（电力系统及其自动化专业论文）杆塔冲击接地阻抗测量系统的研制.pdf

西华大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t o ft o w e ri m p u l s eg r o u n di m p e d a n c e m e a s u r e m e n t s y s t e m e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n m a s t e r ：s u nj i a - y i n gt u t o r ：d a iy u s o n g l ij i a n m i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，g r o u n d i n gp r o b l e mi np o w e rs y s t e mi s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t m e a s u r i n gg r o u n di m p e d a n c ea c c u r a t e l yc a nr e f l e c tt h e p e r f o r m a n c eo fg r o u n d i n gd e v i c e , a n dm a k es u r ep o w e rs y s t e mr u n n i n gs a f e l y t h e r ea l eal o to fd a m a g eb yl i g h t n i n go nt r a n s m i s s i o nl i n et o w e r s ，b u tn o wg r o u n d i m p e d a n c em e a s u r e m e n to n l yf a nm e a s u r ei n d u s t r yf r e q u e n c yg r o u n di m p e d a n c e , b u tr a r e l ym e a s u r ei m p u l s eg r o u n di m p e d a n c e , s oi ti sv e r y c 嚣路a i yt or e s e a r c ha n e wm e t h o do fm e a s u d n gt o w e ri m p u l g r o u n di m t 妇c e t h i sp a p e rh a s a n a l y z e dm e t h o d so fm e m u r i n gg r o u n di m p e d a n c e , a n dh a si n t r o d u c e df u n d a m e n t a l p r i n c i p l eo fm e a s u r i n gg r o u n di m p e d a n c e , a n dh a sc o m p 缸e d t h em e r i t sa n df a u l t so f e v e r ym e a s c r i n gm e t h o d so fg r o u n di m p e d a n c e w i t ha n a l y z i n gw a v ep r o c e s sw h e ni m p u l s ec u r r e n tf l o wi n t og r o u n da n d i m p u l s ec h a r a c t e r i s t i co fg r o u n d i n gd e v i c e , t h i sp a p e rh a sp r e s e n t e dan e wm e t h o d o fm e a s u r i n gg r o u n di m p e d u n c eb yg e n e r a t i n gi m p u l s ec u r r e n ts i g n a l ，a n dh a s e s t a b l i s h e d i m p u l s ec u r r e n tg e n e r a t o r s i m u l a t i o nm o d da n di m p u l s eg r o u n d i m p e d a n c em e a s u r e m e n ts i m u l a t i o nm o d e lb yu s i n gm a t l a b s o f t w a r e b a s e do l l s i m u l a t i o n , t h i sp a p e rh a sd e s i g n e di m p u l s ec u r r e n tg e n e r a t o r , w h i c hi so p e r a t e d e a s i l ya n df i tf i e l dp r o j e c ta p