CN112083252A - 一种水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数评估方法 - Google Patents

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Abstract

一种水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数评估方法，根据评估方法，搭建水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数试验装置；依据评估步骤，通过瞬态电压发生器向试验接地装置加注瞬态电压，并测量记录瞬态电压波头时间；通过瞬态电压波头时间与试验接地装置所处的土壤环境，计算水平分层土壤下接地装置的最大经济尺寸系数并进行评估；本发明能精准模拟在处于水平分层土壤环境下，接地装置受到雷击时，瞬态电流沿着接地装置流入大地的这一暂态过程，且试验装置能准确有效地测量记录瞬态电压波头时间，此方法能够对水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数进行准确且有效地评估。

Description

一种水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数评估方法
技术领域
本发明属于电力系统接地技术领域，特别是一种水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数评估方法。
背景技术
在我国，由于绝大部分地区地处温带或亚热带，故雷暴天气较为频繁。电力系统的架空输电线路绝大多数都位于野外，为了满足线路对地的安全距离，架空输电线路杆塔设计时都比较高，基本在周围环境中处在制高点，甚至有一部分杆塔坐落在山顶或者是山脊处，所以极其容易受到雷击。为了减少线路雷击跳闸事故的发生，对其进行雷电防护是很有必要的，较常见的方法是通过设计不同型式的接地装置，利用接地装置将大多数雷电电流导入大地中来保证线路安全稳定运行及提高电气服务质量。
接地装置在工频下的状态是很好理解的，其详细的设计程序被广泛接受。然而，在雷击期间，接地装置的性能可能会大不相同，绝大多数雷电流可能只通过少部分接地装置流入大地，接地装置只有一部分是在整个散流过程中起到主要作用，其余的部分影响较小，这意味着接地装置对于阻碍雷电流这一作用具有最大经济尺寸，超过这一尺寸数值后它会严重降低雷电防护的经济效率。尽管在这方面已经做了大量的工作，但是对于如何将现有知识应用于接地装置的设计以获得更好的高频和动态性能，仍然没有达成共识。同时，因为接地装置埋在土壤中，其最大经济尺寸系数也会与接地装置周围土壤环境例如电阻率、土壤分层及表层土壤深度密切相关。所以迫切需要一种方法，考虑接地装置周围土壤环境影响，对水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数进行试验与评估，为架空输电线路接地装置的雷电防护提供参考。
发明内容
本发明的目的是提供一种水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数评估方法。
实现本发明目的的技术方案如下：
第一步：搭建水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数试验装置，其包括上位机、信号控制线、瞬态电压发生器、高压电缆、表层土壤、深层土壤、试验接地装置、拆分式电极、电缆注入接头。
第二步：向试验接地装置加注瞬态电压并测量瞬态电压波头时间ΔT；通过上位机发出放电信号，其通过信号控制线传输至瞬态电压发生器，瞬态电压发生器生成瞬态电压，经高压电缆、电缆注入接头、拆分式电极，最终注入至试验接地装置中。
第三步：利用所测得的瞬态电压波头时间ΔT与试验接地装置所在土壤环境，计算水平分层土壤下接地装置的最大经济尺寸系数。
通过式(1)计算评估因数一F1：
Figure BDA0002689043990000021
式(1)中，ΔT为瞬态电压的波头时间；ρ1为表层土壤的电阻率；exp为以自然常数e为底的指数函数。
通过式(2)与式(3)计算评估因数二F2：
Figure BDA0002689043990000022
F2＝0.687177K2－0.293573K4－0.009261·In(26.22|K|) (3)
式(2)中，K为土壤反射系数；ρ2为深层土壤的电阻率。
通过式(4)计算评估因数三F3：
Figure BDA0002689043990000023
式(4)中，H为表层土壤的深度。
结合上述得到的评估因数，计算水平分层土壤下接地装置的最大经济尺寸系数ESFM；
当K>0时，ESFM为：
Figure BDA0002689043990000024
当K<0时，ESFM为：
Figure BDA0002689043990000025
式(5)与式(6)中，L为接地装置的实际长度；
第四步：利用所求的ESFM，评估水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数；
ESFM的取值范围为(0,+∞)，当ESFM∈(0,1]时，接地装置最大经济尺寸系数较小，进一步增大接地装置尺寸只会增加经济成本而对提升防雷效果无太大影响，需采用其他方法；当ESFM∈(1,+∞)时，接地装置最大经济尺寸系数较大，根据实际需要可以通过增大接地装置尺寸提升其经济防雷效果。
本发明的有益效果在于，通过搭建水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数试验装置，可以精准模拟在水平分层土壤环境下，接地装置受到雷击时，瞬态雷电流沿着接地装置流入大地的这一暂态过程，且试验装置能准确有效地测量记录瞬态电压波头时间，以便于最后能准确地评估水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数。该方法步骤罗列分明，装置易搭建且有效，能够广泛推广。
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。一种水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数评估方法具体实施方式包括以下步骤：
第一步：搭建水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数试验装置，如图1所示，其包括上位机(1)、信号控制线(2)、瞬态电压发生器(3)、高压电缆(4)、表层土壤(5)、深层土壤(6)、试验接地装置(7)、拆分式电极(8)、电缆注入接头(9)。
第二步：向试验接地装置(7)注入瞬态电压并记录瞬态电压波头时间ΔT；通过上位机(1)可选择放电的波头时间并发出放电信号，其通过信号控制线(2)传输至瞬态电压发生器(3)，瞬态电压发生器(3)生成瞬态电压，经高压电缆(4)、电缆注入接头(9)、拆分式电极(8)，最终注入至试验接地装置(7)中，试验接地装置(7)的埋深为0.6m，并利用瞬态电压发生器(3)记录瞬态电压波头时间ΔT，并通过信号控制线(2)传输至上位机(1)保存记录；
第三步：利用所测得的瞬态电压波头时间ΔT与试验接地装置(7)所在土壤环境，计算水平分层土壤下接地装置的最大经济尺寸系数。
通过式(7)计算评估因数一F1：
Figure BDA0002689043990000031
式(7)中，ΔT为瞬态电压的波头时间，单位为μs；ρ1为表层土壤(5)的电阻率，单位为Ω·m；exp为高等数学里以自然常数e为底的指数函数。
通过式(8)与式(9)计算评估因数二F2：
Figure BDA0002689043990000032
F2＝0.687177K2－0.293573K4－0.009261·In(26.22|K|) (9)
式(8)中，K为土壤反射系数；ρ2为深层土壤(6)的电阻率，单位为Ω·m。
通过式(10)计算评估因数三F3：
Figure BDA0002689043990000041
式(10)中，H为表层土壤(5)的深度，单位为m。
结合上述得到的评估因数，并根据土壤反射系数K的正负，利用两种公式计算水平分层土壤下接地装置的最大经济尺寸系数ESFM。
当K>0时，此时深层土壤(6)的电阻率大于表层土壤(5)的电阻率，通过式(11)计算ESFM：
Figure BDA0002689043990000042
式(11)中，L为接地装置的实际长度，单位为m。
当K<0时，此时深层土壤(6)的电阻率小于表层土壤(5)的电阻率，通过式(12)计算ESFM：
Figure BDA0002689043990000043
第四步：利用计算得到的ESFM，评估水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数。
ESFM的取值范围为(0,+∞)，当ESFM∈(0,1]时，接地装置最大经济尺寸系数较小，进一步增大接地装置尺寸只会增加经济成本而对提升防雷效果无太大影响，需利用其他方法例如往周围土壤加降阻剂或是提高输电线路本身的绝缘水平来提升输电线路防雷效果；当ESFM∈(1,+∞)时，接地装置最大经济尺寸系数较大，根据实际需要可以通过增大接地装置尺寸提升其经济防雷效果，若接地装置尺寸增加幅度过大使得ESFM计算值小于1后，此时继续增大尺寸其提升效果将不明显。

