雷击电动汽车充电站地电位升分析与计算-论文投.doc

雷击电动汽车充电站地电位升分析与计算陈涵；雷兴；金歆怡；盛炜；石天宇摘要 ：针对近年来热门的电动汽车领域以及关于充电站雷击保护资料的缺乏，本文对雷击充电站地电位变化进行了详细研究。充电站类似加油站，是集中对电动汽车进行充电的场所，其建设及维护成本均非常高，这使得充电站的安全性显得尤为重要。充电站雷击保护是其重要的安全防护措施，。本文以某中型充电站为对象，深入研究和解决电动汽车充电站在遭受雷击时地电位的变化情况。首先对本课题的国内外进展进行了简述；其次，本文利用CDEGS软件对充电站进行建模，之后模拟在不同土壤电阻率、不同雷击位置以及不同接地网结构下遭受雷击时地网电位升的情况，并分析各个因素的影响情况；最后，再联系根据现场实际情况提出了一些可行性措施。关键词：充电站；接地网；雷击；感应电压0 引言雷击变电站有大量而又详实的研究，而目前国内外目前鲜少有文献研究雷击充电站的情况。，但雷击变电站的文献却是大量而又详实的，并且充电站和变电站无论在接地网结构，还是在二次设备的敏感性方面都有非常大的相似之处。对变电站二次设备的防雷保护的研究最早是从电磁兼容的角度出发的。从20世纪60年代起，美国电力系统方面的专业人士就开始了对变电站电磁干扰问题的研究1。但在那个年代，其研究重点主要是在电子电路对电缆的电磁干扰过程，研究所得后来就是美国国家标准协会(ANSI，American National Standards Institute)制定的 ANSIC37.90 标准中的一部分2。雷电冲击大型场站的情况若进行实际的模拟则困难重重，故国内外的实验都主要研究高压开关动作时对二次电缆的影响3。德国的W.A.Heib介绍了一个屏蔽设计工程，此工程可以有效地屏蔽一部分由GIS变电站开关操作产生的雷电干扰，并给出测量结果4。南非的P.H.Pertorus 给出了在三个不同高电压等级的变电站测量到的雷电瞬态电磁干扰的初步结果5。英国的C.S.Barrack对现有变电站瞬态电磁干扰测量方法进行了综述，特别分析比较了不同测量系统的特性6。就国内来说，华北电力大学首次测量得到了在空载母线上进行开关操作时，母线和设备之间的连线附近区域的瞬态电磁干扰情况7-8，其有自主研制的瞬态电磁场测量系统。武汉高压研究所在进行了大量的分析、测量和标准化工作后，负责起草了500kV变电所保护和控制设备抗扰度要求。南京自动化研究院和四方公司的研究工作则主要侧重于二次设备的抗干扰问题。清华大学对变电站接地及电力线路对附近金属管线的干扰等问题进行了分析研究9。1 雷击充电站对电子设备的影响 1.1 雷电流 雷电流由于有几种显著地特性，例如电磁、机械、热效应等，会对电气设备造成很严重的危害。冲击电流在遭受雷击物体的地方，会形成较高幅值的冲击电压波，这种电压波会对电气设备的绝缘性能造成破坏。输电线路遭受雷击将引起两种严重的破坏性后果：一、侵入变电站的雷电波在站内经历复杂的折反射，将在电力设备上产生幅值极高的过电压，破坏设备的绝缘性能，从而造成停电事故。二、线路会发生短路接地，虽然雷电过电压作用时间极短，但导线对地（杆塔或避雷线）闪络后，沿着闪络通道工频电压将继续放电，有可能发展为工频电弧接地，从而引起继电保护装置动作，断路器跳闸，造成停电事故10。输电线路的耐雷水平主要受杆塔的波阻抗和接地电阻的影响。 1.2 雷电流模型雷电流幅值取决于雷云中的电荷量，满足统计规律。在以往的研究中，变电站的二次设备及其电子回路受到影响的主要来源是雷击。