p l i c a t i o n t h i sp a p e rh a sp r e s e n t e dc a l c u l a t i v em e t h o d o fg r o u n di m p e d a n c e , a n dh a sd e p l o y e dd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c ea n dp r o g r a m m e du p c o m p u t e rg r o u n di m p e d a n c ec a l c u l a t i v es o f t w a r e f i n a l 峨i m p u l s eg r o u n d i m p e d a n c e m e a s u r e m e n ts y s t e mi se s t a b l i s h e d i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r , w ch a v ea na c t u a le x p e r i e n c et ot r a n s m i s s i o nl i n e 西华大学硕士学位论文 t o w e r s w i t hi m p u l s eg r o u n di m p e d a n c em e a s u r e m e n ts y s t e mw h i c hh a sb e e n d e v e l o p e d b a s e do n 觚a l y z i n gc h a r a c t e r i s t i c o fi m p u l s eg r o u n di m p e , k c eo f t r a n s m i s s i o nl i n el o w e r s , e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei m p u l s eg r o u n d i m p e d a n c ev a l u em e a s u r e db yt h i sm e a s u r e m e n ts y s t e mi st r u ea n dv a l i d , a n dt h i s m e a s u r e m e n ts y s t e mf i ta c t u a lp r q c c tm e a s u r e m e n t i nt h ee n d , t h i sp a p e rh a sa p r e l i m i n a r yr e s e a r c ho n t h er e l a t i o nb e t w e e ni n d u c t a n c e 、i m p u l s eg r o u n di m p e d a n c e a n dc o r r o s i o no f t o w e rg r o u n d i n gd e v i c e k e yw o r d s ：i m p u i g r o u n di m p e d a n c e , g r o u n di m p e d a n c em e a s u r e m e n t ， i m p u l s ec u r r e n tg e n e r a t o r , s i m u l a t i o n 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己在 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。 绷年月日 产嘲年民占b “ 西华大学硕士学位论文 1 引言 电力系统的接地是一个涉及实际工程而又非常复杂、至关重要的问题。它 是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电器设备安全的根本保证和重 要措施。特别是随着我国电力事业的飞速发展，电网规模不断扩大，超高压和 特高压电网的大力建设，系统容量的不断增大，接地短路电流亦越来越大，安 全有效的接地装置显得越来越重要。 输电线路杆塔接地是维护电力系统安全可靠运行和保障人员安全的重要措 施之一。当雷击塔顶和避雷线时，雷电流将通过杆塔接地装置入地，在杆塔接 地阻抗较高的情况下，会产生较高的反击过电压造成事故。据统计表明，由于 杆塔接地不良而发生的雷害事故占线路故障的比例很大因此，杆塔接地阻抗 值的大小关系到输电线路的安全运行。 接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和 防止雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行【”i 从本质上讲，它的目的 就是为了在正常和事故以及雷击的情况下，利用大地作为接地电流回路的一个 元件，从而将设备接地处固定为所允许的接地电位具体说明如下； 1 ) 防止人身遭受电击。