（电力系统及其自动化专业论文）地网冲击接地阻抗测量系统的设计.pdf

西华大学硕士学位论文 d e s i g n i n g o fm e a s u r i n gs y s t e mf o rg r o u n d i m p e d a n c e o fe a r t hs c r e e n m a j o ro fe l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e ：w a n g b i n t u t o r ：l ij i a n m i n gd a i y u s o n g a st h ed e v e l o p m e n ta st h ep o w e rs y s t e m t h ee x p a n s i o no fe l e c t r i c a ln e t w o r k s c a l e ，a n dt h e a p p l i c a t i o n o fv a r i o u s m i c r o c o m p u t e rm o n i t o r i n ga i d s ，t h e r e q u i r e m e n to fg r o u n d i n gi sm o r ea n dm o r es t r i c t a n do n eo ft h em o s ti m p o r t a n t s t a n d a r d so f g r o u n d i n gi st h ev a l u eo f t h ee a r t hs c r e e n b u tt h er e s u l t so fm a n ym e a s u r i n gm e t h o d sf o rg r o u n dr e s i s t a n c ew e r eg r o u n d r e s i s t a n c eu n d e ri n d u s t r i a lf r e q u e n c y , a n dt h o s em e t h o d sc o u l dr i s ea c c u r a c yo f m e a s u r e m e n to rr e d u c et h en o i s ew h e nm e a s u r i n g e v e nt h ef r e q u e n c y - c h a n g i n g m e t h o da n dd i f f e r e n tf r e q u e n c ym e t h o dc o u l do n l yc o m p u t et h eg r o u n dr e s i s t a n c e u n d e ri n d u s t r i a lf r e q u e n c y a f t e rt h el o n gt i m eo b s e r v a t i o na te l e c t r i cp o w e r p l a n ti nm a n yp l a c e s ，h o w e v e r , w ef o u n dt h a tt h em o s tc u r r e n te a r t hs c r e e nr e c e i v e dw a s l i g h t n i n gc u r r e n t , a n dt h e l i g h t n i n gc u r r e n ti sa ni n s t a n tu n i p o l a rp u l s ew i t hs t e e pw a v ef r o n t , a n dc o n t e n t s p l e n t i f u lf r e q u e n c i e s t h ep r o c e s sw a sd i f f e r e n tw h e nl i g h t n i n gc u r r e n tf l o w e di n t o e a r t hs c r e e nc o m p a r e st oc o n v e n t i o n a lm e a s u r i n gs i g n a l u n d e rt h ei m p u l s ec u r r e n tc i r c u m s t a n c e s ，g r o u n dr e s i s t a n c ew a ss t i l lw o r k i n g , b u tt h er e a c t i v er e s i s t a n c ec o u l dn o tb ei g n o r e d ，e v e ni ti st h em o s ti m p o r t a n t c o m p o n e n t s o ，t h ec o n c e p to fg r o u n dr e s i s t a n c eu n d e