CN111985109B - 一种不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数评估方法 - Google Patents

一种不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数评估方法 Download PDF

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Abstract

一种不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数评估方法，根据评估方法，搭建水平接地体防雷有效尺寸系数温控试验装置；依据评估步骤，通过试验上位机设置试验热力学温度，并通过温控试验装置对水平接地体周围匀质土壤进行温度调节；通过瞬态电压生成装置往水平接地体中注入瞬态电压，并测量注入瞬态电压的波头时间；通过注入瞬态电压的波头时间与试验热力学温度，计算水平接地体的防雷有效尺寸系数并进行评估。本发明能有效模拟不同的土壤温度下瞬态电流沿着水平接地体的散流过程，并通过实时温度控制，提高了试验的精度，该方法能够对水平接地体防雷有效尺寸系数进行准确且有效地评估。

Description

一种不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数评估方法
技术领域
本发明属于电力系统接地技术领域，特别是一种不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数评估方法。
背景技术
雷电是导致电力系统发生断电或电力系统设备损坏的最重要的原因之一。所以改进防雷装置和开发更精确的接地系统防雷性能预测方法是很有必要的，为此我们可以设计和使用不同配置的接地系统，以尽量减少电力设备损坏并保护人身安全，并通过将绝大部分短路电流或雷电电流引入到大地中来保证设备安全稳定运行及提高电气服务质量。
正如许多研究所证明的那样，在低频电流下，特别是在高电阻率土壤中，需要使用较长的接地体来实现较低的接地电阻。然而，在某些情况下，例如雷电流，大部分电流可能只通过部分接地体导入大地，因此，只有部分接地体在将雷电流导入大地中起到作用，这意味着接地体在雷电条件下具有防雷有效尺寸。当接地体尺寸超过该值，其防雷效果并不会随着尺寸增加而进一步增加。同时，因为接地体埋设在土壤中，其防雷有效尺寸系数也会与接地体周围土壤的温度密切相关。目前国内对不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数研究较少，所以迫切需要一种方法，计及接地极周围土壤温度影响，对不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数进行试验与评估，为电力系统的防雷设计、优化及改造提供参考。
发明内容
本发明的目的是提供一种不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数评估方法。
实现本发明目的的技术方案如下：
第一步：搭建水平接地体防雷有效尺寸系数温控试验装置，其包括试验上位机、电压信号线、温度信号线、瞬态电压注入线、温度传感连接线、温度调节连接线、注入电极接口、注入铜电极、水平接地体、试验土壤温度控制装置、匀质土壤、瞬态电压生成装置、一号温度传感器、二号温度传感器、三号温度传感器、四号温度传感器、一号温度调节装置、二号温度调节装置、三号温度调节装置、四号温度调节装置。
第二步：调节匀质土壤热力学温度；一号温度传感器、二号温度传感器、三号温度传感器和四号温度传感器通过温度传感连接线连接到试验土壤温度控制装置的传感端；一号温度调节装置、二号温度调节装置、三号温度调节装置和四号温度调节装置通过温度调节连接线连接到试验土壤温度控制装置的调节端；通过试验上位机设置试验热力学温度T，通过温度信号线传至试验土壤温度控制装置，试验土壤温度控制装置根据传感端信号生成调节端信号，调节土壤温度至试验热力学温度T。
第三步：往水平接地体中注入瞬态电压并记录注入瞬态电压的波头时间ΔT；通过试验上位机发出放电指令，指令通过电压信号线传输至瞬态电压生成装置，瞬态电压生成装置产生瞬态电压，通过瞬态电压注入线、注入电极接口和注入铜电极，最终注入至水平接地体中，同时利用瞬态电压生成装置记录注入瞬态电压的波头时间ΔT。
第四步：利用试验所测得的注入瞬态电压的波头时间ΔT与试验热力学温度T，计算水平接地体的防雷有效尺寸系数。
通过式(1)计算第一级有效评估参数fT1：
fT1＝1111.92-12.0101T·exp(0.00484T)-62.5322·exp(-0.00484T) (1)
式(1)中，T为试验热力学温度；exp为高等数学里以自然常数e为底的指数函数。
通过式(2)计算第二级有效评估参数fT2：
Figure GDA0003076737630000021
式(2)中，ρ为匀质土壤的电阻率。
通过式(3)计算第三级有效评估参数fT3：
Figure GDA0003076737630000022
式(3)中，ΔT为注入瞬态电压的波头时间。
结合上述计算得到的有效评估参数，计算该水平接地体防雷有效尺寸系数ES：
Figure GDA0003076737630000023
式(4)中，L为水平接地体的实际长度。
第五步：利用所求的ES，评估该水平接地体防雷有效尺寸系数。
