷设的金属装置参数、注入电流的幅值、注入电流的波形和电流注入点的位置确定所述步骤（4）中的接地网模型各个频率每个节点的电位。 

本发明提供的又一优选的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，将所述电位与所述入地电流进行卷积计算，确定时域中各节点电位。 

本发明提供的又一优选的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，所述步骤（5）中的电位差为将任意两点时域中的节点电位求差值。 

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果 

1、本发明中利用仿真计算的方法判断变电站通信设备接地体间在故障引起的地电位升高情况，进而为通信设备间电缆接地方式设计提供依据； 

2、本发明中为通信设备设计保护措施提供理论依据； 

3、本发明中同时也为变电站地网改造提供理论依据； 

4、本发明的方法可模拟变电站雷击情况下的入地电流造成的地电位升高，为这种现实中不易测量的情况提供理论依据； 

5、本发明中的方法可推广至变电站其它电缆连接的设备间数据受地电位升的影响计算。 

附图说明

图1为本发明方法流程图； 

图2为本发明的变电站主接线图； 

图3为本发明的雷击出线杆塔示意图； 

图4为本发明的入地电流波形示意图； 

图5为本发明的变电站主接地网模型示意图； 

图6为本发明的气体绝缘变电站采取的元件模型图。 

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。 

实施例1： 

如图1-6所示，本例的发明的评估方法利用ATPDRAW软件搭建变电站的主接线图模型，可选择不同运行方式、不同的雷击点进行仿真计算。如图2所示，某电站主接线图。为了便于计算分析，其中，变压器分别用T1表示；电抗器用RT表示；电容式电压互感器分别用CVT1，CVT2，CVT3表示；断路器分别用CB11-CB13，第一个数字表示第几串，隔离开关编号与此类似；避雷器编号与其保护的主设备相对应。 

输电线路的模型有连续换位(Clarke)和不换位线路(KCLee)模型，等值电路模型包括Bergeron型、RLPI型、RL耦合型、RL对称型等，输入数据产生的频率特性线路模型有：JMARTI模型、SEMLYEN模型和NODA模型等，应该根据计算精度的需要选择不同的输电线路模型。 

对变电站外的输电线路采用五线JMARTI频率特性架空线模型，即三条导线和两条地线的模型。此种架空线的模型直接计算了地线与导线之间的耦合系数，所以在计算过程中就不必再考虑被击避雷线与已闪络导线对未闪络导线的耦合电压，这样就方便了计算，提高了计算的精度。 

本实施例采用分布参数来处理出现杆塔，用贝热龙（Bergeron）方法直接求解其波过程，分布参数是在杆塔的不同部位取不同的波阻抗。在雷电流作用下，接地装置的接地电阻呈现暂态电阻的特性，一般用冲击接地电阻来表征。在计算中，一般杆塔的冲击接地电阻取为10Ω，而对于山区，特别是岩石地区的杆塔的冲击接地电阻要高得多。为了研究杆塔冲击接地电阻的影响，在计算时冲击接地电阻在10～30Ω的范围变化。 

气体绝缘变电站采取的元件模型如图6所示。 

雷电参数及雷击点 

雷电参数是描述雷云放电的一系列特征量；包括主放电通道波阻抗、雷电流幅值概率分布、雷电流波形、雷电流陡度概率分布、雷电极性等。 

(1)主放电通道波阻；从工程实用角度和地面感受的实际效果出发，先导通道可近似为由电感和电容组成的均匀参数的导电通道，其波阻抗为 

$Z=\sqrt{\frac{L_0}{C_0}}\mathrm{\Ω}---\left(1\right)$

L₀为雷电通道单位长度的电感，H/m；C₀雷电通道单位长度的电电容，F/m。根据相关研究结果表明，主放电通道波阻与主放电通道雷电流有关，雷电流愈大，其值愈小。一般Z＝300～3000Ω，主放电通道即是沿着波阻抗为Z的先导通道传播。 

(2)雷电流幅值概率分布；某一次雷击的电流幅值时随机的，对大量实测的雷电流幅值进行统计分析，可得其概率分布曲线。不同国家和地区的雷电流幅值的概率分布不同，这主要与该地区的纬度、地形、地貌、气象和雷暴强度有 关。根据我国现行电力技术标准中DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》，我国除陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部分地区，雷电流幅值超过I与概率可由下式求得： 

$\mathrm{lgP}=-\frac{1}{88}I---\left(2\right)$

式中，P为雷电流幅值超过I（kA）的概率。 

(3)雷电流波形；虽然雷电流的幅值、波头、陡度和波长等参数都在很大的范围内变化，但雷电流的波形却都是非周期性冲击波。在防雷计算中，可按不同的要求，采用不同的计算波形。经过简化和典型化后可得出如下几种常用的计算波形有双指数波、斜角波、斜角平顶波、半余弦波等。 