ri n d u s t r i a lf r e q u e n c yw a sn o t w o r k i n gw h e nr e f e r r e dt oi m p u l s ec u r r e n t w es h o u l ds t u d yt h ee a r t hs c r e e n s i m p e d a n c eu n d e rt h ei m p u l s ec u r r e n t s o ，w em a d et h ee x p e r i m e n t so ue a r t hs c r e e nw i t hi m p u l s ec u r r e n tb a s e do nt h e 西华大学硕士学位论文 c o n c e p to fi m p u l s eg r o u n d i n gi m p e d a n c ea n dt h ea d v a n t a g e so fc o n v e n t i o n a l m e t h o d s ，a n dw ew o r k e do u tt h er e s u l t so fr e s i s t a n c ea n di n d u c t a n c eb yo p t i m i z e d a r i t h m e t i c a f t e ra n a l y z e dt h ed a t af r o mt h es o g u e ，w ec o n f i r m e dt h a tt h i ss y s t e m d e s e r v e dp o p u l a r i z a t i o n k e yw o r d s ：i m p u l s eg r o u n di m p e d a n c e ，i m p u l s ec u r r e n t , s p e c t r u ma n a l y z i n g , a n d e a r t hs a c 蚰 m 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同学对本研究室做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明，并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签字： 导师签字： 2 研年月日 1 7 卿年占玛gb 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 接地的历史可从避雷针开始。富兰克林在1 7 5 2 年进行了有名的风筝实验。 当年他就发明了避雷针，由于防雷电灾害的效果显著，在全世界范围内得到推 广。富兰克林发明的最初的避雷针，是把一根长2 米至3 米高的金属杆铁棒立 在建筑物上，用金属线使它和地面相连接，等到雷雨天气，雷电沿着金属线流 向地下，建筑物就不会遭雷击了。因为避雷针是把雷电的能量安全释放入大地 的设备，它的足部与大地确保被短接是必要的，这样就产生了接地技术【。 接地技术早就被广泛应用在电力、微波通讯、建筑、气象以及家居等领域。 尤其是随着电力系统的发展，电网规模的不断扩大，接地短路电流越来越大， 各种微机监控设备的普遍应用，对接地的要求越来越高。接地装置不仅仅对工 频接地电阻，而且对冲击接地电阻、热稳定、设备接触电位差、跨步电位差、 地电流干扰也有一系列的要求。随着高度信息化社会的到来，工矿企业、楼堂 馆所，甚至家庭都正在开始或即将开始进入自动化、智能化的时代。为了保证 和提高这些现代化设施与设备工作的可靠性、安全性，接地技术的利用是必不 可少的。 接地的好坏直接关系到设备和人身的安全，特别是发电厂、变电站的接地 网不但要满足工频短路电流的要求，还要满足雷电冲击电流的要求。以前由于 接地网的缺陷，曾发生了不少事故，事故的原因既有地网接地电阻方面的问题， 又有地网均压方面的问题。随着电网的发展，特别是发电厂、变电所内微机保 护、综合自动化装置的大量应用，这样的弱电设备对接地网要求更高，地电位 的干扰对监控和自动化装置的影响不得不引起人们的重视。 在电力系统中为了工作和安全的需要，常需将电力系统及其电气设备的某 些部分与大地相连接，这就是接地。从现状来看，接地仍是应用最广泛的电气 安全措施。不论是强电设备还是弱电设备，不论是交流电设备还是直流电设备， 不论是高压设各还是低压设备，不论是固定式设备还是移动式设备，不论是生 产用设备还是生活用设备，也不论是发电厂还是用户，都采用不同方式、不同 用途的接地措施。 西华大学硕士学位论文 电气设备的接地，按其目的的不同可分为下列几种： ( 1 )保护接地。为了保证人身的安全，电气设备的外壳必须接地，这种 接地称为保护接地，当电气设备绝缘损坏而使外壳带电时，流过保护接地体的 故障电流应使相应的保护装置动作，切除已损坏的设备，或使外壳的电位降低 到安全值以下，从而避免因电气设备外壳带电而造成的触电事故。 ( 2 ) 工作接地。