（电力系统及其自动化专业论文）输电杆塔接地电阻的冲击测量系统的研制.pdf

西华大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n to f t o w e r g r o u n d i n g d e v i c e ，si m p u l s e g r o u n d i m p e d a n c em e a s u r e m e n ts 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 ：f a nm i a nt u t o r ：l i j i a n r u i n g d a i y u - s o 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 ，t h er e q u e s tp r o p o s e dt oe l e c t r i c a l p o w e rs y s t e m sg r o u n d i n gi sb e c o m i n gh i g h e ra n dn e w e r g r o t m d i n gp r o b l e mi n p o w e rs y s t e mi sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h e r ea r eal o to fd a m a g eb yl i g h t n i n g o 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 di m p e d a n c em e a s u r e m e n to n l yc a n m 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 e i m p u l s eg r o u n d i m p e d a n c e ，s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt or e s e a r c han e wm e t h o do fm e a s u r i n gt o w e r i m p u l s eg r o u n di m p e d a n c e t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ec o m m o ns t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e t o w e rg r o u n d i n gd e v i c e ，a n dh a sc a l c u l a t e dt h et r a n s i e n tv o l t a g eo ft h et o po ft h e t o w e rw h e nl 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 e m b a r k e df r o mt h et h e o r yh a s p r o v e nt h ei m p a c tg r o u n dr e s i s t a n c es u r v e yi m p o r t a n 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 do fm e a s u r i n gg r o u n di m p e d a n c e b y g 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 b a s e do ns 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 d t h ei 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 m s y s t e m ，w h i