(4)雷电流陡度概率分布；雷电流的陡度和其波头有很大关系，综合各国的观测结果，约85％的雷电流波头长度在1～5μs之内，平均约为2.5μs，我国工程推荐用2.6μs。雷电流波长在20～100μs之内，平均约为50μs。 

(5)雷电流电极性；当雷云电荷为正时，所发生的雷云放电为正极性放电，雷电流极性为正；反之，雷电流极性为负。实际统计资料表明，不同的地形地貌，雷电流正负极性比例不同，但负极性所占比例在75％～90％之间。 

如取累计概率为0.32％的雷电流，则可根据（2）式，可得其最大电流幅值为240kA，主放电通道波阻抗取为400Ω，雷电流的波头及其波长为2.6/50μs。 

变电站的雷电侵入波有两种方式：绕击和反击。对于沿全线装设避雷线的线路来说，距离变电站2km内的线路称为进线段。线路其余长度的避雷线是为线路防雷用的，而这2km进线段的避雷线除为了线路防雷，还担负着避免或减少变电站雷电侵入波事故的作用，有着重要作用。对反击而言又可分为近区雷击和远区雷击：离变电站2km及以外的为远区雷击，2km以内的为近区雷击。 

随着雷击出线杆塔据变电站距离的增长，其主要设备过电压总体呈降低趋势，这是由于各个出线杆塔均对雷电流有分流作用，雷击出线杆塔距变电站越远，参与分流的杆塔数量越多，流入变电站的雷电流越小。本实施例是在雷击1号出线杆塔时仿真得到避雷器处的入地电流波形的情况，雷击1号出线塔的情况下变压器等主要设备的过电压整体情况下最为严重。 

基于CDEGS软件的地电位升仿真分析 

所述CDEGS软件包括RESAP、MALT、MAIZ、SPLITS、TRALIN、HIFREQ、FCDIST、FFTSES共计8个功能模块。本发明主要通过MALZ模块对接地网进行分析计算。 

MALZ的主要功能即高频条件下的接地计算和分析。通过对接地网的频域特性分析得到：空间电磁场分布、导体与土壤电位分布、导体中的电流分布。适合于分析那些与较大导体网络相邻的且有外护层的管道之间的相互作用,此时整个导体网络不能简单地看作是等电位。还可以用于分析接地网络的频率响应特性以及导体的阴极保护研究。 

在MALZ系统设置模块的主接地导体表中创建主接地网模型，该接地网共有490个镀锌扁钢埋于地下0.8m处，125根接地桩由主接地网深入地下3.8m。 

MALZ的输入数据包括：土壤结构；接地极和其它地下敷设的金属装置的尺寸（圆柱体或等效圆柱体）、位置，以及护层的尺寸和电阻率；注入电流的幅值、波形（频率、相位），以及电流注入点的位置。如，假设入地电流幅值为1A，频率为0、1Hz、10Hz……。仿真得到每个频点处每个节点处的电位。 

再将这一结果与ATPDRAW仿真出的入地电流进行卷积计算，最终得到时域时各节点电位，取需要观察的两点电位求差，即可得到通信设备接地体间 的地电位升数值。 

最后应该说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。 

Claims (8)

1.一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（1）建立变电站主接线图模型；

（2）确定所述变电站出线杆塔的雷电作用下的入地电流；

（3）建立变电站接地网模型；

（4）确定所述接地网模型各个频率每个节点的电位；

（5）确定所述接地网模型任意两个节点的电位差。

2.如权利要求1所述的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的主接线图模型根据变电站一次系统结构图建立，并确定所述结构图中的各种元件模型以及线路长度参数。

3.如权利要求1所述的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，其特征在于：所述步骤（2）通过分布参数处理所述出线杆塔，并通过贝热龙方法确定所述波过程。

4.如权利要求3所述的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，其特征在于：所述出线杆塔根据部位不同取不同的波阻抗；在雷电流作用下，接地装置的接地电阻呈现暂态电阻的特性，用冲击接地电阻来表征；在确定所述入地电流时，所述出现杆塔的冲击接地电阻取为在10～30Ω。

5.如权利要求4所述的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，其特征在于：影响所述雷电流的参数包括主放电通道波阻抗、雷电流幅值概率分布、雷电流波形、雷电流陡度概率分布和雷电极性。

6.如权利要求5所述的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，其特征在于：通过确定所述步骤（2）中入地电流的频率成分、所述步骤（3）中的接地网模型的土壤结构、地下敷设的金属装置参数、注入电流的幅值、注入电流的波形和电流注入点的位置确定所述步骤（4）中的接地网模型各个频率每个节点的电位。

7.如权利要求6所述的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，其特征在于：将所述电位与所述入地电流进行卷积计算，确定时域中各节点电位。

8.如权利要求7所述的一种评估变电站通信设备接地体电位升的方法，其特征在于：所述步骤（5）中的电位差为将任意两点时域中的节点电位求差值。

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