为了降低电力设备的绝缘水平，我国在1 1 0 k v 及以上的 电力系统中多采用中性点接地的运行方式，在两线一地的双极高压直流输电中 也需将其中性点接地，这种接地称为工作接地。在交流系统中，正常情况下流 过工作接地电极的电流是不大的不平衡电流，只是在系统发生接地故障时才会 流过高达数十千安的短路电流，但持续时间不长( 一般在0 5 s 左右) ，而直流系 统在单极运行时，会有数以千安的工作电流长期流过接地电极。 ( 3 )防雷接地。为了避免雷电的危害，避雷针、避雷线和避雷器等防雷 设备都必须配以相应的接地装置以使雷电流导入大地，消除过电压的危险，这 种接地称为防雷接地。流过防雷接地体的是时间很短( 一般为数十微秒) 的雷电 流，其值有时可达数十至数百千安围。 1 2 接地电阻测量技术的发展 1 2 1 按地电阻测量方法的发展 五六十年代我国沿用前苏联的5 d + 4 0 米测量地网的接地电阻，误差很大。 七十年代开始采用优选法，后期又提出了三极法，包括直线和三角布置的 补偿法，形成了 s d j 8 - - 7 9 电力设备接地设计技术规程的测量方法。 八十年代在三极法的基础上，增加了一个辅助极( 第四极) ，结合利用倒相 法来消除测量中的干扰。后来，在理论和实践中进一步得到发展。 异频法早在5 0 年代，先进国家就提出了用异于工业频率的实验电流测量 带电设备接地装置接地电阻的设想。但限于当时电子技术的水平，未能付诸实 现。到了七十年代前后，日本、加拿大、墨西哥等国成功的应用了6 0 _ + 1 0 h z 、 5 0 _ + 1 0 h z 进行了工频接地电阻的测量。1 9 8 5 年c i g r e ( 国际大电网会议) 主席 来华讲学，介绍了变频技术的发展与应用情况后，我国各地电力实验研究所分 西华大学硕士学位论文 别开展了变频电源及带通滤波器的研制工作。9 0 年代国内研究取得了一些进 展，由于技术或方法上的原因，未能达到使用的水平。近几年取得了新的突破。 用瓦特表法测量接地电阻，四五十年代就有文献记载，后来舍而不用是因 为它的内阻不够大。9 0 年代，我国相继对瓦特表法及其倒相法和功率因素表法， 对消除测量干扰进行了理论和实践的研究。 为了抑制测量的干扰，较早时有人提出了基于白噪声的方法。但由于测量 范围和误差的局限性，9 0 年代末便提出了基于高阶谱的方法，并从理论和仿真 上进行了研究。 为了消除测量接地电阻时的误差和干扰，9 0 年代，我国科技人员相继提出 了双电位极引线法、附加串接电阻法和电位极引线中点接地法、电位差法，0 2 年又提出了多极法。 同时国外也曾有人提出了直流法、数值计算法、贝伦特补偿法、运行状态 下的若帕一赖笛法等。 1 2 2 接地电阻测量仪的发展 最初人们对接地电阻的测量用伏安法( 即电压、电流表法) ，实验非常原始。 五、六十年代，前苏联的e 型摇表取代了伏安法，电源是手摇发电机。七十年 代，国产接地电阻仪问世，z c 系列( 如7 _ c - - 2 8 、z c - - 2 9 等) 在结构、测量范 围、分度值、准确性都要胜过e 型摇表。但由于手摇发电机的原因，精度均不 高。八十年代，数字式接地电阻仪投入使用，稳定性远比摇表指针式高。九十 年代，钳口式电阻仪的诞生打破了传统的测试方法，如法国c a 6 4 u ，单钳口 是最大特点是不必打辅助地棒，缺点是精度不高奥地利g e o x 双钳口电阻仪 测量范围和精度有所提高，但是，钳口式测试仪采用电磁感应原理，易受干扰。 近几年，由于计算机控制技术的运用，生产出了智能型接地电阻测量仪，如意 大利h t 2 3 4 。同时，在线测量得到了发展。 随着接地阻抗概念的深入，相关研究也渐有深度。国内也相继出现了测量 接地阻抗的测试仪( 如s d - - 3 0 1 、g p i - - 7 4 5 a 、g c t - - 6 3 0 ) ，但是经研究，输 出方式均是采用a c 或d c 的方式，在这种输出方式下，不能很好反映雷电作 西华大学硕士学位论文 用下的地网呈现的冲击特性及阻抗特性，并且计算的结果仍然属于工频接地阻 抗的范畴。接地工作者任重而道远。 近几年来，i c t a n a b e ( 2 0 0 0 ) 用时域有限差分 t d ) 法对高压输电线的铁塔 在雷电泄流情况下的t g r ( t r a n s i c n tg r o u n dr e s i s t a n c e ) 进行了计算，取得了与 实测数据一致的结果，并分析了塔深及土壤电导率对t g r 的影响【4 9 l 。 1 3 本课题的主要研究内容 针对目前常用测量方法所出现的测量精度相对较低，无法计算地网在冲击 条件下的接地阻抗等问题，对传统的测量方法进行了改进，并在接地阻抗的算 法上进行了优化，使得测量精度有了很大的提高，并使测量出的阻抗值更加符 合实际工程要求。 作者根据项目要求，提出了冲击条件下接地阻抗的概念，对整套测量系统 进行了仔细的分析，研制了相应的部分装置，并在实地测试了该测量系统的稳 定度及精确度。课题主要研究的内容如下： 1 ) 由于我们研究的是在冲击电流的条件下的接地阻抗测量系统，所以我 们进行测量时，需要一台冲击电流发生器作为实验电源。所以我们的 首要研究任务，就是研制一台冲击电流发生器。 