c hi so p e r a t e de a s i l ya n d f i tf i e l dp r o j e c ta p p l i c a t i o n i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r , t h r o u g hu s i n gt h ei m p a c te a r t h r e s i s t a n c e - l i 西华大学硕士学位论文 m e a s u r e m 胁ts y s t e m sl a b o r a t o r yt e s ta n dt h es u r v e ye x p e r i m e n tw h i c ho ns o m e t r a n s m i s s i o nl i n ep o l e sa n dt o w e r s ，a n da n a l y s i st h e t h e o r yo ft h et o w e rg r o u n d i n g d e v i c e si m p a c tc h a r a c t e r i s t i c 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 e i m p u l s e g r o u n di 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 ms y s t e mi st r u ea n dv a l i d ， a n dt h i sm e a s u r e m e n t s y s t e mf i ta c t u a lp r o j e c tm e a s u r e m e n t 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 ，m e a s u r e m e ms y s t e m ，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 1 1 1 西华大学硕士学位论文 声明 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：橱 d 君年月oh 刷醛字韵嘞济们胗日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 接地就是将电气设备的某些部位、电力系统的某点与大地连接，提供故 障电流及雷电流的泄流通道，稳定电位，提供零电位参考点，以确保电力系 统、电气设备的安全运行，同时确保电力系统运行人员的人身安全。电力系 统的接地装置可分为两类，一类为输电线路杆塔或微波塔的比较简单的接地 装置，如水平接地体、垂直接地体、环形接地体等，另一类为发、变电站的 接地网【l 】。随着现代大电网向超高压、大容量和远距离输电方向的发展，对 于电力系统安全、稳定及经济运行的要求越来越高，为确保电网的安全稳定 运行，如何测量和评估安全有效的接地系统就显得越来越重要。 发、变电站的接地系统是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和 电气设备安全的根本保证和重要措施。当电力系统发生接地短路故障或其它 大电流入地时，如果接地电阻值比较大，就会造成地网电位异常升高。这样 会给运行人员的人身安全带来威胁，还会发生因反击导致的电气设备的损坏 和一系列的事故扩大。这样的事故在国内外较多。 输电线路杆塔的接地装置是提高输电线路的耐雷水平的一个基本措施， 而在架空线路的设计中，防雷设计也是决定输电线路可靠性的重要因素之一。 在我国跳闸率高和比较高的地区，高压输电线路的总跳闸次数中，由雷击引 起的约占4 0 7 0 ，尤其在雷电活动强烈、土壤电阻率高、地形复杂的地区， 雷击输电线路而引起的事故率更高 2 1 。我国多个地区都发生过由于杆塔接地 电阻未达到要求，或因接地装置腐蚀和断裂引起接地电阻变大，而导致的事 故和事故扩大，这给国家和社会带来巨大的经济损失。 表征接地装置电气性能的参数为接地电阻。