一种配电线路架设架空地线的接地优化设计方法与流程

本申请涉及配电线路雷电防护技术领域，尤其涉及一种配电线路架设架空地线的接地优化设计方法。

背景技术：

10kv架空配电线路绝缘水平低，因雷击导致的故障率较高，其中，多数故障是由雷击线路附近大地或建筑物时，在导线上产生的雷电感应过电压造成的，因此，有效减少线路的感应过电压闪络次数是提高其可靠性的关键。

早在上个世纪初，已有学者提出在架空配电线路中架设地线对雷电感应过电压进行防护，其原理是利用地线拉近导线与大地零电位的距离，从而降低导线上的感应过电压幅值。工程实践上，架设地线的防护措施我国的配电线路中基本没有采用，究其原因是由于对该措施的实际防护效果尚存不同看法。因此，有必要对架设地线的防护效果进行定量研究，以期指导该措施的工程应用。

架空配电线路的电杆一般为自然接地，具有较高的接地电阻，且随大地电阻率的增加而增大，采用架设地线对雷电感应过电压进行防护时，是否需要对电杆采取降阻措施是工程中重点关注的问题。

技术实现要素：

本申请提供了一种配电线路架设架空地线的接地优化设计方法，以解决采用架设地线对雷电感应过电压进行防护时，是否需要对架空配电线路的电杆采取降阻措施的问题。

本申请采用的技术方案如下：

本发明提供了一种配电线路架设架空地线的接地优化设计方法，包括以下步骤：

基于时域有限差分方法建立配电线路感应雷过电压agrawal场线耦合模型；

根据确定的配电线路感应雷过电压agrawal场线耦合模型，并通过时域有限差分方法对agrawal场线耦合方程进行离散变换，建立多导体的多阶感应雷过电压计算模型；

根据所述多阶感应雷过电压计算模型，建立架空地线模型；

根据所述架空地线模型，对无地线线路和有地线线路的感应雷过电压进行计算比较，通过改变大地电导率、架空地线接地电阻参数，以获取有地线线路相线上感应雷过电压；

通过近似方式获取绝缘子上的感应过电压，分析大地电导率与接地电阻变化时对绝缘子上的感应过电压的影响关系，确定大地电导率及架空地线接地电阻变化时是否需要对电杆采取降阻措施；

若绝缘子上感应过电压呈降低趋势，则不需要采取降阻措施，自然接地。

进一步地，所述基于时域有限差分方法建立配电线路感应雷过电压计算模型，包括：

搭建配电线路周围的雷电电磁场计算模型；

将雷电电磁场耦合到导线线路上计算出感应雷过电压。

进一步地，电线路周围的雷电电磁场计算模型包括：雷电通道回击模型、空间电磁场计算迭代模型、边界吸收、不同介质处理。

进一步地，多导体的多阶感应雷过电压计算模型，其表达式如下：

(1)和(2)式中[l'ij]为多导体之间考虑自感和互感的单位电感矩阵，[ci'j]为考虑自容和互容的单位电感矩阵，δx与δt分别为空间步长和时间步长；hi为导体空间高度；e为空间垂直电场；

电容矩阵和电感矩阵之间的关系，如下公式：

[cij′]＝μ0ε0[lij′]^-1(5)

式(3)、(4)和(5)中h表示导线高度，r表示导线半径，sij为导线之间的间距。

进一步地，所述根据所述架空地线模型，对无地线线路和有地线线路的感应雷过电压进行计算比较，通过改变大地电导率、架空地线接地电阻参数，以获取相线上感应雷过电压中，大地电导率与接地电阻关系如下：

(6)式中re表示接地电阻，r0表示接地体尺寸，ρ表示土壤电阻率。

进一步地，所述接地电阻包括：接地杆塔本身的电阻、接地引线的电阻、杆塔接地体与接入的土壤间的过渡电阻、杆塔接地体对大地的散流电阻，其中，散流电阻为最大。

采用本申请的技术方案的有益效果如下：

本发明的一种配电线路架设架空地线的接地优化设计方法，包括以下步骤：基于时域有限差分方法建立配电线路感应雷过电压agrawal场线耦合模型；根据确定的配电线路感应雷过电压agrawal场线耦合模型，并通过时域有限差分方法对agrawal场线耦合方程进行离散变换，建立多导体的多阶感应雷过电压计算模型；根据多阶感应雷过电压计算模型，建立架空地线模型；根据架空地线模型，对无地线线路和有地线线路的感应雷过电压进行计算比较，通过改变大地电导率、架空地线接地电阻参数，以获取相线上感应雷过电压；通过近似方式获取绝缘子上的感应过电压，分析大地电导率与接地电阻变化时对绝缘子上的感应过电压的影响关系，确定大地电导率及架空地线接地电阻变化时是否需要对电杆采取降阻措施；若绝缘子上感应过电压呈降低趋势，则不需要采取降阻措施，自然接地。

本发明模型经过验证，均具有良好的精度，可以较准确模拟大地电导率及架空地线接地电阻变化时对各相导线的屏蔽效果，为指导配网架空地线接地优化设计方面提供了一种分析方法。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的一种配电线路架设架空地线的接地优化设计方法的雷电通道周围电磁场计算模型；