2 ) 由于对实验采集的数据进行合理的处理，才能得出我们所需要的冲击 接地阻抗值，电阻和电感值，所以研究一套稳定度、精度较高的接地 阻抗及电阻电感的计算方法势在必行。 3 ) 最后，我们需要进行一系列现场实验以改善测量系统的各个装置，并 对现场采集的数据进行计算、分析，以测试算法的不足并改进。如此 反复使整套测量系统更加完善。 西华大学硕士学位论文 2 接地阻抗的相关概念 2 1 基本概念 2 1 1 接地电阻概念 一般来说，接地电阻是电流l 经接地电极流入大地时接地电极的电位v 和 l 的比值。如不考虑大地回流的影响，则当一定的直流或工频电流经接地电极 流入大地时，接地电极的电位即为接地电极与无穷远零位面之闻的电位差，此 时，接地电阻也可定义为由接地电极到无穷远处的土壤的总电阻【3 1 。 如果接地体的结构方式是己知的，我们可以用计算公式求解出电阻值，但 这种结果只能用于参考和定性分析。当不知道接地体的埋设情况时，则只有通 过实地测量，进行真型实验得出接地电阻值。而在以前，由于上升沿很陡，幅 值很高且频率丰富的雷电流信号无法模拟，所以常用摇表法，即用手摇式发电 机向大地注入交流电流，接地体通过交流电流，在表上直接读出电阻值。这种 在低压交流状态下测得的接地电阻值称为工频接地电阻。 目前，各种测量方法和装置，测得的结果都属于工频接地电阻的范畴，还 没有一种方法和设备，能够很好的反应冲击条件下的地网冲击接地阻抗值。 2 1 2 冲击接地电阻概念 冲击电流如雷电流流过接地体时，在接地体上呈现的接地电阻与工频接地 电阻不同。其主要原因就是冲击电流的上升沿很陡，幅值很大，会引起一系列 复杂的过渡过程，每一瞬间接地体上呈现的有效电阻值都可能有所不同，而且 接地体上最大电压出现的时刻不一定是电流最大的时刻。为了使冲击接地电阻 r c h 有一个明确的意义，通常令： 凡一(2-1) k u m 一接地体上的最大电压； i m 一流过接地体的最大电流。 由于电感的作用，u m 和i m 出现的时刻很可能不同，所以r 曲并无实际的物 西华大学硕士学位论文 理意义。 但是，这一定义在工程上使用很方便，因为有时我们感兴趣的是在一定的 i m 下，接地体上的最大电压u 。是多少，而这在r 曲已知的条件下马上就可以计 算出来【3 l o 冲击接地电阻r c h 与工频接地电阻之比，叫做接地体的冲击系数a 。对 集中接地体来说，a 一般小于1 ，但对于长度很大的伸长接地体来说，由于其 电感效应，a 也可能大于1 。 扣鲁 c 2 刊 在i 程实践中，大多数情况下，冲击接地电阻值是直接根据式( 2 - - 2 ) 得出 的。而冲击系数a ，在长期的工程实践经验积累中，有了较为可靠的取值，表 2 - - 1 至表2 - - 3 为常用的冲击系数表： 表2 1 ；长2 3 m 、直径6 c m 以下的垂直接地体， 冲击电流波头为3 6 p s 时的冲击系数a t a b l e 2 - 1 ：i m p a c t f a c t o r o f v e r t i c a le l e c t r o d e ， t h ew a v ef r o n to fi m p u l s ec u r r e n ti s3 一，6 p s 表2 2 ：宽2 4 c m 扁钢或直径l 2 c m 圆钢水平带形接地体， 由一端引入雷电流，冲击电流波头为3 6 f f s 时的冲击系数a t a b l e2 2 ：m p a c tf a c t o ro f b a n de l e c t r o d e , t h e w a v e f r o n t o f i m p u l s ec u r r e n t i s 3 6 p s 西华大学硕士学位论文 慧磐 ( q m ) ( m ) 冲击电流( k a ) 51 02 04 0 慧婵 ( q m ) ( m ) 冲击电流0 【a ) 5l o2 0 4 0 1 50 8 00 7 50 6 50 5 0 1 0 1 0 5 1 0 00 9 00 8 0 2 01 2 01 1 5l 舾0 9 5 1 00 6 00 贷n 4 50 , 3 5 2 00 8 00 7 50 6 0o 5 0 4 0 1 0 0 0 9 50 。聒0 7 5 6 01 2 01 1 51 1 00 9 5 50 6 00 5 50 4 50 3 0 1 0o 0 7 5o 0 4 5 2 00 9 50 9 00 7 5o 6 0 3 01 0 51 0 00 9 00 8 0 2 00 6 50 6 00 5 00 的 4 00 8 00 7 5 0 6 5 0 5 5 6 0o 9 50 9 00 8 0o 7 5 1 1 0 1 0 50 9 5 0 9 0 1 0 01 2 51 2 01 1 01 0 5 表2 3 ：宽2 4 c m 扁钢或直径l 2 c m 圆钢水平环形接地体 由环中心引入雷电流，引入处与环有3 4 个连线， 冲击电流波头为3 - 6 泓s 时的冲击系数a t a b l e2 - 3 ：i m p a c tf a c t o ro f r i n