当输电线路或者变电站受到雷击时，雷电流会经过保护装置如避雷器、避雷线或者避雷针的接地引下线流入接地网。由于接地网具有阻抗，尤其是感抗的作用，会使得雷电流在接地网中的电位分布极不均匀。另一方面，由于接地网中接地体的电流随时间变化率(di/dt)非常大，就会在接地网二次线上感应产生很高的电动势。由于电动汽车充电站与变电站在很多方面都很相似，其遭受雷击时对内部产生何种程度的影响是研究重点我们所关心的内容。在本文中，雷电流选择10kA，1.2/50标准雷电流，如图1。图1 雷电流仿真波形 1.3 雷击充电站接地网对二次电缆耦合机理雷击会产生非常大的电流，避雷器和避雷针作为雷电泄流通道，可以将雷电流导入接地网。如图 1 2 所示，当流过 A、B两点时会产生地电位差，而由于二次电缆的屏蔽层与地网的 A、B两点相连，所以产生的电压差相当于在两点间接入了一个电压源UAB，图中ZAB为两点间的接地阻抗。干扰电流会对电缆芯线产生耦合，耦合的过程为：干扰电流通过接地体ZL流入二次电缆的屏蔽层，从而通过转移阻抗Zft对电缆芯线产生耦合。而电缆芯线上产生的干扰信号与电缆电压、电流相叠加。电缆连接的二次设备存在可承受的干扰信号的最大值，当干扰电压、电流的幅值超过该最大值后，就会影响二次设备的正常使用，甚至会对二次设备造成损坏，从而造成干扰事故。同时地网存在地电位差，该电位差较大时会形成较大的跨步电压和接触电压，很容易造成人员伤亡11。在双端接地方式下，二次电缆的两端接地点之间会产生共模干扰电压。感应出的共模干扰存在微小差异，并且信号回路阻抗不同，由于存在的差异和不同使共模电压转换为差模电压，并对芯线产生干扰。 Zf 屏蔽电缆 Zf ZL UAB ZL ZAB C A B图2 地网电位升对二次电网干扰示意图2 雷击电动汽车充电站接地网建模方法 CDEGS软件可计算在正常运行时、故障条件下、雷击情况下，以及操作暂态条件下，任意由地上或地下的带电导体所组成网络中的电流和电磁场。2.1充电站接地网建模本文以某中型充电站为例，面积约为1600平方米。，充电站内设置有若干台充电机。本章利用CDEGS软件中的HIFREQ模块建立了包括棚架在内的完整接地体，考虑了不同土壤电阻率、不同雷击位置、不同接地体结构等三个方面内容。通过施以幅值为1的冲击雷电流（1为基准量，对应10kA），后续用MATLAB软件进行变成，对CDEGS中运算结果得到的F09文件进行读取，并施以标准雷电流，从而求出棚架下方17段跟接地体中间点在雷击条件下的感应电压分布情况。 电动汽车充电站防雷与接地的要求如下：在建筑物楼顶，棚架顶部埋设避雷带，预防直击雷。屋顶、棚架顶避雷带的敷设采用12镀锌圆钢在屋面组成不大于10m*10m或12m*8m的网格，并用50*5扁钢沿墙或柱多点引下（间距不超过18m）。避雷带应在容易遭受雷击的位置敷设。屋角、屋脊、屋檐和檐角等这些地方都是易受雷击点。充电机主接地网以水平接地体为主，辅以垂直接地极，水平接地体采用50*5 热镀锌扁钢。为了限制接地网的接地电阻大小，在站内地网四个角和中心位置深钻接地极。接地材料必须通过热稳定校验，在此过程中要考虑到腐蚀因素的影响，接地电阻不可以超过4欧姆。本文在参数设置上如下：频率范围为01000000Hz，在绝大部分位置以10000Hz为间隔（起始频率为0Hz、50Hz、5000Hz、10000Hz），共选取103个频点；用幅值为1的雷电流对此充电站进行雷击实验，得到棚架下方17段接地体中间点点的感应电压的幅值。