基于BP神經網絡的接地網沖擊特性研究

李 艷,王 磊

(東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

基于BP神經網絡的接地網沖擊特性研究

李 艷,王 磊

(東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

為定性研究接地網系統雷電沖擊特性,闡述了基于BP神經網絡的單層土壤中接地網雷電沖擊模型的建立過程,并利用此模型計算了雷電沖擊特性下的接地網參數。同時,利用MATLAB對該計算方法進行了編程,從而求得接地網的地網電位分布,經與CDEGS計算結果進行比較,驗證了本文方法的可行性和正確性。

BP神經網絡; 漏電流; 土壤電離; 傅里葉變換; CDEGS

接地網的合理設計在保障電力系統安全運行中扮演重要的角色。接地網不僅能為變電站內的電氣設備提供一個公共參考點,而且還能將故障電流迅速流散到土壤中,進而有效控制地網電位的升高[1]。當發生雷擊時,會造成地網電位升高及接地系統部分電位差超出安全范圍,不僅危害運行人員的人身安全,而且能使高壓進入控制室而擴大事故[2]。因此,對接地系統雷電沖擊特性進行定性分析非常必要。目前有很多學者利用數值計算方法計算雷電沖擊特性下接地網的接地參數[3-6],但由于雷電的不穩定性因素較多,推導過程非常困難。本文基于BP神經網絡得到工頻接地網不等電位計算方法和接地導體半徑在雷電沖擊下的變化規律,進而建立接地網在雷電沖擊特性下的模型,并用MATLAB將此方法進行編程,計算單層土壤雷電沖擊特性下地網電位分布。

1 工頻單層土壤接地網模型

在接地網的分析過程中,流過每段接地導體的電流假設分為兩個部分:沿導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。在分析接地網不等電位時,場路結合的思想貫穿始終[7]。其中,“場”指的是電磁場即考慮導體之間的自互阻,“路”指的是電路即考慮導體的自電阻以及導體的自感和互感。基于有向圖的特性,運用軸向電流和泄漏電流列出接地網的節點電壓方程,通過公式的推導可得

(1)

式中:B為每段導體中部節點的自導;C為中部節點和所有端部節點間的互導;D為端部節點和所有中部節點間的互導;E為端部節點的自導;G為導體自導和導體間互導;φd為導體的中點電位;φc為導體的節點電位;I0為接地網節點處的注入電流。

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

2 雷電沖擊下接地網模型的建立

基于BP神經網絡特性與工頻單層接地網模型,建立雷電沖擊接地網模型。這樣不僅能夠預測沖擊接地網的地網電位分布,而且能提高所得結果的精度。

當發生雷擊故障時,雷電流經桿塔進入接地裝置,由于軸向電流和漏電流的存在,使得雷電流不僅在導體中傳送,而且會散流到大地形成漏電流。當大雷電流散流到接地導體附近的土壤時,在接地導體周圍產生瞬變電磁場[8]。如果該磁場足夠大,就會使土壤電場強度大于其臨界擊穿強度,從而發生土壤電離。目前在大多研究中,土壤臨界擊穿場強Ec均取300 kV/m。由于電離層可以等效成沿圓柱導體半徑的同心圓,再加上該電離層土壤電阻近似為零,因此,發生大雷擊故障時,接地導體的半徑相當于增加。另外,由于電流只在導體內部流動,因此不影響導體間的互感,僅與導體的電導〔G〕陣有關。當接地導體的半徑發生變化時,會導致〔G〕陣中的元素發生改變,且呈時變性。

雷電沖擊特性下接地網參數分析的思路是通過傅里葉變換將雷電流分解,分別求出各個頻域下對應的地網電位分布,然后利用傅里葉反變換將各個頻率下的響應進行疊加,即得接地網的沖擊特性。其具體過程如下:

1) 將接地網注入點雷電流進行傅里葉變換,由時域變成頻域。

2) 根據基于BP神經網絡工頻地網模型計算出各頻域下的漏電流和電位分布。

3) 已知接地導體長度l,半徑r,漏電流I,根據電流密度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強度E[(ω)]變成時域的場強E[(t)],當接地導體附近土壤的電場強度E[(t)]大于臨界擊穿場強Ec時,導體半徑r就會增加變成rc,具體比例關系為

5) 重新計算導體的電導〔G〕陣,用現有的rc代替r,需要注意的是接地導體半徑的變化在節點電壓法中對導體間互感沒有影響。

6) 伴隨〔G〕陣的變化,重新計算時域下的漏電流和土壤電場強度,多次計算直至滿足精度要求,就可以看作接地導體半徑不再變化。

7) 運用此時的〔G〕陣可求得漏電流和沖擊接地網的地網電位分布情況。

3 單層土壤雷電沖擊接地網實例計算

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

表1 不同頻率下的地網電位比較

Tab.1 Comparison of grounding grid potential under different frequency

電流頻率/kHz本文計算結果/VCDEGS計算結果/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公司開發的致力于任意形狀接地網接地參數計算的一款強大且權威的軟件,已經被世界各地廣泛使用。它能夠快速處理接地網裝置在各種條件下的參數計算,從而為分析問題帶來方便,但因其價格較高現在仍未普及。

由表1可知,本文提出的方法計算結果與CDEGS的結果誤差不超過5%,因此可以說兩種結果基本相符,從而驗證了本文方法的可行性和正確性。

4 土壤電阻率對沖擊接地網電位分布的影響

對接地網進行改造時,接地網直接埋在土壤中,導致接地網的接地導體與土壤直接接觸,因此土壤電阻率的變化勢必會影響地網電位分布。這是因為當發生雷擊事故時,土壤電阻率越大,使得土壤電離現象相對不容易發生,接地網流過接地導體的軸向電流和流散到土壤中的漏電流的分布就越均勻,使發生土壤電離的土壤區域增大,從而使得接地網電位分布的幅值增大。

單層接地網為50 m×50 m,埋深h=0.8 m,x和y方向都是6根長50 m的導體等間距排列,導體為純銅,導體電阻率為1.7×10-8Ω·m,導體直徑0.01 mm,相對介電常數εr為1。2.6/50 μs的1 kA雷電流從邊角網孔點注入。土壤電阻率為100 Ω·m的沖擊接地網電位分布如圖1所示,土壤電阻率為200 Ω·m的沖擊接地網電位分布如圖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進行對比可知,接地網沖擊特性下的電位分布隨著土壤電阻率的增大而增大,但大體變化趨勢相似。

5 結 論

1) 發生雷擊故障后,接地網電位經過一系列的快速變化后會趨于一個穩定的值。

2) 本文計算的接地網沖擊電位的峰值與CDEGS的峰值相吻合。

3) 基于BP神經網絡特性與工頻接地網模型,建立雷電沖擊接地網模型,是求解雷電沖擊接地網參數的一種較準確的方法。

4) 接地網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,研究方向為高電壓與絕緣技術。

TM711

A

2095-6843(2015)04-0318-03