本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)測量領(lǐng)域,尤其涉及一種沖擊接地阻抗測量系統(tǒng)及測量方法。
背景技術(shù):
沖擊接地阻抗是發(fā)電廠、變電站以及輸電線路桿塔接地裝置的重要技術(shù)指標,是評估廠站和桿塔遭受雷擊時接地系統(tǒng)安全性、有效性的重要參數(shù)。當電力系統(tǒng)遭受雷擊時,若接地裝置的沖擊接地阻抗過大,則會導致地電位抬升過大,從而使設(shè)備絕緣遭受破壞,影響安全供電,而且跨步電壓也會超過正常值,威脅工作人員的人身安全。隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增大,電壓等級的不斷提高,操作、雷電等暫態(tài)故障電流對電力系統(tǒng)的影響也越來越大,因此對接地裝置的散流特性提出了更高的要求。電力系統(tǒng)運行經(jīng)驗表明,大多數(shù)輸電線路事故都是由于雷擊輸電線路或桿塔引起跳閘所致。根據(jù)電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計表明,高壓線路運行的總跳閘次數(shù)中,由雷擊引起的次數(shù)占40%~70%。而輸電線路桿塔遭受雷擊時,接地裝置的沖擊接地阻抗直接決定了雷擊時塔頂?shù)碾娢?,從而影響絕緣子串承受的過電壓和反擊概率,因此線路的防雷水平很大程度上取決于桿塔的接地系統(tǒng)沖擊接地阻抗值。發(fā)電廠、變電站作為電能源頭和電廠連接用戶的中轉(zhuǎn)站,遭受雷擊概率也較高,其安全性能與電力系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行直接相關(guān),而其接地性能也直接決定了其防雷性能。因此獲取接地系統(tǒng)沖擊接地阻抗是接地系統(tǒng)設(shè)計、驗收和運行過程中的必要環(huán)節(jié),是保障電力系統(tǒng)安全運行的不可或缺的重要工作。
然而在沖擊電流作用下,接地裝置的沖擊接地阻抗會呈現(xiàn)出復雜的非線性,準確預測沖擊接地阻抗是非常困難的。目前,對沖擊接地阻抗的研究主要分為兩大類,一是理論仿真研究,二是試驗研究。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,仿真研究得到了很大的發(fā)展。仿真接地裝置的暫態(tài)特性主要有以下幾種方法:傳輸線理論,電路理論,電磁場理論、有限元方法,但這些方法都有一定的局限性,與實際接地裝置的沖擊特性存在一定的偏差,試驗研究仍然是目前研究沖擊接地阻抗最直接最有效的方法,試驗研究又分為真型試驗和模擬試驗。真型試驗是完全依照接地裝置的實際情況來進行試驗,采用與接地裝置相同或相近尺寸的接地極,所加的電流也基本類似于實際的雷電流或操作沖擊電流,因此真型試驗可以很好地研究沖擊接地阻抗的電感效應(yīng)和火花效應(yīng),得出的結(jié)論也具有較高的可信度,從而被眾多學者與研究人員所采用。但目前真型試驗所需的沖擊電流發(fā)生器體積龐大、操作復雜,運輸和現(xiàn)場裝配困難,一次試驗成本非常高,并且高壓現(xiàn)場沖擊測試危險性較高。模擬試驗是基于相似原理,將實際接地裝置的電流幅值、前沿、脈寬和幾何尺寸等按照一定比例縮小,在小尺寸的模擬沙坑中進行試驗,因此可以方便地研究電阻率、埋深、接地體尺寸、形狀等因素對沖擊接地阻抗特性的影響。但模擬試驗在進行空間和時間尺度縮小時并沒有縮小土壤的顆粒、空隙等因素,所以模擬試驗的準確性還有待進一步驗證。并且在模擬試驗時,所施加沖擊電流的前沿一般需要在百納秒以內(nèi),這在模擬試驗中也是比較難實現(xiàn)的。因此亟需一種簡單、有效、低成本但又具有較高準確度的沖擊接地阻抗的測量系統(tǒng)以解決沖擊接地阻抗存在的技術(shù)問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
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本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種沖擊接地阻抗測量系統(tǒng)及測量方法,以解決現(xiàn)有技術(shù)中對接地系統(tǒng)沖擊接地阻抗測量采用模擬實驗或仿真方法測量存在準確性差,測量復雜,成本高等問題。
