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青藏铁路输变电系统防雷及接地技术的研究

付龙海  
【摘要】: 青藏铁路格拉段地处青藏高原腹地,全长1100km,全线84%的线路在海拔4000m以上,50%以上线路穿过多年冻土地区,该地区雷暴活动频繁、土壤电阻率达到3000Ω·m以上,冻土、高原问题是青藏铁路建设的三大难题之二。青藏高原独特的地理环境和气候条件,为青藏铁路输变电系统防雷接地系统设计、施工带来了前所未有的困难。目前,国内外对于青藏铁路输变电系统防雷接地的研究基本上还处于空白,需有针对性地开展此方面的系统研究,以保证青藏铁路的正常运行。 本文通过分析青藏铁路格拉段雷暴活动情况,从雷暴的形成、特征、活动规律及雷电流参数和地闪等方面介绍了该地区的雷暴特点,总结出格拉段铁路所经地区的雷暴特点和分布规律,就该地区输变电系统防雷接地工程的实施和防护原则提出了建议。为了保证沿线110kV输电线路的耐雷水平并降低施工难度,提出了安装避雷器和提高杆塔接地电阻允许值相配合的方式来保证输电线路的耐雷水平满足设计要求。建立了110kV输电线路耐雷水平计算模型,仿真分析了一基、多基杆塔上无避雷器、不同避雷器支数及不同布置方式对线路耐雷水平的影响,给出了建议的避雷器安装方式和杆塔接地电阻允许值,并对线路遭受雷击时避雷器的放电电流和吸收能量进行了分析。 为了提高变电站接地系统的降阻效果,分析了格拉段地质条件和冻土分布情况,通过试验找出了典型土壤的电阻率受含水量、温度变化的影响规律。从接地网面积的选择、垂直接地体的选用及季节变化对立体地网影响等方面分析了立体地网在冻土地区的接地降阻效果,提出了格拉段变电站接地网的设计原则。为了进一步提高接地网的降阻效果,研制了新型接地装置—接地模块,该模块通过与土壤良好接触、增加等效半径等方式降低接地电阻。并给出了接地模块接地电阻的计算公式,分析了接地网利用系数随模块个数变化的规律。 获得准确的土壤结构参数是进行接地系统设计的基础。根据望昆-楚玛尔河段变电站站址现场测得的视在电阻率-极间距曲线,将遗传算法引入土壤结构参数的优化计算,得到了准确的土壤结构参数。为了降低在多层土壤中进行接地电阻计算的难度,提出了将双层水平土壤等效成单层土壤结构的方法。分析了不同参数变化对等效单层土壤模型的影响,认为反射系数、上层土壤厚度和接地网面积等因素对等效单层土壤模型的建立起着主要的影响。为了定量的、快速的得到水平双层土壤对应的等效单层土壤结构,通过BP神经网络的强逼近能力,建立了等效单层土壤模型的求解模型。 为了在进行接地网均压带不等间距设计时,减少均压导体数量和提高均压效果,建立了接地网均压带优化布置的计算模型,利用遗传算法进行了优化计算,并从适应度函数选取、交叉变异方式等方面进行了改进,从而可根据现场土壤结构和接地网形式得到接地网不等间距均压带的布置形式。获得准确的设计规则,是建立接地网设计专家系统的基础。为了获得建立青藏铁路变电站接地网设计专家系统所需的模糊规则,提出了神经网络和遗传算法相结合的方法自动生成模糊规则。首先建立了用于青藏线接地网接地电阻求解的遗传优化神经网络,从而可以快速的得到所需的样本数据。然后利用模糊建模的方式得到接地网设计的模糊规则,并利用遗传算法对模糊规则进行了优化,得到了适合青藏线变电站接地网设计的模糊规则。 对接地网进行定期的维护和测量是保障变电站接地网正常运行的必要措施。通过对接地网腐蚀断裂点诊断模型的优化计算,使得设计者仅测量可及节点端口电阻变化,即可得到接地网导体的腐蚀断裂情况,可用于青藏铁路变电站接地网的无损诊断。提出了新型接地电阻测量装置,该装置可根据现场土壤结构和接地网情况,确定电流、电压极的布置形式,并用变频技术以减少干扰,保证测量准确度,降低青藏线接地网接地电阻测量时所需的人力物力。


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