将电气设备在正常情况不带电的金属部分与接地 极之间作良好的金属连接，以保护人体的安全，防止人身遭受电击。 对有接地装置的电气设备，当绝缘损坏、外壳带电时，接地电流将同 时沿着接地极和人体两条通路流过，因接地点电位很低，流经人体的 电流就越小，流经人体的电流几乎等于零，因而，人体就能避免触电 的危险。 2 ) 保障电力系统正常运行电力系统有中性点接地方式，中性点的接地 阻抗很小，因此中性点与大地问的电位差接近于零。当相线碰壳或接 地时，其他两相对地电压，在中性点绝缘系统中将升高为相电压的历 倍，而在中性点接地的系统中则接近于相电压，系统中的电气设备和 线路只需要按相电压考虑其绝缘水平，这样就降低了电气设备的制造 成本和线路的建设费用。系统由于有了中性点的接地线，也可保证继 电保护的可靠性。 西华大学硕士学位论文 3 ) 防止雷击和静电的危害。雷击时产生静电感应和电磁感应，物料在生 产和运输中因摩擦而引起的静电，都可能造成电击或火灾危险。直接 遭受雷击的危害，比之于感应雷就更大了，而且发生的机会更多，所 以，为了防止直击雷，必须装设防雷装置，而所有防雷装置和防止静 电危险的措施，最主要的方法就是设置接地装置。 由以上接地的作用可以看出，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。其目的是为了保护人身的安全。例如电气设备的金属外壳、 底座等由于绝缘损坏而有可能带电的部分应该接地，以免触电危险。 2 ) 工作接地。其目的是为了保证电力系统的正常运行。例如电力变压器 中性点的接地。 3 ) 防雷接地。其目的是为了把雷电流引入地中，以消除过电压的危险影 响。例如避雷针、避雷器的接地。 受科学技术的限制，早期的电力接地系统设计比较重视电力系统接地短路 故障，因此接地系统的设计工作只注重其工频特性。近年来，随着中国的电力 系统稳定性逐渐提高，人为因素造成的系统故障逐渐减少，雷击所造成的事故 比例逐渐增大。当雷击发、变电站或输电线路杆塔时，如果接地装置的接地阻 抗值比较大，就会造成电位异常升高，导致接地系统本身局部电位差超过安全 值。因此，接地系统不仅要注重接地装置的工频特性，还要考虑其冲击特性的 因素，这就需要我们关注接地装置冲击接地阻抗值的大小。 电力系统接地是保证人身安全以及电气设备和过电压保护装置正常工作的 非常重要的技术措施。变电站、发电厂必须有一个接地良好的接地网，输电线 路杆塔也必须有良好的接地，这无论从防雷的观点来看，还是从工频对地短路 电流不致使变电站工作人员及设备遭受危害的观点来看，都是必须的为了有 效的了解和掌握接地装置的接地情况，及时发现缺陷，保障电力系统的安全可 靠运行。要定期对接地装置进行预防性试验，进行接地测量以判定接地装置的 接地状况能否满足系统安全运行的要求。 2 西华大学硕士学位论文 1 1 接地阻抗测量的重要性 接地阻抗值是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合 规程要求的重要指标。般人们把它定义为电流i 经接地电极流入大地时接地 电极的电位u 和i 的比值【1 i 。如不考虑大地回路的影响，则当电流经接地电极 流入大地时，接地电极的电位即为接地电极到无穷远处的电位差。 调查表明，我国曾经发生多起由于接地阻抗未达到要求或因地网腐蚀和断 裂引起接地阻抗增大而导致的事故或事故扩大。每次事故的发生，不仅带来巨 大的经济损失，还对人们的生产和生活造成更多严重的社会损失。例如：1 9 8 6 年武钢2 2 0 k v 变电所因接地不良导致变电所内弧光短路事故，最后扩大为全站 停电和设备严重损坏事故；同年广西合山电厂曾发生因刀闸污闪而引起接地线 烧断，二次电缆端子排烧坏，一台十万千瓦的发电机烧坏，最后导致全厂停电 的重大事故。 由此可见，接地装置的接地阻抗大小对电力系统的安全运行具有重要的意 义。为了保证接地系统的安全有效，维护电力系统的正常运作，各级电力部门 都规定了接地阻抗的测试周期。 从本质上讲，接地的目的是为了在正常、事故以及雷击的情况下，利用大 地作为接她电流回路的一个组件，从而将设备接地处限制为所允许的接地电位 当大电流通过接地极流入地中时，设备接地处的电位会相当高，雷击时瞬时电 位甚至可达几万伏。其大小除和大地的结构、土壤电阻率有关外，还和接地极 的几何尺寸及形状有关，在雷电冲击电流流过时还和流经接地极的冲击电流的 幅值和波形有关 所以，接地是电力系统的一个重要问题，接地的好坏直接关系到电气设备和 人身的安全，全国各地就曾多次发生因接地装置的问题而造成重大事故的事例 接地装置接地阻抗测量的准确度，直接关系到正确判断接地装置的施工质量，以 及对运行中的接地装置是否还需处理等问题。因此，提高接地阻抗测量的准确性 是很重要的，否则将会造成资源的浪费和人身财产的损失。接地阻抗有工频接地 阻抗和冲击接地阻抗之分，由于受外界各种干扰，目前测量接地阻抗的方法主 要集中在测量工频接地阻抗上。因此，研究一种新的测量方法，能够测量冲击 3 西华大学硕士学位论文 接地阻抗，提高测量接地阻抗的有效性，是非常有实际意义的。 1 2 国内外研究背景及现状 根据接地阻抗的定义，接地阻抗应该是接地装置对远方电位零点的阻抗， 然而在实际测量时，测量引线是不可能设置在真正的无穷远处的。目前传统的 接地阻抗测量方法为三极电位补偿法，包括我国电力部门仍大量使用的0 6 1 8 法和3 0 度夹角法。