Claims (1)

1.一种水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数评估方法，其特征在于，包含水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数试验装置，包括以下步骤：
第一步：搭建水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数试验装置，其包括上位机(1)、信号控制线(2)、瞬态电压发生器(3)、高压电缆(4)、表层土壤(5)、深层土壤(6)、试验接地装置(7)、拆分式电极(8)、电缆注入接头(9)；
第二步：向试验接地装置(7)加注瞬态电压并测量瞬态电压波头时间ΔT；通过上位机(1)发出放电信号，其通过信号控制线(2)传输至瞬态电压发生器(3)，瞬态电压发生器(3)生成瞬态电压，经高压电缆(4)、电缆注入接头(9)、拆分式电极(8)，最终注入至试验接地装置(7)中；
第三步：利用所测得的瞬态电压波头时间ΔT与试验接地装置(7)所在土壤环境，计算水平分层土壤下接地装置的最大经济尺寸系数；
通过式(1)计算评估因数一F1：
Figure FDA0002689043980000011
式(1)中，ΔT为瞬态电压的波头时间；ρ1为表层土壤(5)的电阻率；exp为以自然常数e为底的指数函数；
通过式(2)与式(3)计算评估因数二F2：
Figure FDA0002689043980000012
F2＝0.687177K2－0.293573K4－0.009261·In(26.22|K|) (3)
式(2)中，K为土壤反射系数；ρ2为深层土壤(6)的电阻率；
通过式(4)计算评估因数三F3：
Figure FDA0002689043980000013
式(4)中，H为表层土壤(5)的深度；
结合上述得到的评估因数，计算水平分层土壤下接地装置的最大经济尺寸系数ESFM；
当K>0时，ESFM为：
Figure FDA0002689043980000014
当K<0时，ESFM为：
Figure FDA0002689043980000021
式(5)与式(6)中，L为接地装置的实际长度；
第四步：利用所求的ESFM，评估水平分层土壤下接地装置最大经济尺寸系数；
ESFM的取值范围为(0,+∞)，当ESFM∈(0,1]时，接地装置最大经济尺寸系数较小，进一步增大接地装置尺寸只会增加经济成本而对提升防雷效果无太大影响，需采用其他方法；当ESFM∈(1,+∞)时，接地装置最大经济尺寸系数较大，根据实际需要可以通过增大接地装置尺寸提升其经济防雷效果。
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