柔性石墨复合接地材料及其在电力系统中的应用研究

发布时间：2018-03-17 11:39

  本文选题：电力系统接地网　切入点：接地网腐蚀　出处：《武汉大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：电力设备的可靠接地是减少电力系统雷击事故、维护电力设备安全稳定运行、保障运行人员人身安全的一项重要指标。目前电力系统主要采用钢、铜以及一些镀层合金等金属接地材料。金属接地材料在实际运行中长期面临着腐蚀问题,接地网使用寿命受到限制。此外,金属接地材料在实际接地工程中还面临着诸如复杂地形条件下运输及施工困难、接地体与土壤贴合度不高、偷盗及人为损坏事故频发、使用降阻剂加速金属腐蚀等问题。因此,研究新型非金属接地材料并在电力系统接地领域中推广应用,对于节省我国稀缺金属资源,提高电力接地系统的安全性与稳定性具有重要意义。本文围绕新型非金属接地材料的制备、试验与应用,主要完成了以下研究内容： (1)选择高纯鳞片石墨作为主要的导电材料,并采用有机和无机纤维、粘合剂等原材料,通过对原材料的酸化、膨化、成型等过程,制备了具有Litz线分层结构的非金属接地材料——柔性石墨复合接地材料。 (2)采用有限元计算方法,从场分析角度对比分析了铜、钢和石墨复合接地材料的电阻率、磁导率电磁参数对接地体趋肤效应和电感效应的影响。仿真结果表明：石墨复合接地材料趋肤效应小,导电材料利用率高；不同接地材料的电感随频率的增加而减小,而石墨复合接地材料的电感低于钢接地材料,在高频电流散流时的接地阻抗较小。进一步地,针对Φ10mm铜、Φ10mm钢和Φ10mm、Φ22mm、Φ28mm石墨复合接地材料在不同频率、不同土壤条件下的有效散流长度,仿真结果表明,Φ28mm石墨复合接地材料在冲击电流下的有效散流长度优于Φ10mm钢,接近Φ10mm铜接地体。 优化了石墨复合接地体结构并制备了扩径石墨复合接地体。扩径石墨复合接地材料的趋肤效应、电感效应随着扩径率的增大而降低,并呈现饱和趋势,实际制备成型时可采用30%～40%的扩径率填充石墨复合接地体。扩径石墨复合接地材料能降低接地网接地电阻,进一步提高石墨导电材料的利用率。 对石墨复合接地材料在输电线路杆塔接地网中的可行性进行仿真试验。当土壤电阻率大于100Ω·m时,石墨复合接地材料与其他金属接地材料的工频接地电阻相差较小,其差异随着杆塔接地网面积的增大而增大。 通过对比铜、钢金属接地材料在发、变电站接地网中的接地特性,石墨复合接地材料在低电阻率、大面积接地网的接地电阻与金属接地材料差别较大。接地网边角注流时,石墨复合接地材料接地网的网内电位差、接触电压以及跨步电压随着土壤电阻率的增大与金属接地材料的差异减小,而这种差异随着接地网面积的增大趋于增大。通过合理设计接地线引线位置、优化接地网结构以及提高材料自身电导率等措施可以改善石墨复合接地材料在发、变电站接地网中的接地特性。 (3)完成了石墨复合接地材料的电学特性、热学特性、力学特性和腐蚀特性试验。电学特性试验测量了石墨复合接地材料电阻率及接续电阻,进行了雷电流和短路故障电流情况下石墨复合接地体的冲击电流耐受试验,接地材料结构稳定性良好；热学特性试验开展了在-40℃低温及200℃高温下的循环温升试验,发现与金属导电材料不同,石墨复合接地体电阻率呈现负温度特性；力学特性试验完成了石墨复合接地材料的抗弯、抗扭及抗拉性能试验,接地材料及接续件结构力学性能稳定；腐蚀特性试验对比了钢、铜和石墨复合接地材料在五种典型土壤模拟液中的腐蚀速率,加速腐蚀试验数据表明石墨复合接地材料的抗腐蚀性能较好。 (4)针对柔性石墨复合接地体接地模拟试验中部分试验参量无法按相似条件缩比的问题,利用不完全相似理论,提出了适用于接地体直径和电阻率不完全相似的工频和冲击接地模拟试验的外推方法。仿真分析了不同土壤条件下接地网对各畸变项的敏感度,随着土壤电阻率的增大,接地网对畸变项的敏感度逐渐降低。减小模型相似比可降低接地体直径畸变项的预测误差,但无法降低接地体电阻率畸变项的预测误差。 (5)针对石墨复合接地体接地模拟试验的非完全相似模型,提出了一种接地模拟试验不完全相似模型的预测系数修正法。仿真试验结果表明,该修正方法能够有效地减小不完全相似模型的预测误差。 对接地模拟试验不完全相似模型预测系数修正法进行改进,提出一种基于畸变补偿项的接地试验不完全相似模型修正方法,解决了实际接地模拟试验中,预测系数修正法局限于试验条件不能进行系列畸变试验的问题。通过仿真计算,论证了接地模拟试验中畸变补偿项的应用条件。同时,对比分析了本文两种不完全相似模型修正方法,指出两者的适用范围。 (6)开展了石墨复合接地材料接地模拟试验及真型接地试验。根据接地模拟试验不完全相似模型及修正方法,对石墨复合接地材料几种典型的接地网结构进行实际接地模拟试验。接地模拟试验结果进一步说明了本文不完全相似模型修正方法的实用性。 (7)采用Φ28mm石墨复合接地材料,按照实际220kV输电线路杆塔接地网尺寸建立1：1杆塔接地网,针对该接地网进行雷电流冲击接地模拟试验。其中,冲击电流幅值Ich_max=80.33kA,8/20μs接近自然雷电流峰值。测量结果表明冲击系数a在不同雷电流作用下呈现出逐渐降低至0.92稳定值的变换规律。通过对接地网局部电场强度的仿真计算,接地网在170kV/m的电场强度下出现火花放电效应。 (8)对柔性石墨复合接地材料组成的对水平、方框辐射型以及组合式接地网三种典型接地网进行真型接地试验,试验结果表明,三种接地装置的接地电阻值分别为0.58Ω,2.05Ω和3.27Ω。文章最后,将本文研发的新型接地材料应用于110kV和220kV输电线路杆塔接地网中。实际接地工程应用表明,该新型接地材料在复杂地质条件下可满足实际接地工程需要。