ge l e c t r o d e ， t h ew a v ef r o n to f i m p u l s ec u r f e n ! i s3 6 p s 土墨宴哩率 1 0 0 5 0 01 0 0 0 冲击f l 电流40a、 2 08 02 04 08 02 0 4 0 8 0 环直径4 m 0 6 00 4 5o 3 50 5 00 4 00 2 5 0 3 50 2 5o 2 0 环直径8 m o 7 50 6 50 5 50 5 50 4 50 3 0 0 4 0 0 3 0 o 2 5 环直径1 2 m 0 8 0 0 7 0 0 6 00 印0 5 00 3 50 4 50 4 00 3 0 通过式( 2 1 ) 和冲击系数表可以看出：第一，冲击接地电阻的定义，只是 为了反应冲击条件下，流经接地体上的最大电压、电流而提出的；第二，虽然 有工程上长期积累的冲击系数表来换算接地体的冲击接地电阻，但是，换算后 的值是经验值，仍然不能准确的反映接地体的具体情况。 7 西华大学硕士学位论文 2 1 3 接地阻抗的概念 通常所说的接地电阻并不是接地装置的纯电阻，而是含电抗分量在内的接 地阻抗，它分为工频接地阻抗和冲击接地阻抗。最新的2 0 0 6 年的测量导则用 接地阻抗代替接地电阻的概念，这样使接地装置的参数名称更加准确。工频电 流向大地散流时接地介质呈现的阻抗为工频接地阻抗，雷电流( 冲击电流) 流过 接地装置呈现的阻抗为冲击接地阻抗i 蜘。 冲击接地阻抗定义为： 瓦一( 2 - - 4 ) i _ 接地阻抗，包含了接地电阻r 和地网自感抗x 。纯阻性的r 反映了电流 场在大地中的分布。而地网金属材料自感的感抗x 也会影响地网的电位升高。 对于接地网来说，呈现出的是较明显的复数阻抗性质，它包括电阻、电感 和电容3 个分量，所以，相应的地网接地阻抗可以表示为： z r o4 - x + 置c ( 2 5 ) r 0 一地网纯阻性分量 x l 一地网自感抗分量，x l j w l 1 x c 一地网容抗分量，工c - _ j 整理式( 2 3 ) 得： 1 z - 风+ j ( w l 一孛 ( 2 6 ) 在工频、谐波电流以及雷电冲击电流的情况下，电感和电阻分量所引起的 作用，远胜于电容分量。对于电容分量，由于数值相对不大，只在很高频率下 才表现出一定的作用，并且，由式( 2 6 ) 可以看出，电容分量不仅对于接地网 接地阻抗值有降低的作用，而且对于缓解变电站的跨步电压和接触电压来说， 还是个偏于安全的有利因素，所以在讨论接地阻抗时，可以不加考虑。 文献 1 2 中原文说：“研究表明，在大面积地网接地电阻测试中，由于大 地电感分量引起的误差已不可忽略，这种误差是结构性的，与仪器灵敏度的高 西华大学硕士学位论文 低没有直接联系。而且用z c 一8 型接地电阻测试仪测量数值比用电流电压法测 量出的数值要大，且误差随着接地网面积的增大而增大，这说明此时金属网格 的感抗的影响不可忽略。两种实验方法所测数据如表1 所列。 表1 ：两种方法测得的数据比较 t a b l e1 ：c o m p a r i s o no f d a t a g o t t e nb yt w o m e t h o d s 变电所 测试部位z ；高黼砉笋。i ：i 鬻善， 主网接地极 盘一变一号主变 f r 、避雷器 o 1 2 o 1 5 o 1 6 0 0 5 0 1 0 o 1 2 当z c 一8 测定器以1 2 0 ( 转，分) 转动发电机的摇把时，便产生1 1 0 h z 左右 的交流电。该测定器采用相敏电路去除杂散电流等干扰的影响，根据测量纯电 阻的原理设计和检验，所以只能得到固定频率下的纯接地电阻，而不能得到接 地阻抗。当阻抗中有较大的电抗分量时，再用z c 一8 会出现较大的测量误差， 所以，z c 一8 不适合测量较大的接地系统。 通过文献 1 2 3 的文字和数据说明：接地电阻的概念在大型地网的测量中已 不再适用，电感分量在测量中的作用已不可忽视，接地阻抗的概念更适合工程 实际。 2 2 地中电位分布 接地电阻，是电流i 经接地电极流人大地时接地电极的电位v 和i 的比值。 如不考虑大地回流的影响，则当一定的直流或工频电流经接地电极流人大地 时，接地电极的电位即为接地电极与无穷远零位面之间的电位差，此时接地电 阻也可定义为由接地电极到无穷远处的土壤的总电阻。 西华大学硕士学位论文 f i g u r e2 - 1 ：s i m i - s p h e r eg r o u n de l e c t r o d e1 1 1u n f o 皿s o f t 图2 - - 1 ：均匀土壤中的半球形接地电极 以图2 - 1 所示的处于均匀土壤中的半球形接地电极为例，设接地电极的 半径为a ，由接地电极流入大地的电流为i ，土壤的电阻率为p ，则在离开球心 为r 的土壤中，电流密度j 显然为： j 。