CN110895300A - 一种输电线路杆塔石墨接地装置的防雷性能分析方法 - Google Patents

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张德广
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姜克儒
葛成
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朱晓峰
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徐文卿
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Abstract

本发明涉及一种输电线路杆塔石墨接地装置的防雷性能分析方法，包括如下步骤：(1)根据输电线路的接地数据，分析杆塔接地装置结构，将圆钢接地材料换成石墨烯材料，运用CDEGS仿真软件的SESCAD模块建立地网模型；(2)将土壤模型带入，利用MALZ模块计算出工频接地电阻，并与原圆钢接地模型接地电阻进行比较，判断石墨接地装置接地电阻是否符合标准；(3)针对雷击塔顶的方式，采用ATP‑EMTP软件仿真建立线路和杆塔模型，分析采用石墨接地情况下对耐雷水平的影响；(4)根据需要多次修改雷电流幅值，多次仿真计算，直至求得耐雷水平。通过本发明所述的方法可有效降低接地电阻，耐雷水平得到提高，为石墨烯接地装置设计及推广应用提供依据。

Description

一种输电线路杆塔石墨接地装置的防雷性能分析方法
技术领域
本发明涉及输电线路杆塔接地装置防雷技术领域，具体涉及一种输电线路杆塔石墨接地装置的防雷性能分析方法。
背景技术
我国输电线路以架空线路为主，杆塔支撑架空输电线路导线和地线。接地装置是杆塔的重要组成部分。接地装置在杆塔受到雷击时，确保雷电流泄入大地。可以说，接地是防雷的基础。没有接地，将无法迅速泄流放电，系统将受到破坏甚至瘫痪。
目前，我国接地装置采用钢、铜等金属材料铺设成水平或垂直接地极。由于钢耐腐蚀性能较差，需要定期更新改造，变相增加了接地装置的成本。铜为接地材料耐腐性高于钢，但是铜的成本较高，而且易发生偷盗现象。石墨是碳的一种。石墨来源广泛，价格优势明显。石墨烯特殊的结构使得其力学、电学和导热性等方面比传统金属材料性能优异。
我国输电线路多采取输电线路杆塔进行电力运输，部分地区雷电活动较多，输电线路杆塔高，易受到雷电冲击。我国高压线路运行事故统计表明，由雷击引起的高压线路跳闸占40％-70％，雷害是高压线路安全运行的主要威胁，因此研究输电杆塔的防雷性能对电网安全稳定运行有重要意义。近年来，石墨烯接地装置发展速度较快，在输电网络中得到了较大规模的应用，但主要应用的是石墨烯材料针对碱性土壤耐腐蚀性强的特点，其导电性尤其是冲击电流耐受特性等方面的研究还远远不足，基于不同大地电导率场景下的石墨烯接地装置的防雷特性研究还处于空白状态。因此，研究输电杆塔石墨烯接地装置电磁暂态特性及防雷性能对电网安全稳定运行有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种输电线路杆塔石墨接地装置的防雷性能分析方法，有效降低接地电阻，耐雷水平得到提高，为石墨烯接地装置设计及推广应用提供依据。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种输电线路杆塔石墨接地装置的防雷性能分析方法，包括以下步骤：
(1)根据输电线路的接地数据，分析杆塔接地装置结构，将圆钢接地材料换成石墨烯材料，运用CDEGS仿真软件的SESCAD模块建立地网模型；
(2)将土壤模型带入，利用MALZ模块计算出工频接地电阻，并与原圆钢接地模型接地电阻进行比较，判断石墨接地装置接地电阻是否符合标准；
(3)针对雷击塔顶的方式，采用ATP-EMTP软件仿真建立线路和杆塔模型，分析采用石墨接地情况下对耐雷水平的影响；
(4)根据需要多次修改雷电流幅值，多次仿真计算，直至求得耐雷水平。
所述步骤(4)，还包括：多次仿真计算中先选取一个反击耐雷水平计算区间，利用这个区间的中点进行试计算，若发生闪络，则说明耐雷水平在前半区间内，反之则在后半区间内；再利用该区间中点试计算，直至耐雷水平区间长度小于1kA。