本發(fā)明技術(shù)方案:
一種沖擊接地阻抗測量系統(tǒng),它包括沖擊電流發(fā)生器,其特征在于:沖擊電流發(fā)生器與接地體連接,接地體與高壓探頭和電流傳感器連接,高壓探頭和電流傳感器輸出端與示波器輸入端連接。
所述沖擊電流發(fā)生器包括調(diào)壓器T1,調(diào)壓器T1輸入端外接交流220V電源,輸出端與硅堆D1連接,硅堆D1與充電電阻R1連接,充電電阻R1與高頻逆變?nèi)珮蜻B接,高頻逆變?nèi)珮蜉敵龆伺c升壓變壓器T2輸入端連接,升壓變壓器T2輸出端與硅堆D2連接,硅堆D2與充電電阻R2連接,充電電阻R2與主電容C2連接,主電容C2與放電開關(guān)S連接,放電開關(guān)S與調(diào)波電阻R3連接,調(diào)波電阻R3與調(diào)波電感L連接,調(diào)波電感L輸出端與接地體電流注入極連接,接地體回流極接地。
穩(wěn)壓電容C1-連接在充電電阻R1輸出端與高頻逆變?nèi)珮虿⒙?lián)連接。
高壓臂電阻R4和低壓臂電阻R5串聯(lián)后與主電容C2并聯(lián)連接,構(gòu)成的直流分壓器。
充電電阻R1的阻值為40Ω,穩(wěn)壓電容C1電容值為1000uF,耐壓500V;充電電阻R2的阻值為1MΩ。
絕緣柵雙極型晶體管Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成高頻逆變橋,逆變頻率為50kHz,絕緣柵雙極型晶體管Q1、Q2、Q3、Q4選用耐壓500V,通流10A以上的晶體管。
升壓變壓器T2為高頻變壓器,變比1:140,額定電壓50kV,額定容量3kVA,高壓臂電阻R4阻值為50MΩ,低壓臂電阻R5阻值5kΩ,分壓比為10000。
所述放電開關(guān)S為球隙開關(guān)。
所述的沖擊接地阻抗測量系統(tǒng)的測量方法,它包括:
步驟1、通過沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生前沿、半峰值脈寬分別為1~5us和50~100μs的雷電流波形,并施加在接地體上,通過高壓探頭、電流傳感器以及示波器可測得接地體上的沖擊電壓電流波形,根據(jù)沖擊接地阻抗的定公式:
得到在該接地體在小沖擊電流下的沖擊接地阻抗值R,其中Um、Im分別為測得的沖擊電壓和電流的峰值;
步驟2、采集接地體所在位置的土壤樣本,將其放入同軸圓筒形裝置,內(nèi)圓筒直徑D1,外圓筒直徑D2,圓筒長度為L,在兩個圓筒上施加直流電壓,同時通過電場探頭測量土壤中的電場強度E,通過電壓探頭和電流表分別測量圓筒間的電壓U1和流過土壤的電流I1,計算土壤中的介電常數(shù)ε和土壤電阻率ρ,介電常數(shù)ε和土壤電阻率ρ為
步驟3、利用多物理場仿真軟件COMSOL分別在這種土壤參數(shù)下計算該接地體在小沖擊電流和不同幅值的大沖擊電流下的沖擊接地阻抗,然后將不同幅值的大沖擊電流下的接地阻抗和小沖擊電流下的接地阻抗做商,得到以沖擊小電流接地阻抗為基準的比例系數(shù);
步驟4、將各比例系數(shù)與試驗測得的小沖擊電流下的接地阻抗相乘進行修正,得到接地體在不用幅值的大沖擊電流下的接地阻抗。
本發(fā)明的有益效果:
通過本發(fā)明的測量裝置,可以簡單直接的對接地系統(tǒng)沖擊接地阻抗測量;為了進一步提高測量準確性,本發(fā)明對測量值進行進一步的修正,提供的修正方法的修正系數(shù)來源于仿真計算,但本發(fā)明在在仿真中綜合考慮了土壤參數(shù)、電流參數(shù)、接地體尺寸等因素對沖擊接地阻抗的影響,充分體現(xiàn)了火花效應(yīng)和電感效應(yīng),因此這種方法具有較高的準確性;解決了現(xiàn)有技術(shù)中對接地系統(tǒng)沖擊接地阻抗測量采用模擬實驗或仿真方法測量存在準確性差,測量復雜,成本高等問題。
附圖說明
圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明的具體實施方法如下:
系統(tǒng)組成:
系統(tǒng)主要由便攜式小沖擊電流發(fā)生器,高壓探頭,電流傳感器和示波器等組成。