寺 ( 2 7 ) 该处的电场强度e 则为： e _ j p - 器( 2 - - 8 ) 所以接地电极的电位( 即由无穷远处到电极间的电压) v 为： y f = e d r 石t p 舟告 ( 2 刊 由此可得半球形接地电极的电阻r o 为； 民一兰i 一石p ( 2 - - 1 0 ) 半球形接地电极的电阻也可直接由包围在接地电极外面的厚度为d f 的各 半球体薄壳的土壤电阻串联求得，即： 民- f 等- 一西p 玎一丽p ( 2 一n ) 如果要计算由a 到r 之间的电阻r ，则显然有： r - f 譬一丢e 一争一击。一 一蜀a 一手) ( 2 - - 1 2 ) 西华大学硕士学位论文 式( 2 一1 0 ) 中，当r = 1 0 a 时，将有： r o 9 r ,( 2 1 3 ) 可见离开接地电极距离为接地电极尺寸1 0 倍以内的土壤对接地电阻起很 大的作用。占了r 的9 0 。 由于直流或工频电流在大地中呈现的恒稳电流场和静电场相似，所以我们 还可以直接利用静电场中电容c 的公式来写出接地电阻r 的公式，即： r 。竺- , ( 2 1 4 ) 根据静电场求得圆球的电容为4 ：t e a ，半球的电容为2 明贶。 利用式( 2 - 1 4 ) 同样即可求得半球形接地电极的电阻为： 置- 去( 2 - - 1 5 ) 不难看出，在半球形接地电极的电流场中，离球心r 处的电位将为： 杉一争一幼i p ( 2 - - 1 6 ) 据此即可画出半球形接地电极周围的地面电位分布，如图2 - - 1 所示。 2 3 雷电流作用接地装置的冲击特性 2 3 1 雷电冲击电流的产生机理 1 ) 雷电的形成及放电过程 雷雨前天空中有一些带电的乌云和雷云，是产生雷电的根源。由于静电感 应的作用，雷云和相临的乌云及地面、地面上的物体之间就会感应出等量的异 性电荷。这样在等量的异性电荷之间，就会产生静电场。当电场强度足以击穿 大气绝缘时产生放电。放电产生耀眼的闪光，同时水气在电火花的作用下分解， 产生气体爆炸，形成了自然界中的雷鸣电闪。 雷电的放电过程分为先驱放电和主放电。先驱放电不能直达地面，通过若 干次先驱放电形成先驱闪路径后，开始主放电。主放电沿先驱闪路径把雷云中 西华大学硕士学位论文 聚集的负电荷( 或正电荷) 与大地正电荷( 或负电荷) 迅速中和。 2 ) 雷电流的产生机理 在雷击发生前，接闪器、引下线和整个接地装置都处于与大地相同的零电 位，这时在它们之间没有电压分布不均的问题，接地装置与联接在它上面的设 备之间也不存在电位反击。在接闪后，当雷电流流过引下线和整个接地装置的 时候，雷电流在接地装置各部分造成的电位降是不相等的，于是，在接地装置 各部分之间就存在电位的分布不均，而在接地装置与接在其上的设备之间就有 电位反击( 或电压反击) 问题。 雷电流的等值频率较高，无论它在导线或在空气放电通道中流过时都不能 简单地看成一个纯电路的问题。一般的工频电路是以集中参数形式存在的电 阻、电感和电容组成的电路。而对于一个等值频率较高的雷电流，一般使用分 布参数电路模型，输电线上使用一维波动方程求解，这就涉及到了波阻抗的概 念。雷电流在空气的放电通道中流过时，更多的是与波阻抗有关。而在雷打下 来以后，雷电流进入接地装置时，一般采用导体的集中参数的电阻、电感模型。 当接闪器接闪雷电流时，强大的雷电流将通过接闪器、引下线和接地网泄 放入地。对于单根引下线，为简化起见，暂且只考虑电路中的电阻和电感，而 不考虑它的波阻抗。于是，在泄放雷电流时，在防雷装置上将产生雷击冲击电 压u ： j ： u 。月f + 工兰：( 2 一1 7 ) 出 l 一引下线和接地网的电感，h ； r 一引下线和接地网的电阻，q ； i一雷击冲击电流，k a ； ； 拳一雷电流对时间的变化率，k 玲。 讲 由上式可知，直接雷击冲击电压( 或称直击雷过电压) u ，它不仅与雷电流 的大小和陡度有关，而且同引下线和接地装置的电阻和电感有关。 需要注意，雷电流是一个脉冲电流波，由它产生的雷电过电压也是一个脉 冲电压波。即是说，它们的瞬时值是随时间变化的，要计算雷电过电压的最大 西华大学硕士学位论文 值，即幅值，需要用雷电流i 的幅值i 和陡度d i d t 的最大值代入上式进行计算。 2 3 2 集中接地体在雷电流作用下的冲击特性 对于单一的集中接地体，由于尺寸不大( 相对于冲击波的波头长度来说) ， 谈不上有什么显着的波过程，即在讨论其冲击接地电阻时，不需要考虑它的电 感与电容，可以认为其冲击接地电阻与冲击波的频率无关。此时使得冲击接地 电阻与工频接地电阻不同的主要因素是：强大的冲击电流流入土壤后会形成很 强的电场，使土壤发生强烈的局部放电现象。由于土壤是不均匀媒质，所以其 耐压强度只有8 5 k v c m 左右，在p = i o o q m 时使土壤放电的电流密度为： -，。要。垦黑0a5(acm2)(2-18)100dx 1 0 。 如果接地极长3 m ，直径4 e r a ，则表面面积为3 0 0 a x 4 = 3 7 7 0 ( c r n b ，所以 在i = 0 8 5 x 3 7 7 0 一- 3 2 0 0 ( a ) = 3 2 0 0 , ) 时，其周围土壤已经发生放电现象。实际 上，由于电流场不均匀，在更小的雷电流下已经能发生土壤中的放电现象。实 验表明：当单根水平接地体的电位为1 0 0 0 k v 时，火花放电区域的直径可达 7 0 c m 。