由上述技术方案可知，本发明所述的输电线路杆塔石墨接地装置的防雷性能分析方法，利用ATP-EMTP暂态电磁软件求取220kV线路雷击杆塔的耐雷水平，采用石墨接地装置的耐雷水平为108.275kA，高于钢的103.353kA。输电线路杆塔采用石墨接地装置有效降低接地电阻，耐雷水平得到提高，防雷性能优于钢接地装置。
附图说明
图1是本发明的方框射线型接地装置图；
图2是本发明的TC接地装置示意图；
图3是本发明不同频率时三种接地材料的接地电阻；
图4是本发明雷电流波形图；
图5是本发明杆塔结构示意图；
图6是本发明ATP-EMTP杆塔仿真模型图；
图7是本发明绝缘子闪络模型图；
图8是本发仿真计算模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
本实施例的，输电线路杆塔石墨接地装置的防雷性能分析方法，具体包括如下步骤：
S1：根据输电线路的接地数据，分析杆塔接地装置结构，将圆钢接地材料换成石墨烯材料，运用CDEGS仿真软件的SESCAD模块建立接地装置的模型；
通过CDEGS软件建立输电线路杆塔接地装置的模型，例如：接地装置采用方框带水平延长线形式，其埋设深度为0.8米，方框边长10米，四角外延射线12米，土壤是单层均匀的，接地装置仿真图如图1所示。
S2：将土壤参数带入，利用CDEGS仿真软件的MALZ模块计算出工频接地电阻，并与原圆钢接地模型接地电阻进行比较，判断石墨接地装置接地电阻是否符合标准；
本实施例中土壤电阻率分别取10Ω·m，50Ω·m，100Ω·m，200Ω·m，400Ω·m，600Ω·m，800Ω·m时，计算铜、钢、石墨材料的工频接地电阻，并与国家规定值进行比较，计算结果如表1所示。
表1土壤电阻率对不同接地材料接地电阻的影响
Figure BDA0002231742340000031
可以得出，在相同土壤电阻率且钢、铜、石墨接地材料直径均为10mm时，铜和钢接地装置的接地电阻差别不是很大，铜比钢接地装置的接地电阻略小，石墨接地装置的接地电阻最大，这是由于石墨的电阻率较大引起的。
在相同直径的情况下，随着土壤电阻率的增大，石墨、铜和钢接地装置的工频接地电阻均增大；在相同土壤电阻率情况下，随着石墨直径的增加，接地电阻值降低，降低了由石墨接地材料自身电阻率较大而产生的影响。通过以上数据可以得出，直径28mm的石墨接地装置的工频接地电阻比钢、铜小，是铜接地装置的0.76左右，具有明显优势。
当接地装置采取TC5，TC10，TC15三种不同形式时，如图2、表2所示，计算分析采用三种不同材料的接地装置的接地电阻。TC接地形式的尺寸如表2所示。
TC5，TC10，TC15三种接地形式均采用直径10mm的圆钢作为接地材料，分析比较三种接地形式下直径10mm的钢与直径28mm的石墨接地材料的接地电阻，如表4所示。可见石墨的工频接地电阻符合要求，且石墨接地装置的接地电阻比钢接地装置的接地电阻小。
表2 TC接地形式尺寸
Figure BDA0002231742340000041
土壤电阻率为500Ω·m时，接地装置采用不同接地材料，不同接地形式的接地电阻值如表3所示。可以看出，随着接地面积的增大，铜、钢、石墨三种接地装置的工频接地电阻均逐渐减小。
表3 ρ＝500Ω·m时不同接地形式的工频接地电阻
Figure BDA0002231742340000042
在土壤电阻率为500Ω·m，TC5接地形式下，接地电阻随频率变化的特点，不同频率时三种接地材料的接地电阻如图3所示。随着频率的增大，三种材料的接地电阻值均变大，相同直径下的钢、铜、石墨接地材料，钢的接地电阻更大。在相同频率下，石墨直径大的接地电阻更小。随着频率增大，石墨接地装置的接地电阻上升的趋势小于钢和铜接地装置。
表4三种接地形式的接地电阻
Figure BDA0002231742340000043
S3：构建雷电流模型，采用ATP-EMTP软件仿真建立线路和杆塔模型，分析采用石墨接地情况下对耐雷水平的影响；
雷电流模型采用Heidler模型，具体如图4所示的雷电流波形，波形取2.6/50μs。杆塔采用Hara的多波阻抗杆塔模型，根据杆塔的结构尺寸，对杆塔不同的部位采用不同的波阻抗。将杆塔波阻抗分为主体、支柱和横担。
每层杆塔主体部分：
Figure BDA0002231742340000051
式中:rek＝21/8(rTk 1/3rB 2/3)(RTk 1/3RB 2/3)3/4，k＝1,2,3,4
每层支柱的波阻抗：
ZLK＝9ZTK
横担的波阻抗：
Figure BDA0002231742340000052