接地电阻的数值等于接地装 置相对无穷远处零电位的电压与通过接地装置流入地中电流的比值。测量接 西华大学硕士学位论文 地电阻时，如果通过的电流为工频电流，则对应的接地电阻为工频接地电阻： 如果通过的电流为冲击电流，则对应的接地电阻为冲击接地电阻。冲击接地 电阻是时变暂态电阻，工程上一般用接地装置的冲击电压幅值与通过其流入 地中的冲击电流幅值的比值作为接地装置的冲击接地电阻；为了避免多根测 量引线互感作用对测量结果的影响，也有人使用直流电源测量接地电阻。但 接地电阻不仅包含接地系统的阻性分量，还包含感性分量，而直流测量只能 测量到接地系统的阻性分量。 目前，国内外越来越多的研究人员将关注的目光投向接地电阻测量方式 和计算方法的技术领域。本文的课题就是在这样的技术背景下展开的。 1 1 冲击接地电阻测量的重要性 雷击架空线路及杆塔时，雷电流流经杆塔，然后通过接地装置散流到大 地中去。在冲击电流作用下，接地装置的周围将产生瞬变的电磁场，其阻抗 为暂态阻抗，随时间而发生变化。工程上一般将冲击电压的最大值与冲击电 流的最大值之比定义为冲击接地电阻r 1 ： 兄：坠 1 ， n m 它是一个人为的定义，本身没有确切的物理定义。但如果知道接地装置 的冲击接地电阻，就可以根据雷电流的大小估算出接地装置可能出现的最高 暂态电位。冲击接地电阻明显不同于工频接地电阻。在冲击电流作用下，接 地体火花效应相当于增大了接地装置的导体的直径，从而降低了接地电阻。 冲击接地电阻r 1 与工频接地电阻r 之比为冲击系数： 口：鱼( 1 2 ) 西华大学硕士学位论文 在雷电流作用下，随着流过接地极的冲击电流的增大，电场强度也增大， 因而土壤电阻率也随之降低。一般来说，当电场强度达到1 0 0 0 1 2 0 0 k v m ， 超过了土壤的击穿强度以后，这时便开始出现强烈的火花放电过程，使接地 极附近的电场急剧下降，因而使接地极的散流电阻值降低很多。随着时间的 推移，火花放电转变成电弧放电，因此在电场强度逐渐升高的同时产生有很 大时延的火花放电过程，引起土壤电阻率的下降，是冲击接地电阻降低的主 要原因。 近年来，如何提高输电线路的耐雷水平已受到了人们的日益重视，各国 采取了许多措施，如采用不平衡绝缘、线路加强绝缘、加装耦合地线、减小 线路的保护角、降低杆塔接地装置的接地电阻、线路上安装避雷器等。输电 线路杆塔接地装置通过杆塔或引下线与避雷线相联，其主要作用是将直击于 输电线路的雷电流引入大地，以减小雷击引起的停电和人身事故。浙江电力 试验研究院所提出的新杭2 2 0 k v 线路2 1 年雷击跳闸率变化统计结果表明， “改善接地是最有效的防雷改进措施”【3 】。可见，降低杆塔接地装置的接地 电阻是提高输电线路耐雷水平的重要措施。 我们知道，当雷击于输电线路杆塔时，塔顶电位与杆塔接地装置的冲击 接地电阻有密切的关系。当冲击接地电阻值越低，雷击时加在绝缘子串上的 电压就越低，发生反击闪络的概率就越小。反之，反击的概率就大。可见， 输电线路杆塔接地装置的冲击接地电阻与输电线路的雷击跳闸率直接相关， 线路杆塔接地装置冲击接地电阻严重地影响线路的防雷效果。所以在进行输 电线路的防雷评估时，准确地测量输电线路杆塔接地装置的冲击接地电阻十 分重要。因此，研究一种新的测量方法，能直接准确有效的测量出杆塔接地 装置的冲击接地电阻，有重大的工程实际意义。 西华大学硕士学位论文 1 2 国内外研究背景及现状 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电阻。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电阻的方法有： 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 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。 冲击接地电阻的测量，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。 另外，在接地电阻的测量方法上，有以下几种： 西华大学硕士学位论文 1 ) 钳表法 钳表法实际上是测量杆塔接地电阻与杆塔架空地线和临近杆塔的接地 电阻形成的回路的电阻。