根据使用仪器的不同，又产生了许多的测量方法，如电压一 电流法、电桥法( 摇表法) 、电位计法等。 f i g u r e1 - 1t h em e a s u r e m e n td i a g r a mo f 蝌d e v i c ef o rg r o u n di m p e d a n c e 图1 1 接地阻抗测量仪测量示意图 在接地阻抗的测量过程中，接地阻抗值的准确性受许多干扰因素的影响。 为了消除干扰影响，研究人员在三极补偿法基础上发展了四极法、倒相法、多 辅助极等方法，通过布线方式的改进，提高接地阻抗值的准确性。 接地阻抗测量的主要干扰是工频干扰。由于电力系统三相负荷不平衡及输 电线路三相电参数不对称，在中性点接地系统中就有不平衡电流经接地网入地 而形成闭合回路，形成了接地阻抗测量时的工频干扰电流。我国电力行业标准 d l t 4 7 5 - - - 2 0 0 6 接地装置特性参数导则的测量方法提出，测量地网接地阻 抗时应使用大电流注入法，即一般测试电流不小于5 0 a ，通过注入大测试电流 4 西华大学硕士学位论文 提高信噪比，增加测量准确性。而大电流法的使用必然导致测量电源装置的庞 大和笨重，现场测量工作时使用极为不方便。 7 0 年代前后，为了更好的剔出干扰信号，提高接地阻抗测量的准确性和可 重复性，国内外研究人员相继提出了基于白噪声的接地阻抗测量法，基于功率 谱和高阶谱的接地阻抗测量方法，相位补偿法、变频法等小电流测量方法。其 中变频法最受关注，日本、加拿大等发达国家开始研究产生6 0 _ + 1 0 ，5 0 _ _ 1 0 h z 异频电源实验装置来进行地网工频接地阻抗测量。目前在市面上也出现了许多 公司关于异频测量系统的产品，如国外的澳大利亚红象公司、德国西门子公司， 国内的武高所、武汉大学等机构均推出一定产品。由于产品价格昂贵，测量装 置的实用性、测量结果的可靠性和准确性也还尚需进一步鉴定，异频技术的应 用有待进一步发展 近年来，随着交频技术和数字技术的日愈成熟，电子技术的迅速发展，现 在很多高校都开始数字式变频接地阻抗测量的研究工作。充分应用现代数字技 术，完全解决土壤和外来干扰，是接地阻抗测量的主要发展趋势 常用的接地阻抗测量装置有摇表、钳口式接地阻抗测量仪、工频大电流测 量仪和异频测量仪器，而这些测量装置只注重测量工频接地阻抗，而不能测量 接地系统的冲击接地阻抗。在实际工程中，接地系统在雷电流作用下的冲击特 性不能忽略，单凭测量出工频接地阻抗是不能反映其冲击特性的。接地系统冲 击特性的影响因素较多，决定于接地系统的结构尺寸、土壤电阻率、雷电流参 数等因素，因此难以采用通用的表达式对其性能进行评估。这就需要针对不同 的环境和要求，对不同的接地系统分别进行详细准确地研究，目前最好的手段 是仿真计算由于影响因素较多，不同的接地系统需要建立不同的仿真模型， 仿真也非常繁琐。 目前计算和测量接地装置冲击接地阻抗的方法有： 1 ) 在理论分析基础上建立接地系统数学物理模型，但建模困难、求解繁 琐。 2 ) 用经验公式估算，效率高但误差大。 3 ) 传统模拟试验方法测量精确，但设备笨重，不适合野外测量。 4 ) 测工频接地阻抗后乘以冲击系数得出，但因实际泄放的雷电流是上升 5 西华大学硕士学位论文 沿很陡的单极性冲击电流，接地体的电感、电容影响很大，故随着接 地体越来越大，该法的误差也越来越大。 冲击接地阻抗的测量，由于要产生波头很陡、幅值很大的雷电流波形，试 验设备体积较大，一般只能在高压实验室内完成，在工程应用中很难实现，所 以目前国内外还没有很好的测量装置。 随着电力系统的发展，超高压和特高压输电线路的普遍增加，输电线路杆 塔接地对电力系统的安全运行越来越重要。电力系统的运行经验表明，大多数 输电线路事故大多都是由于雷击输电线路或杆塔引起跳闸所至。雷电流通过接 地装置向大地散流形成的地电位，起作用的是冲击接地阻抗而不是工频接地阻 抗。为了降低雷击跳闸率，即降低雷击反击的概率，主要措施是减小接地阻抗， 如采用伸长接地体、在高土壤电阻率的情况下增加接地极射线根数等措施。但 是，真正影响雷击反击概率的因素是冲击接地阻抗，而非稳态接地阻抗。受冲 击电流在大地中的散流行为特征的影响，冲击接地阻抗与稳态接地阻抗之间存 在较大的差异。所以在工程实际中就出现了杆塔稳态接地阻抗值合格，而在线 路遭受雷击时却不能发挥其有效作用，致使线路出现跳闸的现象。因此，研究 输电线路杆塔的冲击接地阻抗特性非常重要。 改善输电线路杆塔接地装置的冲击特性是减少线路雷击事故，提高供电可 靠性的有效办法。自2 0 世纪3 0 年代以来，人们对此进行了不少分析研究，但 大多数是理论研究，很少进行实地试验研究。其主要原因是缺乏移动式大电流 冲击发生器，且现场地理情况复杂，不具备普遍性，一般用来验证理论公式。 因此，设计一种基于新方法的杆塔冲击接地阻抗测量装置，更好地反映接 地装置的工频特性和冲击特性，是非常有实际意义的 1 3 本文的主要研究内容 针对电力系统接地阻抗测量装置的现状，尤其是冲击接地阻抗测量装置的 稀少，本文全面比较分析现有的或正在研究的接地阻抗测量装置的原理和特点， 在大量计算、仿真和实验的基础上，进行了较为深入的研究和分析。