李 艷,王 磊

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的接地網(wǎng)沖擊特性研究

李 艷,王 磊

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

為定性研究接地網(wǎng)系統(tǒng)雷電沖擊特性,闡述了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單層土壤中接地網(wǎng)雷電沖擊模型的建立過(guò)程,并利用此模型計(jì)算了雷電沖擊特性下的接地網(wǎng)參數(shù)。同時(shí),利用MATLAB對(duì)該計(jì)算方法進(jìn)行了編程,從而求得接地網(wǎng)的地網(wǎng)電位分布,經(jīng)與CDEGS計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了本文方法的可行性和正確性。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 漏電流; 土壤電離; 傅里葉變換; CDEGS

接地網(wǎng)的合理設(shè)計(jì)在保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行中扮演重要的角色。接地網(wǎng)不僅能為變電站內(nèi)的電氣設(shè)備提供一個(gè)公共參考點(diǎn),而且還能將故障電流迅速流散到土壤中,進(jìn)而有效控制地網(wǎng)電位的升高[1]。當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí),會(huì)造成地網(wǎng)電位升高及接地系統(tǒng)部分電位差超出安全范圍,不僅危害運(yùn)行人員的人身安全,而且能使高壓進(jìn)入控制室而擴(kuò)大事故[2]。因此,對(duì)接地系統(tǒng)雷電沖擊特性進(jìn)行定性分析非常必要。目前有很多學(xué)者利用數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算雷電沖擊特性下接地網(wǎng)的接地參數(shù)[3-6],但由于雷電的不穩(wěn)定性因素較多,推導(dǎo)過(guò)程非常困難。本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到工頻接地網(wǎng)不等電位計(jì)算方法和接地導(dǎo)體半徑在雷電沖擊下的變化規(guī)律,進(jìn)而建立接地網(wǎng)在雷電沖擊特性下的模型,并用MATLAB將此方法進(jìn)行編程,計(jì)算單層土壤雷電沖擊特性下地網(wǎng)電位分布。

1 工頻單層土壤接地網(wǎng)模型

在接地網(wǎng)的分析過(guò)程中,流過(guò)每段接地導(dǎo)體的電流假設(shè)分為兩個(gè)部分:沿導(dǎo)體方向的定義為軸向電流,流散到土壤中的定義為泄漏電流。在分析接地網(wǎng)不等電位時(shí),場(chǎng)路結(jié)合的思想貫穿始終[7]。其中,“場(chǎng)”指的是電磁場(chǎng)即考慮導(dǎo)體之間的自互阻,“路”指的是電路即考慮導(dǎo)體的自電阻以及導(dǎo)體的自感和互感?；谟邢驁D的特性,運(yùn)用軸向電流和泄漏電流列出接地網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓方程,通過(guò)公式的推導(dǎo)可得

(1)

式中:B為每段導(dǎo)體中部節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo);C為中部節(jié)點(diǎn)和所有端部節(jié)點(diǎn)間的互導(dǎo);D為端部節(jié)點(diǎn)和所有中部節(jié)點(diǎn)間的互導(dǎo);E為端部節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo);G為導(dǎo)體自導(dǎo)和導(dǎo)體間互導(dǎo);φd為導(dǎo)體的中點(diǎn)電位;φc為導(dǎo)體的節(jié)點(diǎn)電位;I0為接地網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的注入電流。

基于式(1)可以得出導(dǎo)體的中點(diǎn)電位和端點(diǎn)電位,從而得出漏電流〔I〕陣,然后根據(jù)格林函數(shù)即可得到地網(wǎng)的電位分布情況,即〔U〕陣。

2 雷電沖擊下接地網(wǎng)模型的建立

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特性與工頻單層接地網(wǎng)模型,建立雷電沖擊接地網(wǎng)模型。這樣不僅能夠預(yù)測(cè)沖擊接地網(wǎng)的地網(wǎng)電位分布,而且能提高所得結(jié)果的精度。