如图1 1 ，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 e1 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fc l a m pm e t e rm e t h o d 图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电阻测量，不能测量大型地网接地 电阻。传统的输电线路杆塔接地电阻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 塔接地线即可。 2 ) 电压、电流法( 三极法) 采用电压、电流法测量接地网接地电阻的试验接线如图1 2 所示。施加 电源后，同时读取电流表和电压表值，然后按接地电阻公式醚- - u i 计算接 地电阻即可。 西华大学硕士学位论文 t】t2 矿 l 一 俞- - j ly p a p v ii “犀j r 羽j i _ “n n “( “川川n 毪 ，7 t l 一隔离器；t 2 一调压器；1 一接地网；2 一电压极；3 一电流极 f i g u r e1 2t e s t i n gw i r eo f v o l t a g e - c u r r e n tm e t h o d 图1 2 电压电流法试验接线 3 ) 直流法 为了解决传统接地电阻测量方法现场放线操作麻烦、钳表法测量不准等 缺陷，有学者提出了下述等效测量接地电阻的测量方法。 对于有避雷线且多基杆塔避雷线直接接地的架空输电线路杆塔来说，如 要测量某基杆塔接地电阻，只需将测量仪接入该杆塔接地引下线上，即加入 了一恒流源，其产生的电流经过由避雷线连接在一起的杆塔通过大地流回测 量仪中，便得出了杆塔接地电阻值。随着并入杆塔数的增多，其并联电阻越 小，对于输电线路来说其值可以忽略，所测得的阻值就越接近真实值。其测 量原理如下图1 3 所示。 其中，r l 为被测杆塔的接地电阻；r 1 、r 2 、r 3 、r n 为通过避雷线连 接的各基杆塔的接地电阻；u 为接地电阻测量仪输出激励电压；i 为接地电阻 测量仪输出回路电流。 图1 4 为测量原理图的等效电路图。其中，鹏f 、p - q , 2 、r b 3 、为各档避 雷线的电阻( 包括接触电阻) ；r t l 、r t 3 、为各基杆塔的电阻( 包括接 触电阻) 。 西华大学硕士学位论文 u f i g u r e1 3 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd i r e c t sc u r r e n tm e t h o d 图1 3 直流法测量原理图 r 蛆r b 2r b 3 h f i g u r e1 4 e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo f t h em e a s u r e m e n ts c h e m a t i cd i a g r a m 图1 4 测量原理图的等效电路图 1 3 本文的主要研究内容 针对电力系统输电线路杆塔接地装置的现状，以及冲击接地电阻的测量 方法，本文全面比较分析现有的输电线路杆塔接地装置的电阻测量原理和其 冲击特性，在大量理论计算和实验的基础上，进行了较为深入的研究和分析。 本文所做的工作如下： 1 、介绍输电线路杆塔接地装置的结构特性和接地电阻测量的基本原理， 直j _ m 世碍 七 n r r 1lilnuijl上工il 西华大学硕士学位论文 分析了冲击电流入地的波过程，以及各种杆塔接地装置的冲击特性。 2 、通过理论计算建立雷击杆塔的等效电路计算模型，通过建立的模型研 究杆塔冲击接地电阻对线路反击的影响。 3 、提出了一种利用冲击电流测量接地阻抗的新方法。 4 、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 式冲击接地电阻的测量仪器。 5 、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。 6 、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，以提高其实用性能。 