ES的取值范围为(0,+∞)，当ES∈(0,1]时，水平接地体防雷有效尺寸系数较小，进一步延长水平接地体长度对提升防雷效果无太大影响，需采用其他方法；当ES∈(1,+∞)时，水平接地体防雷有效尺寸系数较大，根据实际需要通过延长水平接地体长度提升其防雷效果。
第六步：在不同温度下进行水平接地体防雷有效尺寸系数温控试验，重复第二步，利用试验上位机设置不同的试验热力学温度，并重复第三步、第四步和第五步，对不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数进行评估。
本发明的有益效果在于，通过搭建水平接地体防雷有效尺寸系数温控试验装置，能够有效模拟不同温度下瞬态电流沿着水平接地体的散流过程，且试验装置能准确调节水平接地体周围匀质土壤温度，有利于提高水平接地体防雷有效尺寸系数评估的准确性。该试验装置能对一般的水平接地装置进行试验，且试验方法简易，安全有效，具有普适性。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。一种不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数评估方法具体实施方式包括以下步骤：
第一步：搭建水平接地体防雷有效尺寸系数温控试验装置，如图1所示，其包括试验上位机(1)、电压信号线(2)、温度信号线(3)、瞬态电压注入线(4)、温度传感连接线(5)、温度调节连接线(6)、注入电极接口(7)、注入铜电极(8)、水平接地体(9)、试验土壤温度控制装置(10)、匀质土壤(11)、瞬态电压生成装置(12)、一号温度传感器(21)、二号温度传感器(22)、三号温度传感器(23)、四号温度传感器(24)、一号温度调节装置(31)、二号温度调节装置(32)、三号温度调节装置(33)、四号温度调节装置(34)。
第二步：调节匀质土壤(11)热力学温度；一号温度传感器(21)、二号温度传感器(22)、三号温度传感器(23)和四号温度传感器(24)通过温度传感连接线(5)连接到试验土壤温度控制装置(10)的传感端；一号温度调节装置(31)、二号温度调节装置(32)、三号温度调节装置(33)和四号温度调节装置(34)通过温度调节连接线(6)连接到试验土壤温度控制装置(10)的调节端；通过试验上位机(1)设置试验热力学温度T，通过温度信号线(3)传至试验土壤温度控制装置(10)，并将所获数据平均值与试验热力学温度T进行对比；当平均值大于(小于)试验热力学温度T时，试验土壤温度控制装置发送调节信号，通过温度调节连接线(6)控制一号温度调节装置(31)、二号温度调节装置(32)、三号温度调节装置(33)和四号温度调节装置(34)对匀质土壤(11)进行吸热(发热)，这一过程需要持续超过半个小时以上，以保证土壤温度充分调整且均匀以及最后计算评估的准确性，温度控制误差将在±0.2开尔文。
第三步：利用瞬态电压生成装置(12)向水平接地体(9)中注入瞬态电压并记录注入瞬态电压的波头时间ΔT；试验中，水平接地体(9)的埋深为0.6m，通过试验上位机(1)发出瞬态放电指令，瞬态放电指令通过电压信号线(2)传输至瞬态电压生成装置(12)，收到瞬态放电指令后，瞬态电压生成装置(12)产生瞬态电压，通过瞬态电压注入线(4)、注入电极接口(7)和注入铜电极(8)，最终注入至水平接地体(9)中，同时利用瞬态电压生成装置(12)记录注入瞬态电压的波头时间ΔT，单位为μs，并通过电压信号线(2)传输至试验上位机(1)保存记录；
第四步：利用试验所测得的注入瞬态电压的波头时间ΔT与试验热力学温度T，计算水平接地体的防雷有效尺寸系数；
通过式(5)计算第一级有效评估参数fT1：
fT1＝1111.92-12.0101T·exp(0.00484T)-62.5322·exp(-0.00484T) (5)
式(5)中，T为试验热力学温度，单位为K；exp为高等数学里以自然常数e为底的指数函数；
通过式(6)计算第二级有效评估参数fT2：
Figure GDA0003076737630000041
式(6)中，ρ为匀质土壤(11)的电阻率，单位为Ω·m。
通过式(3)计算第三级有效评估参数fT3：
Figure GDA0003076737630000042
式(7)中，ΔT为注入瞬态电压的波头时间，单位为μs；
结合上述计算得到的有效评估参数，计算该水平接地体防雷有效尺寸系数ES：
Figure GDA0003076737630000043
式(8)中，L为水平接地体的实际长度，单位为m；
第五步：利用所求的ES，评估该水平接地体防雷有效尺寸系数；
ES的取值范围为(0,+∞)，当ES∈(0,1]时，水平接地体防雷有效尺寸系数较小，进一步延长水平接地体长度对提升防雷效果无太大影响，需采用其他方法，例如对土壤使用降阻剂或者加强线路绝缘；当ES∈(1,+∞)时，水平接地体防雷有效尺寸系数较大，根据实际需要通过延长水平接地体长度提升线路防雷效果，需要注意长度延长过多使得ES计算值小于1后，此时继续延长效果将不明显；
第六步：在不同温度下进行水平接地体防雷有效尺寸系数温控试验，对不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数进行评估，重复第二步，利用试验上位机(1)设置不同的试验热力学温度，并重复第三步、第四步和第五步，对不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数进行评估，注意每次放电后间隔40分钟，以使得匀质土壤(11)得到充分恢复。