[Abstract]:Reliable earthing of power equipment is to reduce lightning accidents of power system, maintain the safe and stable operation of power equipment, an important indicator to safeguard the personal safety of the operation. The current power system is mainly used for steel, copper and alloy metal grounding materials. Metal grounding materials in the actual operation of the long-term corrosion problems facing life is limited, grounding network. In addition, the metal grounding materials in the actual grounding project still faces such as complex transportation and construction difficult terrain conditions, grounding body and soil fit is not high, frequent theft and man-made damage accidents, the use of resistance reducing agent accelerated corrosion of metals and other issues. Therefore, promotion research on the application of new materials and non metallic grounding in power system grounding in the field, to save scarce metal resources in China, is of great significance to improve the power of grounding system security and stability in this paper. According to the preparation, test and application of the new nonmetallic ground material, the following research contents have been completed.
(1) as main conductive material of high purity flake graphite, and uses organic and inorganic fibers, adhesives and other raw materials, through acidification, raw material extrusion molding process, prepared with Litz line the layered structure of non metallic grounding materials -- flexible Shi Mofu ground material.
(2) by using the finite element method, the field analysis analyzes the resistivity of copper, steel and graphite composite grounding materials, influence the permeability of electromagnetic parameters of grounding body skin effect and the effect of inductance. The simulation results show that the graphite composite ground material skin effect, high utilization rate of conductive materials; inductance the different grounding materials decreases with increasing frequency, while the graphite composite inductor grounding material than steel grounding materials in high frequency current disperse when grounding impedance is small. Furthermore, the diameter of 10mm 10mm steel and copper, Phi Phi 10mm, Phi 22mm, Phi 28mm graphite composite materials in the ground different frequency, different soil conditions and effective bulk flow length, the simulation results show that the diameter of 28mm graphite composite materials in the ground under the impact of current effective bulk flow length better than Phi Phi 10mm close to 10mm steel, copper grounding body.
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本文编号：1624580