首先，应建立完整的充电站模型，包含棚架和接地网。如图3所示。图3 充电站接地网模型图其中，上层部分为棚架，其高度距离地面为7.8m，大小尺寸为18m*27m，有四个柱子引下接入接地网。地下部分的接地网埋设深度为0.7m，大小尺寸为67.5m*36m，完全覆盖棚架范围。水平地网则按照要求采用50*5热镀锌扁钢，并设置了长度为2.5m的垂直接地极，以及长度为10m的四角深钻接地极和中央深钻接地极。 由充电站图片可知，充电站的结构类似加油站，充电机都是放置在棚架的下方。所以在本文中，故本文仅考虑棚架下方的117号接地体作为研究对象，编号如图4所示，分析其感应电压的情况。图4 导体编号图接地体的接地电阻可以用式（1）来表示12： (1) 上式中：l接地体的总长度，本次建模接地体总长度为725m；h水平接地体的埋深，为0.7m；d水平接地体的直径，本次建模应用的是50*5热镀锌扁钢，故等效直径为0.0138m；导线的电阻率，正常情况下取100m，潮湿情况下可取50m，考虑不同的土壤以及其潮湿情况，可依次取150m 及 200m； A屏蔽系数，与水平接地体的形状有关。，本次建模应用的是50*5 热镀锌扁钢，因此，屏蔽系数A取1.6。按照上述接地方式进行接地电阻计算，根据正常情况下的土壤电阻率，在这里取100m，计算得，该接地网接地电阻的计算值为0.029。而在建模过程中，50Hz 情况下接地电阻的结果是0.023，与式（1）计算的结果相差不大，并且其满足接地电阻不大于4的要求，说明接地电阻满足条件。2.2 充电站接地网地电位升的影响因素2.2.1 土壤电阻率对地电位升的影响土壤电阻率是接地工程计算中一个常用的参数，直接影响接地装置接地电阻的大小、地网地面电位分布、接触电压和跨步电压。土壤电阻率是单位长度土壤电阻的平均值，是决定接地体电阻的重要因素。本文本节分别分别考虑了考虑了：正常情况下砂质黏土的土壤电阻率100m，。在雨天时其，土壤电阻率下降到50m；正常情况下黄土的土壤电阻率为200m，而在雨天时其，土壤电阻率下降到150m。雷击位置统一选择雷击点1，如图5所示。图5 充电站雷击位置1仿真结果如图6所示。图6 土壤电阻率对感应电压的影响由图6得知，土壤电阻率为50m时，6号接地体的电压峰值17.68kV，而土壤电阻率为200m时，6号接地体的电压峰值为31.36kV，约为前一种条件下的两倍。从总体趋势来看，在相同位置上的接地体，在雷击发生时，土壤电阻率越小，则接地体上感应的电压数值也就越低。2.2.2 不同雷击位置对地电位升的影响本文选择充电站接地网的四个不同雷击位置进行研究，本节对于充电站接地网的雷击位置如图7所示。图7 不同雷击位置 保持土壤电阻率为100m，仿真得到棚架下方接地体感应电压情况，如图8所示。图8 雷击位置对感应电压的影响 从图8中可以看出，就整体的趋势上来说，雷击位置点1造成的接地网电位升比其它三个雷击位置点造成的接地网电位升要高。由图3-5关于雷击点的位置可以得出，当雷击棚架的边缘时，接地体感应电压最大，造成的影响最为严重；而越靠近棚架的中间时，其造成的接地体地电位升越低。2.2.3 不同接地网结构对地电位升的影响保持土壤电阻率为100m，雷击点为点1。当接地网不完整时，即有断开的情况。当一柱引下时，如图9所示。图9 一柱引下 两柱和三柱引下分别如图10和图11所示。图10 两柱引下图11 三柱引下 仿真得到棚架下方接地体感应电压，结果由图12可得。