為了減小自身的體積和重量,便攜式?jīng)_擊電流發(fā)生器不自帶電源,需要外部提供220V交流電,現(xiàn)場測試時需提供蓄電池和逆變器。硅堆D1、D2都用于將交流電整流為直流電。充電電阻R1的阻值為40Ω,用于限制穩(wěn)壓電容的充電電流,但又不使充電速度過慢。穩(wěn)壓電容C1用于提供一個穩(wěn)定的直流電壓,電容值為1000uF,耐壓500V。充電電阻R2的阻值為1MΩ,用于限制主電容的最大充電電流為50mA,但又不使充電速度過慢。絕緣柵雙極型晶體管Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成高頻逆變橋,逆變頻率為50kHz,Q1和Q3的驅(qū)動信號相同,Q2和Q4的驅(qū)動信號相同,且這兩個驅(qū)動信號相位相差180°,為了防止橋臂直通,設(shè)置1us的死區(qū)時間。Q1、Q2、Q3、Q4選用耐壓500V,通流10A以上的晶體管,保證其安全穩(wěn)定工作。升壓變壓器T2為高頻變壓器,變比1:140,額定電壓50kV,額定容量3kVA,比相同容量的工頻變壓器體積小很多。直流分壓器用于測量主電容C2,并實時顯示在控制箱前面板上,高壓臂電阻R4阻值為50MΩ,低壓臂電阻為5kΩ,分壓比為10000。放電開關(guān)S為球隙開關(guān),由電磁鐵控制其動作,當控制箱按下觸發(fā)按鍵,電磁鐵通電,球隙距離迅速縮短,球隙擊穿,主電容對接地體放電產(chǎn)生沖擊電流。主電容C2為兩個耐壓20kV,1uF的脈沖電容器串聯(lián),電壓從0到充電至30kV的充電時間小于2.5s??烧{(diào)的調(diào)波電阻R3,阻值為10Ω,用于調(diào)節(jié)沖擊電流波形,可使波形為標準的2.6us/50us雷電流波形??烧{(diào)的調(diào)波電感L,電感值為60uH,用于調(diào)節(jié)沖擊電流波形,可使波形為標準的2.6us/50us雷電流波形。為保證試驗人員安全,主電容C2應(yīng)就近接地。
與接地體相連的高壓探頭采用Tektronix公司P6015A,帶寬75MHz,衰減倍數(shù)1000,其測量參考點與電壓參考極相連,測量端連接到示波器;電流傳感器為PEARSO公司生產(chǎn)的羅氏線圈,帶寬200MHz,其輸入輸出比為A/V=0.01,其測量端連接到示波器;示波器采用泰克(Tektronix)TDS1012,帶寬200MHz,采樣率2G/s。
本發(fā)明提供的沖擊接地阻抗測量系統(tǒng)具有體積小,重量輕、操作方便、波形參數(shù)可調(diào)等優(yōu)點,對沖擊接地阻抗測試具有重要的工程意義。
測量與結(jié)果修正的實施方法:
1、根據(jù)接地體的尺寸和實際場地尺寸確定回流極和電壓參考極位置,按圖1所示連接布置電路,所有連接線都采用足夠長的絕緣支桿支于地上,電流測試采用電流傳感器,電壓測試采用高壓探頭,電流傳感器和高壓探頭的測量端均連接至示波器,所有接線檢查無誤后打開便攜式?jīng)_擊電流發(fā)生器電源總開關(guān)。調(diào)節(jié)充電電壓至一合適值,觸發(fā)放電測量得到?jīng)_擊電壓電流的波形。通過數(shù)據(jù)處理,取出沖擊電壓電流波形的峰值Um、Im和沖擊電流的前沿、半峰值脈寬,利用沖擊接地阻抗的定義式計算該接地體小沖擊電流下的沖擊接地阻抗值R。
2、采集桿塔接地體附近的土壤樣本,將其放入專門制備的同軸圓筒形裝置,內(nèi)圓筒直徑D1,外圓筒直徑D2,圓筒長度為L,在兩個圓筒上施加直流電壓,同時通過電場探頭測量土壤中的電場強度E,通過電壓探頭和電流表分別測量圓筒間的電壓U1和流過土壤的電流I1,則土壤中的介電常數(shù)ε和土壤電阻率ρ的計算公式分別為:
將計算得到的數(shù)據(jù)進行處理得到土壤電阻率隨場強的變化曲線。為了減小不確定性,應(yīng)多次取樣取平均值。
3、為了在多物理場仿真軟件COMSOL中盡可能真實地模擬小電流沖擊試驗時的情況,設(shè)置以下參數(shù)與試驗時相同:接地體的尺寸、材料,土壤的電阻率與場強變化曲線、介電常數(shù),注入電流的幅值、前沿、半峰值脈寬,回流極的尺寸材料、電壓參考極的位置等。完成該參數(shù)下小沖擊電流下的仿真,計算小電流下的沖擊接地阻抗值。再將施加的沖擊電流改為不同幅值的大沖擊電流幅值,進行同樣的仿真,便可以得到不同幅值的大沖擊電流下的沖擊接地阻抗值。然后將不同幅值的大沖擊電流下的接地阻抗和小沖擊電流下的接地阻抗做商,得到以沖擊小電流接地阻抗為基準的比例系數(shù);
4、將上一步中得到的各比例系數(shù)與試驗測得到的小沖擊電流下的接地阻抗相乘進行修正,就可得到接地體在不同幅值的大沖擊電流下的接地阻抗。