當(dāng)發(fā)生雷擊故障時(shí),雷電流經(jīng)桿塔進(jìn)入接地裝置,由于軸向電流和漏電流的存在,使得雷電流不僅在導(dǎo)體中傳送,而且會(huì)散流到大地形成漏電流。當(dāng)大雷電流散流到接地導(dǎo)體附近的土壤時(shí),在接地導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生瞬變電磁場(chǎng)[8]。如果該磁場(chǎng)足夠大,就會(huì)使土壤電場(chǎng)強(qiáng)度大于其臨界擊穿強(qiáng)度,從而發(fā)生土壤電離。目前在大多研究中,土壤臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ec均取300 kV/m。由于電離層可以等效成沿圓柱導(dǎo)體半徑的同心圓,再加上該電離層土壤電阻近似為零,因此,發(fā)生大雷擊故障時(shí),接地導(dǎo)體的半徑相當(dāng)于增加。另外,由于電流只在導(dǎo)體內(nèi)部流動(dòng),因此不影響導(dǎo)體間的互感,僅與導(dǎo)體的電導(dǎo)〔G〕陣有關(guān)。當(dāng)接地導(dǎo)體的半徑發(fā)生變化時(shí),會(huì)導(dǎo)致〔G〕陣中的元素發(fā)生改變,且呈時(shí)變性。

雷電沖擊特性下接地網(wǎng)參數(shù)分析的思路是通過(guò)傅里葉變換將雷電流分解,分別求出各個(gè)頻域下對(duì)應(yīng)的地網(wǎng)電位分布,然后利用傅里葉反變換將各個(gè)頻率下的響應(yīng)進(jìn)行疊加,即得接地網(wǎng)的沖擊特性。其具體過(guò)程如下:

1) 將接地網(wǎng)注入點(diǎn)雷電流進(jìn)行傅里葉變換,由時(shí)域變成頻域。

2) 根據(jù)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工頻地網(wǎng)模型計(jì)算出各頻域下的漏電流和電位分布。

3) 已知接地導(dǎo)體長(zhǎng)度l,半徑r,漏電流I,根據(jù)電流密度J的定義可得

由公式J=σE+jωεE可得

4) 利用傅里葉反變換將頻域下的土壤電場(chǎng)強(qiáng)度E[(ω)]變成時(shí)域的場(chǎng)強(qiáng)E[(t)],當(dāng)接地導(dǎo)體附近土壤的電場(chǎng)強(qiáng)度E[(t)]大于臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ec時(shí),導(dǎo)體半徑r就會(huì)增加變成rc,具體比例關(guān)系為

5) 重新計(jì)算導(dǎo)體的電導(dǎo)〔G〕陣,用現(xiàn)有的rc代替r,需要注意的是接地導(dǎo)體半徑的變化在節(jié)點(diǎn)電壓法中對(duì)導(dǎo)體間互感沒(méi)有影響。

6) 伴隨〔G〕陣的變化,重新計(jì)算時(shí)域下的漏電流和土壤電場(chǎng)強(qiáng)度,多次計(jì)算直至滿足精度要求,就可以看作接地導(dǎo)體半徑不再變化。

7) 運(yùn)用此時(shí)的〔G〕陣可求得漏電流和沖擊接地網(wǎng)的地網(wǎng)電位分布情況。

3 單層土壤雷電沖擊接地網(wǎng)實(shí)例計(jì)算

單層接地網(wǎng)為50 m×50 m,埋深h=0.8 m,x和y方向都是6根長(zhǎng)50 m的導(dǎo)體等間距排列,導(dǎo)體為純銅,導(dǎo)體電阻率為1.7×10-8Ω·m,導(dǎo)體直徑0.01 mm,土壤電阻率100 Ω·m,相對(duì)介電常數(shù)εr為1。2.6/50 μs的1 kA雷電流從邊角網(wǎng)孔點(diǎn)注入。不同頻率下應(yīng)用本文提出模型計(jì)算的結(jié)果與CDEGS的結(jié)果比較如表1所示。