图2为本发明一实施例的一种配电线路架设架空地线的接地优化设计方法的agrawal场线耦合模型空间示意图；

图3为本发明一实施例的一种配电线路架设架空地线的接地优化设计方法的多导体几何结构；

图4本发明一实施例的一种配电线路架设架空地线的接地优化设计方法的感应电流流向图；

图5本发明一实施例的一种配电线路架设架空地线的接地优化设计方法的线路端点处感应过电压波形；

图6本发明一实施例的一种配电线路架设架空地线的接地优化设计方法的感应电压幅值随接地电阻的变化图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

本发明提出首先对无地线线路和有地线线路的感应过电压进行了计算比较，进一步取不同大地电导率、接地电阻值对有地线线路的感应过电压进行计算，最后得到配电线路架设架空地线的接地优化设计方法。

本发明提出的配电线路架设架空地线的空间位置优化方法，主要包含基于时域有限差分方法建立配电线路感应雷过电压计算模型和通过多导体感应雷过电压计算模型建立架空地线模型两大部分。

本申请提供的一种配电线路架设架空地线的接地优化设计方法，包括以下步骤：

s01：基于时域有限差分方法建立配电线路感应雷过电压agrawal场线耦合模型；

具体来说，包括：

搭建配电线路周围的雷电电磁场计算模型；

将雷电电磁场耦合到导线线路上计算出感应雷过电压。

如图1所示，基于时域有限差分方法的雷电通道周围电磁场计算模型通常分为雷电通道回击模型、空间电磁场计算迭代模型、边界吸收、不同介质处理四个部分。

本发明将雷电回击通道设置在二维圆柱坐标体系下的轴对称处，通过轴对称处理可以模拟整个三维空间内的雷电电磁场计算。二维圆柱坐标体系下的电磁场计算分为te和tm两组波形，对应不同的电磁场分量，其中包括垂直电场和水平电场的为tm波，其maxwell方程为：

其中，μ、ε、σ和σm分别代表空间的磁导系数、相对介电常数、电损耗和磁损耗，er为水平电场，ez为垂直电场，为方向角磁场。

继续对上述公式进行时域有限分差分变换处理，可以得到如下迭代方程，通过这三个方程可以模拟电磁场的传播过程：

其中，i和j只是用于区别不同空间网格处电磁场分量位置，无实际物理含义。

可见，雷电电磁场计算主要分为三步，首先要赋予整个空间电磁场分量初始值，同时设定自由空间内大地电导率等基本参数量。其次要进行时间迭代过程，当时间增大时，雷电回击通道模型内的雷电流也在实时变化。最后通过对应的激励公式算出雷电回击通道周围的垂直电场，再通过电磁场迭代公式扩散到周围计算空间内。

另一方面，通过雷电电磁场计算模型得出自由空间内任意一点的垂直电场和水平电场，再通过agrawal场线耦合方法进行计算，可以获取线路上的感应雷过电压，图2为agrawal场线耦合模型空间示意图，其中左侧为雷电回击通道，右侧为设置的线路模型。

agrawal模型方程可以表述如下：

上式中v^s为散射电压，i为感应电流，l'为单位长度的电感，c'为单位长度的电容，为水平电场，h为相导体高度，t为时间。

入射电压通过垂直电场进行计算，由于垂直电场数值上在一定高度下变化较小，因此可以等效为以下表达式：

上式中为雷电通道中高度z处的元在x处产生的垂直电场，为雷电通道底部的元在x处产生的垂直电场，h为雷电通道高度，t为时间，z为雷电回击通道某一电流元垂直高度。

总的感应雷过电压同入射电压和散射电压有如下关系：

v(x,t)＝vⁱ(x,t)+v^s(x,t)

基于以上公式，计算感应雷过电压v(x,t)主要分为两步，即计算散射电压v^s(x,t)和入射电压vⁱ(x,t)。

s02：根据s01确定的配电线路感应雷过电压agrawal场线耦合模型，并通过时域有限差分方法对agrawal场线耦合方程进行离散变换，建立单导体、多导体的多阶感应雷过电压计算模型；

多导体模型与单导体模型推导过程类似，可以通过将单导体模型进行向量扩展，扩展电压电流等基本向量形成向量矩阵，同时利用电感电容矩阵来补充计算导线之间耦合的作用，通过这种方式就可以得到基于agrawal场线耦合多导体向量矩阵模型。

其中，多导体的多阶感应雷过电压计算模型，其表达式如下：

上式中[l'ij]为多导体之间考虑自感和互感的单位电感矩阵，[ci'j]为考虑自容和互容的单位电感矩阵，δx与δt分别为空间步长和时间步长；hi为导体空间高度；e为空间垂直电场，k没有实际物理意义，仅是区别空间不同空间位置代号；