式中:zTk表示每层杆塔主体部分波阻抗，rek表示多导体系统等效半径，hk表示杆塔主体高度；rTk表示杆塔间竖直支柱的半径；rB表示杆塔底部支柱的半径；RTk表示杆塔主体水平支柱间的距离；RB表示杆塔底部支柱间的距离；rAk表示杆塔横担与塔柱连接处截面半径的一半，ZAk表示横担的波阻抗，ZLK表示每层支柱的波阻抗。
图5是本发明杆塔结构示意图；其杆塔波阻抗计算值如表5所示。
表5杆塔波阻抗值
k 1 2 3 4
主体Z<sub>Tk</sub>(Ω) 140.4156 129.1592 107.3324 91.1925
支柱Z<sub>Lk</sub>(Ω) 1263.74 1162.433 965.9916 820.7325
横担Z<sub>Ak</sub>(Ω) 476.2425 463.7841 412.9462 396.5264
图6是本发明ATP-EMTP杆塔仿真模型图，如图6所示，输电线路采用仿真软件中的JMARTI模型，考虑避雷线与导线之间的耦合作用，使计算结果更精确。在受雷击杆塔的两侧可以分别设置一条相同特性的长线路，以消除雷电从塔顶传播到两侧线路末端所产生的反射波对雷电过电压的影响。线路采用八线，即6条相导线，2条地线的双回输电线路。导线型号为2*LGJ-240/40，外径为21.66mm，二分裂导线垂直排列，两根子导线的分裂间距为400mm。地线型号为GJ-50，外径为9mm。绝缘子闪络模型用TACS可控开关和MODELS模块来模拟。
如图7所示，当绝缘子串两端电压高于绝缘子的U50％时，绝缘子闪络，绝缘子串形成通路，控制开关闭合。正常情况下，绝缘子串未闪络时，相当于开路，即可控开关处于断开状态。如对于220kV输电线路，计算中选取的雷电冲击闪络电压为1200kV，接地装置为矩形框加四角射线，接地材料分别用直径为10mm的钢和直径为28mm的石墨，矩形接地网长为12.5m，宽为9.5m，四角射线外延32m。接地装置埋深0.8m。采用石墨作为接地材料的接地电阻12.80Ω，采用圆钢作为接地材料的接地电阻13.58Ω。
S4：根据需要多次修改雷电流幅值，多次仿真计算，直至求得耐雷水平；多次仿真计算中先选取一个反击耐雷水平计算区间，利用这个区间的中点进行试计算，若发生闪络，则说明耐雷水平在前半区间内，反之则在后半区间内；再利用该区间中点试计算，直至耐雷水平区间长度小于1kA。
仿真建立模型如图8所示，通过TACS模块的输出来判断绝缘子是否发生闪络，若输出为0，则继续加大雷电流幅值，直至输出为1，即绝缘子发生闪络，此时的雷电流为绝缘子不致发生闪络的最大值，因此得到了雷击杆塔的线路耐雷水平。在接地电阻采用钢接地装置的电阻值时，雷电直击输电线路杆塔时，经过仿真计算，其耐雷水平为103.353kA。在接地电阻采用石墨接地装置的电阻值时，雷电直击输电线路杆塔时，经过仿真计算，其耐雷水平为108.275kA。采用石墨接地装置的线路反击耐雷水平高于采用钢接地装置。因此，采用石墨接地装置的防雷性能优于钢接地装置。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种输电线路杆塔石墨接地装置的防雷性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据输电线路的接地数据，分析杆塔接地装置结构，将圆钢接地材料换成石墨烯材料，运用CDEGS仿真软件的SESCAD模块建立地网模型；
(2)将土壤参数带入，利用CDEGS仿真软件的MALZ模块计算出工频接地电阻，并与原圆钢接地模型接地电阻进行比较，判断石墨接地装置接地电阻是否符合标准；
(3)构建雷电流模型，采用ATP-EMTP软件仿真建立线路和杆塔模型，分析采用石墨接地情况下对耐雷水平的影响；
(4)根据多次修改雷电流幅值及仿真计算，直至求得耐雷水平。
2.根据权利要求1所述的输电线路杆塔石墨接地装置的防雷性能分析方法，其特征在于：所述步骤(4)，还包括：仿真计算中先选取一个反击耐雷水平计算区间，利用这个区间的中点进行试计算，若发生闪络，则说明耐雷水平在前半区间内，反之则在后半区间内；再利用该区间中点试计算，直至耐雷水平区间长度小于1kA。
3.根据权利要求1所述的输电线路杆塔石墨接地装置的防雷性能分析方法，其特征在于：步骤(3)中，所述杆塔模型采用如下公式：
Figure FDA0002231742330000011
其中:zTk表示每层杆塔主体部分波阻抗，hk表示杆塔主体高度，rek表示多导体系统等效半径。
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