表1 不同頻率下的地網(wǎng)電位比較

Tab.1 Comparison of grounding grid potential under different frequency

電流頻率/kHz本文計(jì)算結(jié)果/VCDEGS計(jì)算結(jié)果/V誤差/%0.050.87230.8765-4.7507.47127.8624-5.020017.586317.9587-2.150020.965319.54207.3

CDEGS軟件是加拿大SES公司開(kāi)發(fā)的致力于任意形狀接地網(wǎng)接地參數(shù)計(jì)算的一款強(qiáng)大且權(quán)威的軟件,已經(jīng)被世界各地廣泛使用。它能夠快速處理接地網(wǎng)裝置在各種條件下的參數(shù)計(jì)算,從而為分析問(wèn)題帶來(lái)方便,但因其價(jià)格較高現(xiàn)在仍未普及。

由表1可知,本文提出的方法計(jì)算結(jié)果與CDEGS的結(jié)果誤差不超過(guò)5%,因此可以說(shuō)兩種結(jié)果基本相符,從而驗(yàn)證了本文方法的可行性和正確性。

4 土壤電阻率對(duì)沖擊接地網(wǎng)電位分布的影響

對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行改造時(shí),接地網(wǎng)直接埋在土壤中,導(dǎo)致接地網(wǎng)的接地導(dǎo)體與土壤直接接觸,因此土壤電阻率的變化勢(shì)必會(huì)影響地網(wǎng)電位分布。這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)生雷擊事故時(shí),土壤電阻率越大,使得土壤電離現(xiàn)象相對(duì)不容易發(fā)生,接地網(wǎng)流過(guò)接地導(dǎo)體的軸向電流和流散到土壤中的漏電流的分布就越均勻,使發(fā)生土壤電離的土壤區(qū)域增大,從而使得接地網(wǎng)電位分布的幅值增大。

單層接地網(wǎng)為50 m×50 m,埋深h=0.8 m,x和y方向都是6根長(zhǎng)50 m的導(dǎo)體等間距排列,導(dǎo)體為純銅,導(dǎo)體電阻率為1.7×10-8Ω·m,導(dǎo)體直徑0.01 mm,相對(duì)介電常數(shù)εr為1。2.6/50 μs的1 kA雷電流從邊角網(wǎng)孔點(diǎn)注入。土壤電阻率為100 Ω·m的沖擊接地網(wǎng)電位分布如圖1所示,土壤電阻率為200 Ω·m的沖擊接地網(wǎng)電位分布如圖2所示。

圖1 土壤電阻率為100 Ω·m的電位分布

圖2 土壤電阻率為200 Ω·m的電位分布

將圖1和圖2進(jìn)行對(duì)比可知,接地網(wǎng)沖擊特性下的電位分布隨著土壤電阻率的增大而增大,但大體變化趨勢(shì)相似。

5 結(jié) 論

1) 發(fā)生雷擊故障后,接地網(wǎng)電位經(jīng)過(guò)一系列的快速變化后會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定的值。

2) 本文計(jì)算的接地網(wǎng)沖擊電位的峰值與CDEGS的峰值相吻合。

3) 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特性與工頻接地網(wǎng)模型,建立雷電沖擊接地網(wǎng)模型,是求解雷電沖擊接地網(wǎng)參數(shù)的一種較準(zhǔn)確的方法。

4) 接地網(wǎng)沖擊特性下的電位分布隨著土壤電阻率的增大而增大。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Research on lighting impulse characteristics of grounding grid based on BP

LI Yan,WANG Lei

(College of Electrical Engineering， Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

In order to study the lightning impulse characteristics of grounding system, this paper describes the modeling process of the grounding system in single layer soil based on BP, and based on this model, calculates the grounding parameter, and using MATLAB programming calculates the method of this study, so as to obtain the potential distribution of grounding grid. Compared the result with that of CDEGS, it is verified that the two results corresponds, which proves the feasibility and accuracy of the method proposed in the paper.

BP neural network; leakage current; soil ionization; FOURIER transform; CDEGS

2015-01-14。

李 艷(1990—),女,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)。

TM711

A

2095-6843(2015)04-0318-03