单位电感矩阵由多个导体之间的电感和互感共同组成，表示如下：

每一行表示该导体的自感和同其他导体的互感，当i＝j时表示该导体的自感，i≠j时为该导体与其他导体的互感，n表示导体的个数。

paul基于多导体之间的耦合作用，总结出了多导体自感和互感计算公式，另一方面由于电容矩阵和电感矩阵之间的关系，可以得到如下公式：

[cij′]＝μ0ε0[lij′]^-1

式中h表示导线高度，r表示导线半径，sij为导线之间的间距，μ0为真空磁导系数，ε0为真空介电常数。

多导体agrawal模型计算流程跟单导体agrawal模型计算流程类似，主要的区别是需要根据各导体之间的位置来确定电感电容矩阵，将导体之间的耦合作用反映到计算当中。同时每个导体的上的电场激励需要根据其位置分别选取，才能准确的计算多导体上的感应雷过电压。

s03：根据所述多阶感应雷过电压计算模型，建立架空地线模型；

架空地线模型的建立，由于架空地线和导线之间也会有耦合作用，其耦合作用机理和导线之间的机理相同，也适用于多导体场线耦合模型，可以将架空地线视为多导体模型中的某一相。

基于架空地线的多导体场线耦合模型只需要将某相导线的端点接地，即可模拟架空地线。如图3所示，架空地线在端点处接地，因此接地点电位会变为0，这相当于在不接地的架空地线上叠加一个负的电压来抵消感应雷过电压，这时由于架空地线和导线之间存在耦合作用，这个负的电压会通过耦合作用在相导线上产生耦合电压，因而降低了相导线上的感应雷过电压。

s04：根据所述架空地线模型，首先对无地线线路和有地线线路的感应雷过电压进行计算比较，进一步通过改变大地电导率、架空地线接地电阻参数，以获取有地线线路相线上的感应雷过电压；

s03基于多导体耦合模型建立了架空地线模型，此时架空地线为理想接地即接地电阻为0，理想地面即大地电导率无穷大。s04进一步改变这些参数，进行研究。

接地电阻值对线路上感应电压影响的根本原因在于有损大地对塔杆接地电阻的影响。

杆塔的接地电阻由以下四个组成部分：接地杆塔本身的电阻、接地引线的电阻、杆塔接地体与接入的土壤间的过渡电阻、杆塔接地体对大地的散流电阻，其中散流电阻为最大，一般对其它三种电阻忽略不计。

从接地电阻的分布情况来看，90％以上的电阻分布在接地体周围的土壤中。这样一来，接地电阻re就等于从杆塔到远处的大地零电位面之间的电位差ue与流过的直流电流或工频电流ie之比，即

re＝ue/ie

式中re表示接地电阻，r0表示接地体尺寸，ρ表示土壤电阻率。

可以看出塔杆接地电阻与接地体的尺寸和土壤电阻率ρ等因素相关，并且接地电阻值与土壤电阻率呈正相关。

可依据线路杆塔处实测土壤电阻率范围，改变土壤接地电阻值，将以上参数代入本申请的雷电感应过电压计算模型，得到的不同土壤电导率时雷电感应过电压波形随接地电阻值变化关系。

s05：通过近似方式获取无地线时和有地线时绝缘子上的感应过电压，分析大地电导率与接地电阻变化时对绝缘子上的感应过电压的影响关系，确定大地电导率及架空地线接地电阻变化时是否需要对电杆采取降阻措施；

s06：若绝缘子上感应过电压呈降低趋势，则不需要采取降阻措施，自然接地即可。

如图4所示，对于无地线线路，由于没有地线感应电流经杆塔流入大地，电杆顶部基本上与大地等电位，绝缘子承受的电压为导线对地电压(无地线时情况)。对于有地线线路，忽略地线到绝缘子脚之间的压降，绝缘子承受的电压为导线与地线之间的电位差(有地线情况)。

绝缘子电压：从原理可等效为导线与地线电位差，而通过上述仿真计算，可得到导线与地线感应雷过电压波形，做减法得到。

根据图5的计算结果，将两者进行比较可知，有地线线路绝缘子承受的最高感应过电压幅值比无地线线路低，即配网架设架空地线对感应雷过电压防护有效性得到进一步验证。而前述得到的大地电导率与接地电阻变化时相线、架空地线上感应过电压分析可进一步转为对绝缘子承受过电压影响分析，得到新的变化规律。

通过上述仿真计算，从而可分析大地电导率及架空地线接地电阻变化时是否需要对电杆采取降阻措施，进一步得到架空地线的接地优化设计。

图6所示为计算得到的地线感应过电压幅值，导线对地最高感应过电压幅值，以及绝缘子承受的最高过电压幅值随接地电阻的变化曲线。根据图6仿真结果，导线对地的最高感应过电压幅值随接地电阻的增高而增大，但绝缘子承受的最高过电压幅值则随着接地电阻的增大而减小，分析原因是由于地线感应过电压与导线对地感应过电压相同，均随着接地电阻的增加而增大，但前者的增加趋势更为明显。因此，在采用地线对感应过电压进行防护时，不必对电杆采取降阻措施，自然接地即可。

本发明模型经过验证，均具有良好的精度，可以较准确模拟大地电导率及架空地线接地电阻变化时对各相导线的屏蔽效果，为指导配网架空地线接地优化设计方面提供了一种分析方法。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。