西华大学硕士学位论文 2 输电线路杆塔接地装置的结构及特性 输电线路杆塔接地装置的冲击阻抗与输电线路的跳闸率直接相关，输电 线路杆塔接地装置冲击接地电阻严重影响线路的防雷效果。关于防雷设计， 除了采用架空地线减少雷直击导线的几率外，同时还要限制塔顶电位，降低 塔顶与导线之间的电位差，以防止反击。当雷击输电线路杆塔时，雷电流i 经杆塔和接地装置而流入地下，杆塔电位升高主要是因为杆塔和接地装置的 综合效应。雷击塔顶时，塔顶电位为： k 钢即三参 ( 2 1 ) 式中r 。为杆塔接地装置的冲击接地电阻；l 为杆塔的电感，一般与其高度成 正比；d 为避雷线对雷电流的分流系数。 当塔顶电位v t 与输电线路相导线上由于感应和耦合的电位之差超过了 绝缘子串的放电电压时，绝缘子串发生闪络，可能会导致线路的停电事故， 影响电力系统的正常运行。从式( 2 1 ) 可以看出，塔顶电位与杆塔接地装置 冲击接地电阻有密切的关系，且冲击接地电阻值越低，雷击时加在绝缘子串 上的电压就越低，发生反击闪络的概率就越小。所以在输电线路接地设计时， 冲击接地电阻是二个相当重要的参数。 2 1 对输电线路杆塔接地装置的要求 在冲击电流的作用下，接地装置的冲击接地电阻一般低于工频接地电 阻，但是冲击接地电阻因土壤性质、冲击电流峰值及接地装置的几何形状不 同而相差很大。因此目前在实际的接地装置设计中还是以正常工频电阻值作 为考虑的依据，同时考虑一定的降低裕度。 两华大学硕士学位论文 在我国d l f r 6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的接地标准中，对不同土壤电阻 率地区，线路杆塔接地电阻值应达到的相应标准作了规定1 4 。对有避雷线的 架空线路杆塔工频接地电阻的要求如下表： 表2 1 对有避雷线的架空线路杆塔的工频接地电阻要求 t a b l e2 1t h e r e q u e s to f p o w e r - f r e q u e n c yg r o u n d i n gr e s i s t a n c ef o ro v e r h e a dt r a n s m i s s i o n l i n et o w e r 、i 吐1o v e r h e a dg r o u n dw i r e 土壤电阻率( q m )工频接地电阻i 1 0 0 以下1 0 1 0 0 一5 0 01 5 5 0 0 - 1 0 0 0 2 0 l 0 0 0 - 2 0 0 02 5 2 0 0 0 以上 3 0 其中输电线路杆塔接地装置的工频接地电阻是指在工频电流作用时，拆 开避雷线所测量到的电阻值，一般指夏季测量到的数据。此外，接地装置的接 地电阻还应按杆塔高度来规定。如果高度超过3 5 m 时，其接地电阻应取表2 1 所列数值的一半1 1 。 2 2 输电线路杆塔接地装置的基本结构 2 2 1 设计输电线路杆塔接地装置的基本原则 输电线路杆塔基础一般以钢筋混凝土为主，基础本身就构成了有效的接 地极。近年来采用的大型铁塔的基础尺寸相当大，在低电阻率地区，仅靠基 础就可以获得所要求的接地电阻值。但是在高土壤电阻率地区，仅靠基础则 不能满足接地电阻的要求。这时需要另外设置接地极与杆塔相连，与混凝土 西华大学硕士学位论文 基础共同构成杆塔接地装置。 在进行线路杆塔接地装置设计时，一般有以下几个原n - ( 1 ) 应考虑将杆塔的钢筋混凝土基础作为自然接地极，钢筋混凝土具 有良好的吸湿性能，利用其作为自然接地极能有效地降低接地电阻。 ( 2 ) 当钢筋混凝土不能保证达到所要求的电阻值时，应增设人工接地 极。人工接地极的布置及其尺寸，应视土壤电阻率和杆塔结构而定。 为了让雷电流流经杆塔入地时能有多条通道，并尽可能利用单根水平接 地极的泄流电导，则人工接地装置宜于做成单个接地极，并布置在杆塔的各 塔脚附近。 ( 3 ) 当线路杆塔处于土壤电阻率较高的地段，若能将接地极埋设在处 于地下水作用的良导电土壤层，则宜采用深埋式接地极。 通常在设计线路接地装置时所采用的结构型式，与选用的基础型式有 关。从现在国外的情况来看，为了减少施工工作量，往往在安装钢筋混凝土 基座之前，在基坑底部预先敷设圆钢、型钢接地极；或者将接地极与塔柱共 同埋入土中【1 1 。