基于BP神经网络的接地网冲击特性研究

李 艳,王 磊

(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)

基于BP神经网络的接地网冲击特性研究

李 艳,王 磊

(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)

为定性研究接地网系统雷电冲击特性,阐述了基于BP神经网络的单层土壤中接地网雷电冲击模型的建立过程,并利用此模型计算了雷电冲击特性下的接地网参数。同时,利用MATLAB对该计算方法进行了编程,从而求得接地网的地网电位分布,经与CDEGS计算结果进行比较,验证了本文方法的可行性和正确性。

BP神经网络; 漏电流; 土壤电离; 傅里叶变换; CDEGS

接地网的合理设计在保障电力系统安全运行中扮演重要的角色。接地网不仅能为变电站内的电气设备提供一个公共参考点,而且还能将故障电流迅速流散到土壤中,进而有效控制地网电位的升高[1]。当发生雷击时,会造成地网电位升高及接地系统部分电位差超出安全范围,不仅危害运行人员的人身安全,而且能使高压进入控制室而扩大事故[2]。因此,对接地系统雷电冲击特性进行定性分析非常必要。目前有很多学者利用数值计算方法计算雷电冲击特性下接地网的接地参数[3-6],但由于雷电的不稳定性因素较多,推导过程非常困难。本文基于BP神经网络得到工频接地网不等电位计算方法和接地导体半径在雷电冲击下的变化规律,进而建立接地网在雷电冲击特性下的模型,并用MATLAB将此方法进行编程,计算单层土壤雷电冲击特性下地网电位分布。

1 工频单层土壤接地网模型

在接地网的分析过程中,流过每段接地导体的电流假设分为两个部分:沿导体方向的定义为轴向电流,流散到土壤中的定义为泄漏电流。在分析接地网不等电位时,场路结合的思想贯穿始终[7]。其中,“场”指的是电磁场即考虑导体之间的自互阻,“路”指的是电路即考虑导体的自电阻以及导体的自感和互感。基于有向图的特性,运用轴向电流和泄漏电流列出接地网的节点电压方程,通过公式的推导可得

(1)

式中:B为每段导体中部节点的自导;C为中部节点和所有端部节点间的互导;D为端部节点和所有中部节点间的互导;E为端部节点的自导;G为导体自导和导体间互导;φd为导体的中点电位;φc为导体的节点电位;I0为接地网节点处的注入电流。

基于式(1)可以得出导体的中点电位和端点电位,从而得出漏电流〔I〕阵,然后根据格林函数即可得到地网的电位分布情况,即〔U〕阵。

2 雷电冲击下接地网模型的建立

基于BP神经网络特性与工频单层接地网模型,建立雷电冲击接地网模型。这样不仅能够预测冲击接地网的地网电位分布,而且能提高所得结果的精度。

当发生雷击故障时,雷电流经杆塔进入接地装置,由于轴向电流和漏电流的存在,使得雷电流不仅在导体中传送,而且会散流到大地形成漏电流。当大雷电流散流到接地导体附近的土壤时,在接地导体周围产生瞬变电磁场[8]。如果该磁场足够大,就会使土壤电场强度大于其临界击穿强度,从而发生土壤电离。目前在大多研究中,土壤临界击穿场强Ec均取300 kV/m。由于电离层可以等效成沿圆柱导体半径的同心圆,再加上该电离层土壤电阻近似为零,因此,发生大雷击故障时,接地导体的半径相当于增加。另外,由于电流只在导体内部流动,因此不影响导体间的互感,仅与导体的电导〔G〕阵有关。当接地导体的半径发生变化时,会导致〔G〕阵中的元素发生改变,且呈时变性。

雷电冲击特性下接地网参数分析的思路是通过傅里叶变换将雷电流分解,分别求出各个频域下对应的地网电位分布,然后利用傅里叶反变换将各个频率下的响应进行叠加,即得接地网的冲击特性。其具体过程如下:

1) 将接地网注入点雷电流进行傅里叶变换,由时域变成频域。

2) 根据基于BP神经网络工频地网模型计算出各频域下的漏电流和电位分布。

3) 已知接地导体长度l,半径r,漏电流I,根据电流密度J的定义可得

由公式J=σE+jωεE可得

4) 利用傅里叶反变换将频域下的土壤电场强度E[(ω)]变成时域的场强E[(t)],当接地导体附近土壤的电场强度E[(t)]大于临界击穿场强Ec时,导体半径r就会增加变成rc,具体比例关系为

5) 重新计算导体的电导〔G〕阵,用现有的rc代替r,需要注意的是接地导体半径的变化在节点电压法中对导体间互感没有影响。

6) 伴随〔G〕阵的变化,重新计算时域下的漏电流和土壤电场强度,多次计算直至满足精度要求,就可以看作接地导体半径不再变化。

7) 运用此时的〔G〕阵可求得漏电流和冲击接地网的地网电位分布情况。

3 单层土壤雷电冲击接地网实例计算

单层接地网为50 m×50 m,埋深h=0.8 m,x和y方向都是6根长50 m的导体等间距排列,导体为纯铜,导体电阻率为1.7×10-8Ω·m,导体直径0.01 mm,土壤电阻率100 Ω·m,相对介电常数εr为1。2.6/50 μs的1 kA雷电流从边角网孔点注入。不同频率下应用本文提出模型计算的结果与CDEGS的结果比较如表1所示。

