[发明专利]以火花系数修正杆塔接地装置的低幅值冲击电阻测量方法

摘要

一种以火花系数修正杆塔接地装置的低幅值冲击电阻测量方法，利用便携式冲击电流发生器作为信号输出源，以三级法测量方式布置接地装置，使用不间断电源供电，从接地极注入冲击电流，计算接地装置所在土壤的火花系数α，根据所计算得到的火花系数α，对卷积计算得到的初始冲击接地电阻R_c进行修正。本发明采用卷积计算及火花系数修正法得到标准雷电流下的冲击接地电阻，能够有效考虑接地装置的电感效应与土壤的火花放电，修正后的冲击接地电阻更加接近输电线路遭受雷击的实际情况。该方法解决了现有技术只能采用工频接地电阻来近似估算，不能进行现场测量的问题。

主权项

1.一种以火花系数修正杆塔接地装置的低幅值冲击电阻测量方法，其特征是：利用便携式冲击电流发生器作为信号输出源，所述便携式冲击电流发生器产生的冲击电流要求满足：幅值在5A～50A范围内、波头时间1.0μs～5.0μs的双指数波；按照以下步骤进行测量计算：一）、便携式冲击电流发生器的分流与分压输出端分别连接数字式示波器的两个独立通道，以三级法测量方式布置接地装置，使用不间断电源供电，从接地极注入冲击电流，以多通道数字式示波器的两个独立通道同时记录冲击电流发生器产生的冲击电流I(t)数据与接地极上响应电压U(t)的数据；二）、设定采样间隔Δt，进行采样，标准雷电流的采样序列为i_std(n)，其中：n为自然数，时间t满足：t=Δt×n；逐一对每一个标准雷电流的采样序列进行卷积计算，得到卷积计算后的响应电压u_std(n)；按照公式（1）计算在标准雷电流作用下的初始冲击接地电阻值R_c：R=max(ustd(n))max(istd(n))---(1);]]>其中，max(i_std(n))表示标准雷电流采样序列中的最大值，max(u_std(n))表示对应所述标准雷电流序列最大值经过卷积计算后的响应电压值；三）、计算接地装置所在土壤的火花系数α，计算步骤如下；采用场路结合的接地装置冲击接地电阻频域数值仿真算法进行计算：a)、在冲击接地电阻数值仿真系统中输入接地极的结构、尺寸参数，土壤参数，迭代误差ε，根据导体剖分长度Δl进行剖分，剖分后的导体段数为p，节点个数为q，按照π形等效电路对剖分后的接地装置进行建模；b)、对标准雷电流I_std(t)进行快速傅里叶变换，傅里叶变换采样周期T=300μs，谐波阶次N=20，得到N次谐波分量I_f，基波频率f₁=1/T=3333Hz，即一次谐波频率，第i次谐波频率f_i=f₁*i；c)、根据接地装置的模型，采用节点电压法建立方程如下：AIb=-IdisIf---(3);ZdisIdsi=Φdis---(4);ZbIb=ATΦdisΦn---(5)]]>其中：方程式（3）为节点KCL方程，其中A为关联矩阵，I_b是剖分导体段的轴向电流，I_dis是中点节点对地泄漏电流，I_f是注入的标准雷电流；方程式（4）为中点对地散流约束方程，由所建模中“场的模型”按照工程电磁场理论建立得到，式中，Z_dis为剖分导体段对地散流的自阻抗与互阻抗矩阵，Φ_dis是剖分导体段的中点电压，Z_dis是对地散流矩阵；方程式（5）为剖分导体段的KVL约束方程，由所建模中“路的模型”按照电路理论建立得到，式中，Z_b是剖分导体段的自阻抗矩阵、互感矩阵，A^T是关联矩阵A的转置矩阵，Φ_n是节点电压；方程式（4）中的对地散流矩阵Z_dis按照公式（6）进行计算：Zdis(i,j)=14πρ+jωϵr·1LiLj·∫Li∫Lj1r′dljdlj---(6);]]>式中：L_i和L_j是第i段与j段两段导体的长度，r'是两段导体表面上的点之间的距离，ρ是土壤的电导率，ε_r是土壤的介电常数，ω=2π*f_i，f_i是第i次谐波频率；方程式（5）中自阻抗矩阵Z_b按照公式（7）进行计算：Zii=zii+jωMiiZij=jωMij---(7);]]>其中：Z_ii和Zi_j为矩阵元素、ω=2π*f_i，z_ii为自阻抗、M_ii为外自感、M_ij为互感，z_ii按照公式（8）进行计算：zii=jωμc2πrjωμcσcI0(rjωμcσc)I1(rjωμcσc)---(8);]]>其中：ω=2π*f_i，μ_c是导体的磁导率，σ_c是导体的电导率，r是圆柱导体的半径，I₀和I₁分别是修正的第一类零阶和一阶贝赛尔函数；M_ii按照公式（9）进行计算：Mii=μ0·l2π(ln2lr-1)---(9);]]>其中：l是导体段的长度，μ₀是真空中的磁导率；M_ij按照公式（10）进行计算：Mij=μ04π∫li∫lj1r′dlj·dli---(10);]]>其中：l_i和l_j是第i段与j段两段导体的长度，r'是两段导体表面上的点之间的距离，μ₀是真空中的磁导率；d)、按照公式（11）计算节点电压Φ_n与中点电压Φ_dis：ΦdisΦn=[[AZb-1AT]+Zdis-1000]-1·0If---(11);]]>式中各符号的含义同前；按照方程式（4）求得中点对地泄漏电流I_dis，按照方程式（3）求得剖分导体段轴向电流I_b；e)、计算不考虑土壤火花放电的冲击接地电阻R'_c：当不考虑土壤的火花放电时，直接计算不考虑土壤火花放电情况下的节点电压；f)、计算考虑土壤火花放电的冲击接地电阻R_i：当考虑土壤的火花放电时，按照公式（12）计算剖分导体的等效半径r_eq：req=ρIdis2πΔlEc---(12);]]>式中：ρ为土壤电阻率，I_dis为剖分导体段的对地泄漏电流，Δl为导体剖分长度，E_c为土壤的临界击穿场强，E_c按照公式（13）进行计算：E_c=241ρ^0.215   (13)；采用等效半径代替导体半径r，即将r=r_eq代入(b)-(d)进行循环迭代，直到满足Δr_eq<ε时停止迭代，ε为迭代误差，计算考虑土壤火花放电情况下的节点电压；其中：Δr_eq为两次计算得到的等效半径差值，取导体半径r的1/10～1/5；g)、根据N次谐波分量的雷电流作用下，对步骤(c)～(f)计算得到的各个谐波分量下的节点电压Φ_n进行快速傅里叶反变换，得到时域中节点电压根据标准雷电流I_f的注入序号i，提取电流注入点处的节点电压采用公式（14）计算接地装置的冲击接地电阻：公式（14）依据冲击接地电阻的定义公式得到，式中：max(I_std(t))为注入接地极的标准雷电流的最大值，为电流注入点处响应电压的最大值；h)、根据步骤(a)-(g)，分别计算不考虑火花放电的冲击接地电阻R'_c及考虑火花放电的冲击接地电阻R_i；按照公式（15）计算火花系数α：α=RiRc′---(15);]]>四）、根据所计算得到的火花系数α，对卷积计算得到的初始冲击接地电阻R_c进行修正，计算在标准雷电流作用下的冲击接地电阻R，计算公式为：R=α·R_c   （2）。