雷击输电线路杆塔地中散流特性的仿真与研究

摘要

当雷电直击输电线路杆塔时，由于雷电流幅度巨大，使其在大地流散中电流密度很大并且伴随着不同程度的土壤击穿过程。而很多输电杆塔接地系统虽然能满足接地电阻的总体要求，却在设计时对地下散流缺乏专门的、系统的研究，入地电流在地表、地中无规则窜动，严重影响周边生物的安全。例如:近年来，珠三角地区甚至己出现危害生物安全的事故，比如输电线路杆塔附近鱼塘在雷雨过后，鱼塘中的不同鱼类大量死亡的现象时有出现，佛山供电局管辖范围内己出现多起，由此造成地方供电局与当地农民之间的较多纠纷。为解决该问题，亟需通过现场勘察和仿真研究，建立相关设计和改造指导意见，提出对应的防护措施。
　　本文采用COMSOL Multiphysics有限元软件进行仿真建模，为了建立符合现场实际情况的地中瞬态雷电流散流泄放过程的仿真模型，首先对雷电流波形以及能量分布进行分析;在对雷电流地中散流过程进行理论分析的基础上，逐步建立描述该物理过程的数学模型;根据得到的物理限制设置模型边界条件，结合输电线路杆塔接地系统、地下环境、周边雷电流分布的现场勘察与分析，利用各频率下KR-1G型接地装置的接地阻抗值与国际公认的接地专业软件CDEGS的仿真计算结果进行比对，其结果基本一致，可以认为本文仿真模型可以近似反映各频域下电流在接地装置上的流散状态，验证了该仿真模型的正确性。
　　根据仿真结果表明:随着土壤电阻率的增大，将使得水中电流密度和鱼体电流密度持续上升，但上升趋势渐缓;接地装置的结构将影响地中电流密度的大小，地中高电流密度区域基本为接地良导体的形状;随杆塔接地装置与鱼塘距离的增大，鱼塘中电流密度越来越小，存在一定的安全距离，但是在土壤电阻率较高的地方安全距离将相应增大;而在相同雷击杆塔事故中，随着鱼塘深度的变化，生活在鱼塘底部的鱼类相比生活在鱼塘表面的鱼类受地中散流影响较小;鱼塘尺寸的变化对地中以及鱼塘中各部分的鱼体电流密度影响较小，可以忽略其影响。
　　综合研究结论提出设计和改造方案:针对事故现场土壤条件较好时，通过对杆塔接地装置进行绝缘屏蔽改造，并加设反向延伸水平接地极;或是通过扁铜芯制绝缘引线外引地网，将接地装置引至距离鱼塘一定距离处散流，将可以避免事故的发生。针对杆塔和鱼塘己存在一定距离的情况下，通过在接地装置和鱼塘之间加设绝缘挡板，阻断雷电流向鱼塘侧流散的路径，更加经济适用，实际工程改造简易可行。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本课题研究方法和内容

第2章 杆塔接地装置地中散流的有限元动态模型建立

2．1 杆塔接地装置地中散流的有限元动态模型搭建

2．1．1 有限元分析的电磁应用概述

2．1．2 雷电流参数模型及频谱分析

2．1．3 地中散流物理过程的数学模型

2．1．4 无穷域方法在地中散流空间的运用

2．2 杆塔接地装置地中散流特性的有限元动态模型验证

2．3 典型鱼品的有限元电气模型

2．3．1 典型鱼品的生物效应分析

2．3．2 典型鱼品的有限元仿真

2．4 本章小结

第3章 雷击输电线路杆塔地中散流的仿真与研究

3．1 雷击输电线路杆塔地中散流模型构建

3．2 雷击输电线路杆塔地中散流特性仿真分析

3．2．1 杆塔地中散流周边电位分布和电场强度分析

3．2．2 杆塔地中散流周边电流密度分布和电流扩散分析

3．2．3 杆塔地中散流周边生物影响分析

3．3 地中散流特性影响因素仿真研究

3．3．1 土壤电阻率对地中散流特性的影响

3．3．2 接地装置结构对地中散流特性的影响

3．3．3 几何结构对地中散流特性的影响

3．4 本章小结

第4章 输电线路杆塔接地装置地中散流防护方案设计

4．1 典型问题输电线路杆塔接地装置工程概况

4．1．1 杆塔接地装置现场勘察

4．1．2 周边土壤电阻率和水电导率测试

4．2 接地装置地中散流防护方案设计

4．2．1 常规接地装置型式改造方案分析

4．2．2 常规接地装置覆绝缘屏蔽方案分析

4．2．3 绝缘引线外引接地装置方案分析

4．2．4 搭建绝缘屏蔽挡板方案分析

4．3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果