本文所做 的工作如下： 1 、介绍接地阻抗测量的基本原理，分析冲击电流入地的波过程，分析比 6 西华大学硕士学位论文 较常用的接地阻抗的测量方法，找出这些方法在消除干扰的能力、测 量结果的准确性和测量装置的实用性等方面上的优缺点。 2 、提出了一种利用冲击电流测量接地阻抗的新方法，并建立数学模型， 利用m a t l a b 进行仿真计算。 3 、找出适合工程应用的数学算法，并编程实现。设计制作一台小型便携 式冲击电流发生器，用来作为杆塔接地测量信号发生源。 4 、进行实验室测试工作，对采集的数据进行处理。调试软硬件及算法， 使装置能消除外界干扰、提高测量精度。 5 、对实际输电线路杆塔接地体进行试验，对测量数据进行分析处理，研 究被测接地体的冲击特性找出装置的不足，以提高其实用性。 7 西华大学硕士学位论文 2 测量接地阻抗的基本原理和常用方法 2 1 接地阻抗的基本概念 在电力系统中为了工作和安全的需要，常需将电力系统电气设备的某些部 分与大地做电气上的连接，使其对地保持一个低的电位，这就是通常所说的接 地【l 】。到目前为止，接地仍然是应用最广泛的电气安全措旄之一。不论是强电 设备还是弱点设备，不论是交流设备还是直流设备，不论是高压设备还是低压 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。 接地装置由埋在地中的接地体以及连接到设备接地部分的接地线组成接 地线是连接于接地体与电气设备之间的金属导线，它可分为接地干线和接地支 线。接地体是直接与大地接触的金属导体，按其布置方式可分为外引式接地体 和环路式接地体；按其形状分，有管形、带形和环形几种基本形式，复杂一点 的有放射形及网状等等；按其结构划分，有自然接地体和人工接地体之分。用 来作为自然接地体的有：上下水的金属管道；与大地有可靠连接的建筑物和构 筑物的金属结构；敷设于地下其数量不少于二根的电缆金属包皮及敷设于地下 的各种金属管道，但可燃液体以及可燃或可爆的气体管道除外用来作为人工 接地体的一般有钢管、角钢、扁钢和圆钢等钢材，如在有化学腐蚀性的土壤中， 则应采用镀锌的上述几种钢材或铜质的接地体由于在各个接地工程中所采用 的接地电极的形状是多种多样的，而且结构和布置方式也均有不同，因此具体 所采用的接地装置要根据实际情况而定 根据d l ，r 4 7 5 2 0 0 6 接地装置特性参数测量导则的定义，接地阻抗为接 地装置对远方电位零点的阻抗。数值上为接地装置与远方电位零点间的电位差， 与通过接地装置流入地中的电流的比值。按冲击电流求得的接地阻抗称为冲击 接地阻抗：按工频电流求得的接地阻抗称为工频接地阻抗。凡未标明为冲击接地 阻抗的，接地阻抗均指工频接地阻抗 1 4 1 。接地阻抗的大小除了和接地体的几何 尺寸及形状有关外，还和大地的结构、土壤的电阻率有关，在雷电冲击电流流 过时还和流经接地体的冲击电流的幅值和波形有关。这其中，土壤电阻率是一 个重要参数，它直接影响接地阻抗的大小、地网地面电位的分布、跨步电压和 8 西华大学硕士学位论文 设备接触电压通常，由于气候、土壤结构及所含化学物质的不同，各个地区 的土壤电阻率也有很大不同。 由于接地阻抗的存在，当有电流流过接地体时。将使接地电极及四周的土 壤发热：电流在接地阻抗上的压降将引起接地电极电位的升高，可能使设备受 到这一过电压( 反击过电压) 的作用而损坏；电流在地中扩散时，在地面上出 现的电位梯度会使人体遭受接触电压和跨步电压的作用。为此，对接地阻抗的 值必须加以控制。但是，随着电力设备运行时间的推移，外界环境的不断变化， 接地体的变形或腐蚀，土壤结构与成分的改变等等，接地阻抗值会产生变化， 若是超出安全范围就可能会导致电力事故，所以，要定期对接地阻抗进行测量， 一发现其值不在安全范围之内，则立即采取相应措施。 在文献 1 4 1 2 0 0 6 年的测量导则中，接地装置的参数使用了接地阻抗的概念， 而以前的测量导则和大部分文献都是以接地电阻为接地装置参数，但把接地阻 抗作为接地装置的特性参数更加准确。 2 1 1 接地阻抗的物理概念 一般来说，接地装置的阻抗是复数阻抗，包含电阻分量、电感分量和电容 分量，所有这些分量都影响接地装置的载流能力。对于工频接地，接地阻抗中 的电阻分量起重要作用，而对雷电流等高频电流入地时，电感分量和电容分量 起重要作用。 地中有工频电流流散时，工频电流在地中的分布与直流电的分布在原则上 是有区别的但是，由于土壤电阻率较大，所以在计算接地电流时，由于感应 电动势引起的电压降与电阻压降比较起来可以忽略不计，故工频电流的接地计 算可以用直流的接地计算来代替根据静电比拟法，直流电流场的接地电阻计 算可以用相应条件下的静电场计算来得到【” 由高斯定理，穿过任一闭合表面的电位移矢量等于包围在此表面所限定的 空间内的电荷，即 p 出。俨出q ( 2 - 1 ) 欧姆定律的微分形式为 9 西华大学硕士学位论文 蛩如- 东t 出“ 由电阻和电容的定义 c 。垒 u r 。旦 f 将式( 2 - 1 ) 、式( 2 2 ) 代入式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) ， 积得到 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 q 由式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 的乘 肌争嚣 q 国 当地电阻率各向同性时，式( 2 5 ) 可改写为 r 一吾鬈- 詈。 