图12 接地网结构对感应电压的影响由图12可以知道：在同一种接地网结构中感应电压分布与距离有关；即距离雷击位置越近的接地体，感应电压越大；反之，则越小。 就同一种接地网结构的变化趋势而言，一柱引下的变化梯度最大，两柱引下其次，再次是三柱引下。这说明了当与接地网相连的接地体越多的时候，整个接地网的感应电压分布相对更加均匀；当与接地网相连的接地体越少的时候，整个接地网的感应电压分布差别越大，这可以证明接地体具有雷击引流的作用。3电子设备抗干扰措施 为减少二次干扰的影响，降低其危害，可以从以下两个角度入手解决13：第一，采取相应措施，防止线抗产生干扰，或减小干扰源产生的干扰的幅值；第二，从硬件角度入手，改造二次设备，提高其抗干扰的能力。具体有以下三种解决方案13：（1）采用屏蔽电缆可靠接地 电缆的屏蔽外层通过两端接地，这样能够有效的使二次干扰的强度得到明显的降低，达到更好的效果，接地的状况越良好，屏蔽的效果就会越显著，就可以更好得达到要求。采用多点接地的方式，至少两点接地，多点接地时，屏蔽层间的静电耦合也可以得到相应的减小。（2）降低土壤电阻率 通过上面的仿真我们可以得到以下结论，通过降低地网的土壤电阻率从而降低接地电阻，可以成功的达到减小电缆上的干扰电压的目的；现实生活中，我们将避雷针引下线的接地点尽量靠近地网中心，从而能够顺利的减小电缆上的干扰电压。（3）增加接地网网格密度 通过减小接地引下的长度并且增大接地导线的截面，使接地网和设备接地引线的冲击阻抗减小，可以有效的减小地电位的升高。4 结论 当雷击充电站时，雷电流会通过避雷针引入接地网，但是由于快速变化的电流和电压，会对充电机等电子设备产生干扰；但是不同情况、不同位置的感应电压都是不同的。因此，本文主要研究各种条件下雷击充电站地电位升的变化情况。 本文对某中型充电站用CDEGS软件进行建模，建立其包括棚架在内的完整接地网，并模拟其在不同土壤电阻率、遭受不同位置上的雷击，以及接地网不完整有断线的情况下，棚架下接地体感应电压的情况，分析各个因素下的变化情况，得到充电机外壳上可能的最大感应电压。将上述三种影响因素的影响情况整理如下： 在三个影响因素中，接地网的结构对接地体电位升的影响比土壤电阻率和雷击位置的影响要大。 在土壤电阻率的影响中，当土壤电阻率越大时，整个接地体的感应电压也越大；反之则越小。 当雷击位置在棚架的边缘时，接地体的感应电压最大，造成的电位升影响最严重，而越靠近棚架中间时，其造成的电位升越低。 当只有一柱引下时，并且雷击位置正好在此柱上时，雷击电流的幅值达到了最大，也是各种断线情况中最严重的，这说明接地网断线时，接地体感应电压会大幅增加，在现实中，应避免接地网的断线。 在各段接地体中，一柱引下时感应电压的变化梯度也越大；其次是两柱引下时的变化梯度，再次是三柱引下时的变化梯度。这说明接地体数量越多对于雷电流的引流作用也越明显。 当发生雷击的时候，一般来说，距离雷击位置越近的接地体感应电压越大；距离雷击位置越远的接地体感应电压越小。 不论哪根接地体遭受雷击，或者由进线传导过来的雷电流，或者接地网是否完好，支撑棚架的柱子下的充电机都是会出现比其它位置的充电机更大的感应电压，这就为棚架柱子下的充电机防雷保护提出了更高的要求。 因此，对充电站的直击雷保护一定要引起足够的重视，才能保障车辆、设备和人身的安全，更安全地享受高科技带来的便利。参考文献1田志岗. 变电站二次系统防雷接地及现场测试方法研究 D.西华大学,2013.2EPRI EL. 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