为了到达规定的接地电阻值，则应额外敷设水平延伸接地极 或深埋式接地极。接地极一般由直径为1 0 1 6 m m 的圆钢制成。在某些情况下 采用钢管或角钢作为垂直接地电极材料。 对于接地极的埋设深度，水平接地极的埋设深度不小于o 5 m ，而在耕地 中埋设深度不小于l m 。若在岩石土壤中埋设杆塔时，如果地表厚度不小于 0 1 m ，则允许将水平接地极埋设在岩石之上。深埋接地极埋深可到2 0 - 3 0 m 。 2 2 2 输电线路杆塔接地装置的几种基本结构 在线路接地装置中通常采用如下几种结构的接地装置： ( 1 ) 环形水平接地极：当土壤电阻率超过l o o f 2 m 时，仅靠自然接地 西华大学硕士学位论文 极很难达到所要求的接地电阻值。因此就必须敷设附加的人工接地极。这时 应考虑与基坑的大小和底座的布置相适应的沿底座四周敷设的矩形或方形水 平接地极，同时沿基坑布置几根垂直引线至地面上，与杆塔柱体进行电气连 接。 对环形接地极来说，普遍采用圆钢。 ( 2 ) 水平带形接地极：这种接地极通常适用于表面土壤电阻率较低的 情况，一般多采用水平放射状布置。当雷击杆塔时，雷电流流经各个塔身和 拉线。为使雷电流有更多的散流通道，并且使每个接地极得到充分利用，可 将放射形接地极做成多组单根接地极的型式，设置在各塔脚旁，并将水平接 地极与自然接地极和环形接地极可靠连接。一般来说，水平接地极的射线长 度与数量取决于土壤电阻率。 根据运行经验，当土壤电阻率大于4 0 0 0 0 m 时，输电线路采用水平接 地极连续延伸是有效的。 ( 3 ) 深埋式接地极：当基坑下层土壤的电阻率比钢筋混凝土基础所在 标高处要低得多时，可采用埋设很深的垂直接地极。这种深埋式垂直接地极 可采用如下两种结构方案。 一是在导电性能好的土壤中布置比较短的管状接地极，并与杆塔的塔基 相连；二是采用单一的长垂直接地极，用机械施工方法将其深埋到可以接触 到下部导电性能好的土壤层。有时可使其必要性，将电极埋深达15 - 2 0 m 以 上，并可采用组合式结构。 有实测结果表明：在砂土中的垂直接地极，如果接地极的长度增长到6 m ， 接地电阻可下降到2 5 m 时的6 6 1 0 ；而增加到1 2 m 时，可降低到2 5 m 时的3 3 5 t 5 1 。不同的接地装置各有其优缺点，在应用中必须充分考虑现 场状况、地质条件及其经济性。接地极与塔脚的连接引线应缠绕绝缘带或涂 沥青，防止腐蚀。 2 2 3 钢筋混凝土接地装置作为杆塔接地装置 利用钢筋混凝土作为杆塔的接地装置是降低杆塔接地电阻的一个有效 的方法。目前高压线路最常用的是由阶梯式钢筋混凝土底座或桩柱组成的基 础，它们起着自然接地的作用。欧美各国及日本从5 0 年代末丌始试验用基础 钢筋或混凝土包电极作为新型接地极，7 0 年代逐渐被各国采用。我国在6 0 年代开始试用钢筋混凝土自然接地极，7 0 年代初在电力部门的杆塔、建筑部 门的基础中应用钢筋混凝土自然接地极，7 0 年代中期订入电力设备过电压和 接地设计规程。 几种钢筋混凝土杆塔接地装置的示意图如下图2 1 所示： 己1 生# jj 一_ 术杆一 馄凝土一一钢筋 ( a ) 小杆塔( b ) 钢筋混凝土杆塔( c ) 铁塔 f i g u r e2 1t h es c h e m a t i cp i c t u r eo fg r o u n d i n gd e v i c eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t e 图2 1 钢筋混凝1 二接地装置示意图 关于钢筋混凝土接地装置的性能，国内外学者进行了大量的研究工作， 特别是在其通流能力方面做了比较细致的工作。在我国的接地标准中已列入 了钢筋混凝土杆塔自然接地装置的工频接地电阻的估算公式【4 o 西华大学硕士学位论文 钢筋混凝土自然接地极具有如下几方面的优点 6 1 ： ( 1 ) 混凝土的电阻率比较均匀，有良好的导电条件。一般混凝土基础 呈碱性，具有吸湿性能，满足了电解质导电的两个基本条件，即湿度和离子 浓度。 ( 2 ) 吸湿后的混凝土近似等效于金属电极直径的加大，能使电极长期 保持较低的接地电阻，电性能稳定。