表1 不同频率下的地网电位比较

Tab.1 Comparison of grounding grid potential under different frequency

电流频率/kHz本文计算结果/VCDEGS计算结果/V误差/%0.050.87230.8765-4.7507.47127.8624-5.020017.586317.9587-2.150020.965319.54207.3

CDEGS软件是加拿大SES公司开发的致力于任意形状接地网接地参数计算的一款强大且权威的软件,已经被世界各地广泛使用。它能够快速处理接地网装置在各种条件下的参数计算,从而为分析问题带来方便,但因其价格较高现在仍未普及。

由表1可知,本文提出的方法计算结果与CDEGS的结果误差不超过5%,因此可以说两种结果基本相符,从而验证了本文方法的可行性和正确性。

4 土壤电阻率对冲击接地网电位分布的影响

对接地网进行改造时,接地网直接埋在土壤中,导致接地网的接地导体与土壤直接接触,因此土壤电阻率的变化势必会影响地网电位分布。这是因为当发生雷击事故时,土壤电阻率越大,使得土壤电离现象相对不容易发生,接地网流过接地导体的轴向电流和流散到土壤中的漏电流的分布就越均匀,使发生土壤电离的土壤区域增大,从而使得接地网电位分布的幅值增大。

单层接地网为50 m×50 m,埋深h=0.8 m,x和y方向都是6根长50 m的导体等间距排列,导体为纯铜,导体电阻率为1.7×10-8Ω·m,导体直径0.01 mm,相对介电常数εr为1。2.6/50 μs的1 kA雷电流从边角网孔点注入。土壤电阻率为100 Ω·m的冲击接地网电位分布如图1所示,土壤电阻率为200 Ω·m的冲击接地网电位分布如图2所示。

图1 土壤电阻率为100 Ω·m的电位分布

图2 土壤电阻率为200 Ω·m的电位分布

将图1和图2进行对比可知,接地网冲击特性下的电位分布随着土壤电阻率的增大而增大,但大体变化趋势相似。

5 结 论

1) 发生雷击故障后,接地网电位经过一系列的快速变化后会趋于一个稳定的值。

2) 本文计算的接地网冲击电位的峰值与CDEGS的峰值相吻合。

3) 基于BP神经网络特性与工频接地网模型,建立雷电冲击接地网模型,是求解雷电冲击接地网参数的一种较准确的方法。

4) 接地网冲击特性下的电位分布随着土壤电阻率的增大而增大。

[1] 何金良,曾嵘.电力系统接地技术[M].北京:科学出版社,2007:290-296. HE Jinliang, ZENG Rong. Power system grounding technolo-gy [M]. Beijing: Science Press, 2007:290-296.

[2] 司马文霞,李晓丽,袁涛,等.不同结构土壤中接地网冲击特性的测量和分析[J].高电压技术,2008,34(7):1342-1346. SIMA Wenxia, LI Xiaoli, YUAN Tao, et al. Measurement and analysis of impulse characteristics of grounding grids in different soil structure [J]. High Voltage Engineering, 2008,34(7):1342-1346.

[3] 张建刚,魏绍东,常安,等.分层土壤中接地体冲击特性的仿真研究[J].武汉大学学报,2014,47(4):490-493. ZHANG Jiangang, WEI Shaodong, CHANG An, et al. Simulated research on the impulse characteristics of grounding equipment in layered soil [J]. Journal of Wuhan University, 2014,47(4):490-493

[4] 朱时阳,袁涛,朱彬.分层土壤中接地装置冲击散流特性的有限元分析模型[J].电网技术,2014,38(8):2304-2309. ZHU Shiyang, YUAN Tao, ZHU Bin. Finite element model of impulse dispersing characteristics of grounding equipment in layered soil [J]. Power System Technology, 2014,38(8):2304-2309.

[5] 李中新,袁建生,张丽萍.变电站接地网模拟计算[J].中国电机工程学报,1999,19(5):76-79. LI Zhongxin, YUAN Jiansheng, ZHANG Liping. Numerical calculation of substation grounding system [J]. Proceedings of the CSEE, 1999,19(5):76-79.

[6] 鲁志伟,文习山,史艳玲,等.大型变电站接地网工频接地参数的数值计算[J].中国电机工程学报,2003,23(12):89-93. LU Zhiwei, WEN Xishan, SHI Yanling, et al. Numerical calculation of large substation grounding grids in industry frequency [J]. Proceedings of the CSEE, 2003,23(12):89-93.

[7] 鲁志伟,马文婧,宋文国,等.新立变电站接地系统安全性能研究[J].东北电力大学学报,2012,32(6):28-32. LU Zhiwei, MA Wenjing, SONG Wenguo, et al. Research on the safety performance of substation grounding system [J]. Journal of Northeast Dianli University, 2012,32(6):28-32.

[8] 王阳,常树生,董健.接地网的雷电冲击特性[J].东北电力大学学报,2008,28(4):73-77. WANG Yang, CHANG Shusheng, DONG Jian. Lightning impulse characteristics of grounding grids [J]. Journal of Northeast Dianli University, 2008,28(4):73-77.

(责任编辑 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 艳(1990—),女,在读硕士研究生,研究方向为高电压与绝缘技术。

TM711

A

2095-6843(2015)04-0318-03