Claims (1)

1.一种不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数评估方法，其特征在于，包含水平接地体防雷有效尺寸系数温控试验装置，包括以下步骤：
第一步：搭建水平接地体防雷有效尺寸系数温控试验装置，其包括试验上位机(1)、电压信号线(2)、温度信号线(3)、瞬态电压注入线(4)、温度传感连接线(5)、温度调节连接线(6)、注入电极接口(7)、注入铜电极(8)、水平接地体(9)、试验土壤温度控制装置(10)、匀质土壤(11)、瞬态电压生成装置(12)、一号温度传感器(21)、二号温度传感器(22)、三号温度传感器(23)、四号温度传感器(24)、一号温度调节装置(31)、二号温度调节装置(32)、三号温度调节装置(33)、四号温度调节装置(34)；
第二步：调节匀质土壤(11)热力学温度；一号温度传感器(21)、二号温度传感器(22)、三号温度传感器(23)和四号温度传感器(24)通过温度传感连接线(5)连接到试验土壤温度控制装置(10)的传感端；一号温度调节装置(31)、二号温度调节装置(32)、三号温度调节装置(33)和四号温度调节装置(34)通过温度调节连接线(6)连接到试验土壤温度控制装置(10)的调节端；通过试验上位机(1)设置试验热力学温度T，通过温度信号线(3)传至试验土壤温度控制装置(10)，试验土壤温度控制装置(10)根据传感端信号生成调节端信号，调节土壤温度至试验热力学温度T；
第三步：往水平接地体(9)中注入瞬态电压并记录注入瞬态电压的波头时间ΔT；通过试验上位机(1)发出放电指令，指令通过电压信号线(2)传输至瞬态电压生成装置(12)，瞬态电压生成装置(12)产生瞬态电压，通过瞬态电压注入线(4)、注入电极接口(7)和注入铜电极(8)，最终注入至水平接地体(9)中，同时利用瞬态电压生成装置(12)记录注入瞬态电压的波头时间ΔT；
第四步：利用试验所测得的注入瞬态电压的波头时间ΔT与试验热力学温度T，计算水平接地体的防雷有效尺寸系数；
通过式(1)计算第一级有效评估参数fT1：
fT1＝1111.92-12.0101T·exp(0.00484T)-62.5322·exp(-0.00484T) (1)
式(1)中，T为试验热力学温度；exp为高等数学里以自然常数e为底的指数函数；
通过式(2)计算第二级有效评估参数fT2：
Figure FDA0003076737620000011
式(2)中，ρ为匀质土壤(11)的电阻率；
通过式(3)计算第三级有效评估参数fT3：
Figure FDA0003076737620000021
式(3)中，ΔT为注入瞬态电压的波头时间；
结合上述计算得到的有效评估参数，计算该水平接地体防雷有效尺寸系数ES：
Figure FDA0003076737620000022
式(4)中，L为水平接地体的实际长度；
第五步：利用所求的ES，评估该水平接地体防雷有效尺寸系数；
ES的取值范围为(0,+∞)，当ES∈(0,1]时，水平接地体防雷有效尺寸系数较小，进一步延长水平接地体长度对提升防雷效果无太大影响，需采用其他方法；当ES∈(1,+∞)时，水平接地体防雷有效尺寸系数较大，根据实际需要通过延长水平接地体长度提升其防雷效果；
第六步：在不同温度下进行水平接地体防雷有效尺寸系数温控试验；重复第二步，利用试验上位机(1)设置不同的试验热力学温度，并重复第三步、第四步和第五步，对不同温度下水平接地体防雷有效尺寸系数进行评估。
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