混凝土能从土壤中吸收水分来保持本身 的高含水量，且组织稠密，可长期保持低电阻率。 ( 3 ) 在土壤电阻率高的地区，由于混凝土的吸湿作用，导致混凝土的 电阻率比周围土壤的电阻率低，从而降低了接地电阻。 ( 4 ) 钢筋混凝土自然接地极的寿命比较长，因为金属电极处于外部包 裹的混凝土介质的保护下，腐蚀速度变慢，延长了电极的使用寿命。美国应 用实例表明，应用2 2 年的钢筋混凝土自然接地极板仍然良好。 2 3 输电线路杆塔接地装置的冲击特性 我们知道，雷击塔顶时，塔顶电位为： 形= ( 墨f + 堕d t ) ，即雷击塔顶时， 塔顶电位与冲击接地电阻r 1 密切相关。在其它因素一定时，r l 越小，v t 也就 越小，线路反击闪络的概率也就越低。因此在线路杆塔的设计中，线路杆塔 接地装置的冲击接地电阻取值，直接影响到线路的防雷效果。 接地装置冲击特性试验研究方法分为真型试验和模拟实验。真型试验是 对实际中采用的接地装置进行冲击试验。这种方法的优点是可以直接得到接 地装置的真实的冲击特性。但在技术上改变与接地装置有关的参数，如改变 土壤的电阻率等也是不可能的，很难对接地极进行全面系统的研究。模拟试 验很容易改变土壤电阻率、接地装置的几何尺寸、雷电流参数及接地装置的 西华大学硕士学位论文 埋深等相关参数，可严格控制住试验对象的主要参数而不受外界条件的影响， 使实验结果及反映的规律比较准确。国内外的研究表明，如果严格按照模拟 实验的理论来进行模拟实验，其结果是比较准确的，基本是可信的【l 】o 雷电流流经接地装置，在地中的散流是相当复杂的。不仅接地装置的冲 击特性与其结构尺寸、土壤电阻率、接地装置的埋深及雷电流参数等因素有 关，而且频率很高的雷电流在地中散流时，电荷具有宏观的运动特性，它们 在空间的分布随时间的变化而变化，具有时变场的特性，其暂态过程要用理 论分析的方法来进行研究是比较困难的。到目前为止，国内外学者进行了很 多关于接地极冲击特性的研究。但都是基于一些假设条件下，对于一些比较 简单的水平接地极和垂直接地极建立了简化数学模型，如大多没有考虑火花 效应，显然这些研究得到的结论只能是接地极冲击特性的近似估计。 近年来，国内越来越多的学者采用模拟实验的方法来研究接地装置的冲 击特性。特别是一些学者从土壤的击穿机理到单根接地导体和接地网的冲击 特性进行了系统的研究【7 】。 2 3 1 土壤的电击穿机理 从微观结构来看，大多数土壤由基本的非导电的粒子组成，在粒子的表 面覆盖着溶有盐分( 及少量其他矿物质) 的水，在土壤分子间的空穴中填充 了空气。覆盖的水分提供了内联的水通道，水通道提供了土壤低电场下的导 电率。这种导电率( 或电阻率) 主要决定于土壤中存在的水分的含量和盐分 量。一般土壤颗粒在较大的范围内变化。在土壤中的空气穴的平均尺寸决定 于土壤颗粒的尺寸分布。例如，有很精细的灰尘状分子组成的土壤具有更小 的空气穴尺寸，具有粗颗粒或碎石的砂状土壤则具有更大的空气穴尺寸。在 土壤间隙内的空气穴的最大电场明显比具有相同结构和尺寸的空气间隙的最 西华大学硕士学位论文 大电场要大【8 j 。目前，关于土壤在高电压的作用下的击穿机理有两种。一种 机理认为土壤击穿的起始过程主要是电的过程，是由土壤颗粒之间的空气间 隙产生的雪崩击穿引起的。空气间隙处的电场强度由于绝缘效应而得到增强。 当在空气穴的电场超过其起始击穿场强时则开始电离过程。细小的、边缘锋 利的颗粒会引起局部电场的畸变，由于空气穴的不规则形状的电场加强作用 和土壤的相当大的电介常数，在空气穴内击穿时整个间隙的平均电场比一个 等值的空气间隙的击穿电场小得多。 国外有学者针对这一模型做了大量的试验【9 】。l e a d o n 等人首先在空气 中对土壤样品的电击穿特性进行试验，然后把土壤间隙中的空气用s f 6 气体 代替，再进行试验。分别对应于空气和s f 6 气体测量得到与起始电弧有关的 击穿特性，比如击穿起始电场和能量，一直都是不同的。这些量的比值与 同样气压下的自由空气和s f 6 气体的击穿场强之比差不多( 可比拟) 。这种 在土壤和自由气体击穿场强之间的吻合有力的证明了土壤中的起始电弧击 穿涉及到了土壤颗粒间隙中空气的电离。 另一种击穿机理的解释则是认为主要是土壤水分中的热过程嘲。