其中t 叶石南矿 于大地的电气性质。这种传导电流和位移电流在地中分布的相似性，可以使接 西华大学硕士学位论文 面积是减小接地电阻的主要方法 2 2 2 地中电位分布 接地阻抗是电流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电位之间的电位差，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。 f i g u r e2 - 1s e m i 。s p h e n c a lg r o u n d i n ge l e c t r o d e mu n i f o r ms o i l 图2 1 均匀土壤中的半球形接地电极 以图2 - 1 所示的与地面齐平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 - _ 二= 了 (2-7)2n r z 、 该处的电场强度e 则为 e - j p i 告( 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 一五i p ，1 告 ( 2 9 ) 由此可得半球形接地电极的电阻r o 为 r 一兰i 一石p ( 2 - 1 0 ) 1 1 西华大学硕士学位论文 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出的各 半球体薄壳的土壤电阻串联求得，即 民- r 譬d 一一昙争寺( 2 - 1 1 ， 如果要计算由a 到r 之间的电阻r ，则显然有 尺；f 等- 一掰一争一去0 一詈) ；r 0 ( 1 一( 2 - 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中，当r = 1 0 a 时，将有 r 0 9 r o( 2 - 1 3 ) 即r 占r o 的9 0 。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。 另外，根据静电场可以求得圆球的电容为4 丌ea ，半球的电容为2 兀a ， 则根据接地电阻的物理公式( 2 6 ) ，也可得到半球形接地电极的接地表达式 ( 2 1 1 ) 不难看出，在半球形接地电极的电流场中，离球心f 处的电位将为 k - 胁- 罢( 2 - 1 4 ) 据此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 2 测量接地阻抗的基本原理 接地阻抗的定义是电流i 经接地电极流入大地时，接地电极电位v 和i 的 比值。由此可见，为了测量接地阻抗，我们需要设置电流极和电压极由于电 压极不可能设置在真正的无穷远处，而电流极的存在又会使地中的电流场发生 畸变从而影响到地面的电位分布，这样就会导致接地阻抗的测量误差，因此必 须合理地设置电流极和电压极图2 - 2 为接地阻抗测量原理图。 1 2 西华大学硕士学位论文 c f i g u r e 2 - 2 t h e s c h e m a t i c d i a g r a m o f m e a s u r i n g g r o u n d i m p e d a n c e 图2 - 2 接地阻抗测量原理图 2 2 1 电压极和电流极成直线布置的情况 为寻求接地阻抗的正确测量方法，先以半球形接地电极为例来讨论均匀土 壤中接地电极和电流极连线方向上的地面电位分布如图2 - 3 所示，图2 3 ( a ) 为p 在e c 连线的中间，图2 - 3 0 ) 为p 在e c 的延长线上现以图2 - 3 0 ) 的情况 说明地面电位分布，取半球接地电极e 的半径为a ，将电流极c 用一个半径为a 。 的半球取代，电流i 自e 流入，c 流出，则应用叠加原理可写出在e c 连线中 间任一点p 的电位v x 为 屹- 等e 一由( 2 - 1 5 ) ( a ) p i n m i d d l e o f e c l i n e ( a )p 在e c 连线的中问 西华大学硕士学位论文 ( b ) p i ne x t e n s i o no f e cl i n e ( b ) p 在e c 连线的延长线上 f i g u r e2 - 3g r o u n dp o t e n t i a ld i s t n b u t i o nc a l c u l a t i o ni n1 m eo fg r o u n d i n ge l e c c o d e a n dc u r r e n te l e c t r o d e 图2 - 3 接地电极和电流极连线上的地面电位分布计算 由此司知，在e c 连线的中间，当x = l x 时，有v x = 0 ，当x l - x 时，v 叠为负值，其值随x 的增大而降低，在p 抵达电流极表面，即石- l 一4 。，l - x m a 。时，可达负的最大值屹 k - 罢c 击一寺( 2 - 1 乃 在e c 延长线上，则只有当x 一一时，才有v 叠一0 。 