实际常遇到雷电流总是在1 0 k a 或数十千安以上，这时在土壤中形成的 强烈放电可使土壤的等值电阻率p d 大为减小，也可以认为p d 不变，但接地体 的等值直径已大为增加，所以，此时接地体的冲击接地电阻将比工频接地电阻 卅、。 2 3 3 地网在雷电流作用下的冲击特性 发、变电站的地网一般采用网格式结构，如图2 2 所示。图2 2 ( a ) 为长 孔地网，( b ) 为方孔地网，水平接地导体一般用宽4 0 r a m 的扁钢或4 , 2 0 的圆钢， 平行导体之间的间距一般为5 1 0 m 。在总面积相同，且接地导体总根数相同 时，为了得到一定的r 。( 工频接地电阻) 、r ( 跨步电势) 和b i ( 接触电势) ，长孔 接地网所用钢材较少。 西华大学硕士学位论文 ( a ) 长孔地网( b ) 方孔地网 f i g u r e2 - 2 ：e a r t h $ c l e e no fs u b s 蜘t i o n 图2 2 ：发、变电站的网格式地网 但这两种地网在雷击时呈现的冲击接地电阻r 曲却有很大的不同，( a ) 结构 的r c h 要比( b ) 结构的r c h 大得多，这一点在选用长孔地网和方孔地网时常被忽 略了。 对于长孔地网，当雷击地网中心时，显然就是雷击一根水平伸长接地体中 心的情况，它所呈现的冲击接地电阻r t 可由式( 2 1 7 ) 得到，即： r _ 墨。互1 1 f j 万l o 寺 ( 2 1 9 ) 对于方孔地网，情况就要好得多了，参看图2 2 ( b ) 。当雷击地网中心时， 雷电流向前后左右四个方向流散，而且每遇一个节点时由可向几个方向分流， 因此它呈现的冲击接地电阻要比( a ) 小得多f ，1 由于冲击电流的等值频率比工频高很多，使得接地网的电感效应非常显 著，其结果是冲击电流在接地网格各导体的分布极不均匀，地网各节点的电位 分布相差很大。图2 - - 3 所示为一个6 0 x 6 0 m 2 的接地网，埋深o 8 m ，在雷电流 波形为2 6 5 0 m ，幅值为1 0 k a ，土壤电阻率为p = 1 0 0 q m ，介电常数e = 9 。 西华大学硕士学位论文 ， f i g u r e2 - 3 ：d i a g r a mo fl i g h t n i n gs t r o k eg r o u n ds c - r e e n 图2 3 ：雷击地网示意图 图2 4 为图2 - - 3 所示地网所有节点的电位升( g p r ) 分布图，x 方向和y 方向坐标均从0 m 至印l l i l ，以1 0 r n 为问隔；图2 5 为该地网上方地表面的电 位升分布图，x 方向和y 方向坐标均从- 2 0 m 至7 0 m ，以5 m 为间隔。 冬 窑z 叼i p 匠 簧 f i g u r e2 - 4 ：g p r ( g r o u n dp o t e n t i a lr s e ) o fg r o u n ds c t f , e nn o d e s 图2 4 ：地网节点电位升分布图 - 兰 耄z ： 鬓伯 奠 柏 西华大学硕士学位论文 f i g u r e2 - 5 ：g p ro fg r o u n ds n l f a c 4 图2 5 ：地表面电位升分布图 从图2 4 和图2 5 可以看出，不论在地网导体处或地表面处，均在电流 注入点或其正上方产生最大电位升，且随着场点到注入点的距离的增加，电位 不断衰减，接地网格各点的电位分布极不均匀，其上方地表面处各点的电位分 布相差也很大。 定性地分析，这是由于注入电流的等值频率较高，使得接地网的电感效应 非常显著，其结果是冲击电流在地网中的流动过程受到强烈的阻碍作用，在电 流注入点处附近向土壤中散流较多，而距离注入点越远，散流越少。因此在距 离注入点较近的场点的电流密度较大，其与无穷远处之间的电场强度积分，即 该场点的电位值就相对较大。 冲击电流通过地网散流的情况比较复杂，归纳起来它具有下列特性： 1 ) 冲击电流在地中流动时，由于等值高频电流的集肤效应，不像直流电 那样可以穿透无限深处的地层，也不像工频电流那样可以穿透地的有 限深度，而是在距地面不太深的范围内流动。 2 ) 在冲击电流作用下，接地网格存在有效面积。随着接地网面积的不断 增加，地网的冲击接地电阻很快减小并趋于某一定值。 3 ) 在每一个子网格的面积大于接地网格的有效面积后，接地网的冲击特 性不受导体间距的影响；而当子网格的面积小于接地网格的有效面积 后，地网的冲击电阻将急剧减小。 4 ) 对于土壤电阻率较低的环境，随着地网导体间距变比的增大，有效面 积内的导体逐渐增多，接地系统的地电位升、接触电压和跨步电压都 会有所下降；但对于土壤电阻率较高的地区，其有效面积较大，增大 地网导体间距变比将会使导体分布更不均匀，反而不易于散流。 5 ) 局部增加雷电流注入点附近的接地网格密度，能有效改善接地网的冲 击特性。由于垂直接地极也存在有效长度，随着到避雷针的距离的增 加，竖直导体的长度应逐渐减小。 6 ) 在充分利用变电站内使用空间并保证了设备到避雷针的必要距离后， 西华大学硕士学位论文 应尽可能的使避雷针远离地网边角，以改善接地网分流能力。 