图2 4 ( a ) 给出了e c 连线上各点的地面电位分布图。为便于比较，图2 - 4 ( b ) ， 还给出了在没有电流极时的地面电位分布，根据式2 - 9 可知此时相应的电极电 1 4 位为： t 等砜( 2 - 1 8 ) 可以看出，电流极的存在起到了把无穷远处零位面移到电极连线中部的作 用。比较式( 2 1 6 ) 和( 2 1 8 ) 可知，由于零位面的移近，在同一入地电流i 下，有 电流极存在时接地电极和零位面之同的电位差要比无电流极存在时小，因此在 测量接地阻抗时，即使把电压极设置在零位面处，所得的结果也是偏小的 ( a ) x n 王c 连线i = 鬟 i 。l ( b ) 1 ；存往乜渣般 f i g u r e2 - 4g r o u n dp o t e n t i a ld i s m b u t i o n 图2 4 地面电位分布 电压极p 在e c 沿线不同位置时所测得的电压值可参照图2 - 5 写出。此时 接地电极e 的电流i 使e p 两点闻出现的电位差为 西华大学硕士学位论文 - 老一去 而电流极c 的电流使e p 两点间出现的电位差为 k i 告一志 u ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) f i g u r e2 - 5g r o u n di i l l p c d a mm e a s u r e m e n ti nd i f f e r e n tv o l t a g ee l e c t r o d ep o s i t i o n 图2 - 5 不同电压极位置下的接地阻抗测量 则用电压表量出的e p 同的电压将为 y 一+ k - 罢e 一；1 一i 1 + 南( 2 - 2 1 ) 由此测得的电阻值r 则为 r 一兰i 一丢一i 1 一z 1 + 南( 2 - 2 2 ) 而前面已经算得半球形接地电极的实际接地阻抗为民竺，则要使r 符 合r ，必须使 一i1一一1+圭o(2-23)l工 一工 令工- o z , ，于是有l 一工一( 1 一a ) l ，代入式c 2 2 3 ) 可解得口一0 6 1 8 。 系数q 表明，如果电流极不置于无穷远处，则只要将电压极打在x ：0 西华大学硕士学位论文 处，就能测得正确的结果，这种方法称为0 6 1 8 法或补偿法。补偿法是一种人 为的修正方法，所以只要能给出地面各点的电位分布，补偿法还可推广应用到 电压极和电流极按一定夹角布置的情况中。 2 2 2 电压极和电流极按一定夹角布置的情况 以半球形接地电极为例，如图2 6 所示，设电压极打在地面任一点p 处， 显然此时由电压表量得的e p 问的电压仍可用式( 2 - 2 1 ) 表示，但有p c 间的距离 d - 工24 - l 2 2 x lc o s0 ( 2 2 4 ) 将式( 2 - 2 4 ) 代入式( 2 2 1 ) ，可得 矿。；l p ，( c 1 一 一1 ，+ 7 亍亏一) ( 2 - 2 5 ) 2 玎、4 工 工工2 + r 一2 x l c o s 0 7 p f i g u r e2 - 6v o l t a g ee l e c t r o d ea n dc u r r e n te l e c t r o d ei ng i v e n a n g l ea r r a n g e m e n t 图2 - 6 电压极和电流极按一定夹角布置 由此可得电压极在各种位置时测得的接地阻抗值r 为 。 r 。丢e 。三+ 万霄矧1 ( 2 2 6 ) 幼、4工 l x 2 + r 一批s 日7 、_ 它和实际接地阻抗值问的比值则为 1 7 西华大学硕士学位论文 惫小n ( 三+ i i 一万露) 要使r - r ，必须使 三+ 三一：!。0 工l x 2 + l 2 2 x l c o s 8 仍令x = a l ，若0 已知，则可解得a 的值 在实际工程中常用的方法是把电压极打在a = 1 ，0 = 2 8 9 6 。 即电压极和电流极与被测电极问有相同的距离，其夹角为3 0 。 2 3 接地阻抗的常用测量方法 ( 2 - 2 7 ) ( 2 2 8 ) 3 0 。的点上， 目前国内外测量接地阻抗最常用的方法有电压一电流法、比率计法、电桥 法，另外还有异频法、钳表法等。对大型接地装置如1 1 0 k v 及以上变电所接地 网，或地网对角线d 6 0 m 的地网不能采用比率计法和电桥法，而应采用电压、 电流表法，且施加的电流要达到一定值，测量导则要求不宜小于5 0 a 。 1 ) 电压、电流法 采用电压、电流法测量接地网接地电阻的试验接线如图2 7 所示施加电 源后，同时读取电流表和电压表值，然后按r g = u i 计算接地阻抗即可 刈 j 俞 “ 枷5 r f i g u r e 2 - 7 t t m g w h e o f v o l t a g 煳t m e t h o d 图2 - 7 电压电流法试验接线 t 1 一隔离器；1 2 一调压器；1 - - 接地网；2 一电压极；3 - - 电流极 1 8 西华大学硕士学位论文 2 ) 比率计法 比率计法的试验接线如图2 8 所示 比率计m 指针的偏转与两个线圈流过的电流比成比例，事先将比率计的 刻度由电阻值校准，测量时可以直接从刻度上读出接地电阻值。如m c - - 0 7 、 m c - - 0 8 型和l 一8 型比率计，即是这种接线。 ，一 再 f i g u r e 2 - 8 t e s t i a g w i r e o f r a t i o m e t e r m e t h o d 图2 - 8 比率计法的试验接线 1 - - 接地体；2 一电压极；3 一电流极；m 一比率计 3 ) 电桥法 电桥型接地电阻测量仪的原理接线如图2 - 9 所示 调节滑线电阻r ，使检流计指针指零( 或接近零) ：此时，乓一，：r ， 接地电阻为巳。i 1 2r 在实际接地电阻测试仪中，取等七一打( k 为倍率电 阻并联系数，n 为电桥倍率) ，于是得r n r 。 使用时，调节滑线电组r ，使检流计中的电流为零( 或接近零) ，从刻度盘上 读取电阻值，乘以所选择的倍数n ，即为被测的接地电阻值g g 常用的z c b 、z c 2 9 、j d 一1 、l 呻型和e - 一l 型等地阻仪，都属于这类接线。 西华大学硕士学位论文 ， i 匦， 订i “”扩“”“，1 r ”“，l f i g u r e 2 - 9 t e s t i n g w i r e o f e l e c t r i c b r i d g e g r o u n d i l n p e d a n t e s t d e v i c e 图2 - 9 电桥型接地阻抗测量仪的原理接线 l 一接地体；2 - - 电压极；3 - - 电流极；p - - 检流计；t 一试验变压器 4 ) 异频法 2 0 世纪8 0 年代以来，一些西方国家相继采用异频方法进行变电站接地网 的接地测量研究，2 0 世纪9 0 年代以来，我国一些单位也相继开展了异频测量 技术的应用研究。异频测量是指使用异频电源注入接地网的电流信号频率避开 工频，以便于从测量信号中去除干扰信号，利用频谱技术提取有用信号，采用 计算机进行数据处理，可从测量结果中选取电流电压的同相分量，并折算出地 网工频接地阻抗。 异频法主要采用阻频特性原理，先测量干扰电压，按照电流一电压法在 4 0 - 1 2 8 h z 频率范围内，采用4 0 、6 0 、9 4 、1 0 5 、1 1 1 、1 2 8 h z 等多个测量频率， 依靠内置a f c 自动频率控制系统自动选择多个异频测量，从而避开干扰的频率 并得到各个频率下的阻抗，采用d s p 数字信号处理器计算、分析，用逐次逼近 曲线拟合得到阻频特性曲线，然后直接在曲线上插值得到工频接地阻抗及与频 率无关的纯接地电阻r 异频法测量的原理框图如图2 - 1 0 所示 异频法的优点是设备轻小，电流引线细，操作方便，并能消除地网中的工频 及高频干扰。 西华大学硕士学位论文 室 采 f i g u r e 2 - 1 0 t h es c h e m e t i c d i a g r a m o f m e a s u r e m e n t w i t h d i f f e r e n t f r e q u e n c y m e t h o d 图2 1 0 异频法测量的原理框图 5 ) 钳表法 钳表法实际上是测量杆塔接地阻抗与杆塔架空地线和临近杆塔的接地阻 抗形成的回路的阻抗。钳表的钳口部分由电压线圈及电流线圈组成，电压线圈 提供激励信号，并在被测回路上感应一个电势e 在电势e 的作用下将在被测 回路产生电流i 电势e 与电流i 的比值即为被测电阻值 f i g u r e 2 - 1 1 t h es c h e m a t i c d i a g r a m o f c l a m p m e t e r m e t h o d 图2 - 1 1 钳表法测量原理图 钳表法只适用于输电线路杆塔的接地阻抗测量，不能测量大型地网接地阻 抗。传统的输电线路杆塔接地阻抗测量方法普遍采用接地摇表法，需要在现场 布置几十米以上的电极引线，工作量很大钳表法是近年来出现的新方法，它 无需电流、电压极和外加电源，不用断开接地连接，只要钳表夹住杆塔接地线 西华大学硕士学位论文 即司 综上所述，钳表法和异频法为小电流测量方法，与传统大电流( 5 0 a ) 测量方法相比，有其特殊的优点：， ( 1 ) 测量可在变电站正常运行下进行 ( 2 )无需保护设备 ( 3 )没有工频干扰问题 ( 4 )节省时间、财力( 与大电流注入相比可节约5 0 以上) ( 5 )对复杂的接地网具有很高的准确度 ( 6 )低电流、低功率、安全性高 尽管小电流测量方法有许多优点，但电流流入接地装置时过程复杂，不同 的电流流入接地装置会呈现不同的特性，因此小电流测量方法不能完全代替大 电流测量方法。 2 4 小结 本章对接地阻抗的物理概念、测量接地阻抗的基本原理进行了简单介绍， 在电压极和电流极布置方式上，实际工程中通常采用0 6 1 8 法或3 0 4 夹角法。 对接地阻抗的各种测量方法：电压一电流法、比率计法、电桥法、异频法和钳 表法，逐一地进行了介绍，分析了它们的使用方法和应用范围，并对小电流测 量方法和大电流测量方法进行比较接地阻抗测量过程中，在相同测量方法下， 接地电极的布置方法的不同会导致测量结果的差别。电流流入接地装置是一个 相当复杂的过程，不同的测试电流流入接地装置会呈现不同的特性，因此不同 的测量方法测出