7 ) 接地网埋得越深，接触电压越大，跨步电压越小。 8 ) 冲击电流波前时间越短，该冲击电流波形的高频分量幅值越大，在接 地网上产生的最大地电位升、接触电压和跨步电压也越大。 9 ) 随着土壤电阻率的增加，冲击电阻也相应增加；同时，接地网面积越 大，冲击电阻受土壤电阻率变化的影响越, j d 5 2 1 。 冲击电流通过接地体的最初瞬间，冲击阻抗与接地体的稳态或工频接地电 阻无关。这时接地体的波过程起主要作用，冲击阻抗等于波阻抗。当波往接地 体深处运动时，在波电流上将附加着土壤的传导电流，这时接地体的冲击阻抗 主要由接地体的电感和土壤的电导来决定的。这个过程称为“电感一电导”泄 流过程。最后，当电流的变化率趋近于零，电感可以略去不计，冲击阻抗才表 现出电阻的性质，趋近于稳态或工频接地电阻郴l 。 任何一个接地体，只要是在冲击电流或电压的作用下，均表现出波过程， “电感一电导”泄流过程和电阻过程。对于水平网状接地体和垂直集中接地体， 各个过程的长短不一样。只是对集中接地体，因时间极短，可以忽略不计，因 而对于集中接地体，只考虑电阻过程；一般电阻率地区的水平长接地体，只考 虑“电感一电导”泄流过程；特高电阻率地区的水平接地体还要考虑波过程。 西华大学硕士学位论文 3 常用测量接地电阻方法简介 3 1 远离法 圈 静 电 铎 曲】 1 p 叫p ， c lci ? 。弋、 ： 。f 固 静 求 翻g 御 ，。 、 c f i g l l r3 - 1 ：d i s t r i b u t i o nm a p o fe l e c t r o d ea n dp o t e n t i a l g - g r o u n d s c n 蜘 p p o t c m h le l e x - u o d e c - c u r r e n te l e c t r o d e 图3 一l ：电极布置和电位分布图 g 一被测接地网 p - - 测量用电压极 c 一测量用电流极 远离法也叫导则法。图3 一l 中点p 为实际零电位区中的一点，实际零电 位区是指沿被测接地装置，与测量用的电流极c 之问连接线方向上电位梯度接 近于零的区域。 对于半球形接地电极来说，测得的接地电阻r 为： 塑兰丕鲎堡兰兰堡堡三一 只- 丢e 一毒一去+ 寺 c 3 叫 由于实际接地电阻值为：。乞，则测量误差d 为： 6 一等一n 砖一去一专 c 3 一笏 要使得测量的接地电阻r 符合实际接地电阻r o ，那么必须使d = 0 ，即： 去一去一去。o c 3 。， d wd d g c 远离法就是尽量增大d g p 、d g c 、d r c ，使之趋于无穷大，即可满足要求 伯暴存宴际工程中很难满足要求，如果取d g c = 1 0 a ，并取d g p = i ) p c = 5 a ，则： r 丢( 詈+ 五1 一五1 一型1 j d 2 h a - 9 0 ( 3 4 ) 即测量结果比实际值偏小1 0 ，这在工程上是可以接受的 必须说明，发、变电站的地网形状并不是半球形，而是介乎圆盘电极和圆 环电极之间。为了能正确地应用远离法，先来讨论用远离法测量圆盘和圆环电 极接地电阻时的误差。 圆盘电极的接地电阻测量值r 为： r - 一丢砖一瓦1 + 三4 心静 c 3 删 a 一圆盘半径( 即地网最大对角线的一半) ； r g 一实际接地电阻r g 一鲁 将d g c ；1 0 a ，d o p = d p c = 5 a 代入，所测得的接地电阻至少比实际接地电阻 小6 4 5 。 圆环接地电极的接地电阻测量值r 则为： 西华大学硕士学位论文 a 一圆环导体半径； b 一导体中心点至圆环中心的距离； r 一实际接地电阻z 云i n i 8 b 。 同样将d c , c = 1 0 a ，d a p = d p c = 5 a 代入，所测得的接地电阻值将比其实际值 小2 8 4 2 。 由于实际发、变电站的地网是网格状的，它介乎圆盘电极和圆环电极之闻， 因此可以认为用远离法测量发、变电站地网的接地电阻时，只要把电流极打在 离地网中心5 倍地网对角线长度处，即可把测量误差控制在大约1 0 的范围 内。图3 1 中电压极距离地网中心的距离约为2 5 d = 5 0 ( s d ) ，即在零位面 附近【8 1 。 3 2 补偿法 3 2 1 电极按直线布置 如图3 - - 1 ，令d g r = a d c , c ，于是d r c = ( 1 - - a ) d c , c ，代入式( 3 - - 3 ) 得： 上一三一1 0( 3 7 ) 1 一aa 解得a = 0 6 1 8 ，即只要将电压极打在d g p = o 6 1 8 d c , c 处，就能测得正确的结 果，这就是0 6 1 8 补偿法。 在远离法中，即使取d c , c = 1 0 a ，所测得的接地电阻仍要比实际值小1 0 ， 这是由于零位面的移近使接地装置和零位面间的电位差降低所引起的。如果把 电压极由5 0 d c , c 的零位面右移到6 1 8 d c , c 的负电位处，则电压表的读数即 可相应增大，从而补偿了由于零位面移近而带来的固有误差。 群，薯 蒜 西华大学硕士学位论文 补偿法通常用在地网尺