根据这 个模型，当先施加电压脉冲时，电流开始流过土壤，这个电流主要是覆盖在 土壤颗粒上的水分传导的，由于电流的加热作用，水分的温度开始上升，水 的电阻率稍微降低。由于在加热速度的局部非均匀性，发生热不稳定过程， 电流汇集到更高温度( 更低电阻率) 区域。最后所有电流汇流到一个狭窄的 通道，导致水分的蒸发，土壤击穿即沿着这一蒸发通道产生。 文献 7 】的试验结果也证实了空气间隙击穿和热过程引起的水分蒸发的 击穿同时存在的可能。两种机理的作用范围不同，土壤相对比较干燥、水分 含量不高时，更多的主要是空气击穿理论起作用；但是当土壤有较高的水分 含量时，它的导电率主要是由于水分的存在，土壤水分中的热过程作用显著 西华大学硕士学位论文 增强。热过程引起的水分蒸发的击穿控制了这个过程川。 2 3 2 接地极的冲击特性 由于施加在接地体上的雷电流是时变函数，因此，接地体周围的火花放 电区域也随施加在其上的雷电流大小的变化而变化，接地体各单元段的等值 半径在一定条件下也随时间的变化而变化。为了模拟非线性的火花放电，接 地体各单元段与其半径紧密相关的电气参数( 包括对地电导和对地电容) 也 是时变的。 由于火花区域边界的电场强度为土壤的临界击穿场强e c ，则各段的等值 半径可通过下式求得： ，：墨：l( 2 2 ) p2 ；万a i l i 。 式中以为通过第i 段导体流散的电流密度，i ：f 为通过第i 段导体向大地流散 的电流，q 为第i 段导体放电时的等值半径，为第i 段导体的长度。 根据各不同时刻各导体段散流的电流值由式2 2 确定各导体段的等值半 径( 时变的) ，进而根据接地导体电气参数计算公式求得各导体段参数，从而 根据电路理论计算出各点的电压电流值。 由于冲击电流的等值频率很高，因此导体的感抗也就很大，感抗阻碍冲 击电流向接地极的远端流动。而不象工频时，电流沿导线均匀分布。因此， 在冲击电流的作用下，由于导体感抗的阻碍作用，越靠近入地段的接地极流 散的电流就越多，这里的电流密度就越大，因此击穿的土壤厚度就越大。所 以在接地极周围，被击穿的土壤的形状呈锥形，而不是一般认为的圆柱形【l 】， 如下图2 2 所示。 西华大学硕士学位论文 为了便于分析，可抽象等效图2 3 所示的等效模型。 、 夕卒j 、l ) 一心拶 图2 2 接地极周围形成的火花 放电区域形状 图2 3 模拟接地极周围形成的 火花放电区域的等效模型 2 4 对输电线路杆塔接地装置冲击接地电阻影响的各种因素 通过对不同接地装置的模拟试验研究，可以得到影响接地装置冲击接地 电阻的主要因素有接地装置的几何形状及尺寸、土壤电阻率、冲击电流的幅 值及波形。在这一科研领域，我国清华大学、重庆大学采用模拟试验的方法 对输电线路杆塔接地装置的冲击特性进行了全面的研究，总结了很多有价值 的结论 1 , 1 0 , 1 1 】。 2 4 1 冲击电流幅值对冲击接地电阻的影响 图2 4 为各种接地极装置的冲击接地电阻与冲击电流的关系曲线【1 1 。可 以看出，各种接地装置在几何尺寸及土壤电阻率一定时，接地装置的冲击接 地电阻随冲击电流幅值的增加而减小。从图中可以看出，随着冲击电流幅值 的增加，接地装置冲击接地电阻的减小具有饱和的趋势，即当冲击电流幅值 达到一定值以后，即使冲击电流增加很多，而冲击接地电阻减小的幅度很小 【1 2 ，1 3 】 o 在冲击电流作用下，接地极周围具有瞬变电场，当电场强度到达土壤的 临界击穿场强e c 时，接地极周围的土壤被击穿，产生火花放电，这相当于加 西华大学硕士学位论文 大了构成接地装置的金属导体的直径d 。随着冲击电流幅值的增加，接地极 周围被击穿的土壤的厚度也增加。而冲击接地电阻与i n ( 1 d ) 成正比，所以， 冲击接地电阻随冲击电流的增加而减小。另外，i n ( 1 d ) 与d 的关系具有近 似饱和性，因此冲击接地电阻随冲击电流幅值的增加也具有饱和性。 i 小氏 p = 3 1 2 7 f l m t 其中a b c ，e 和f 的l = 2 6 m ；d 约l = 6 0 m f i g u r e2 4t h er e l a t i o no fi m p u l s eg r o u n d i n gi m p e d a n c ea n dp e a kv a l u eo fi m p u l s e c u r r e n t 图2 4 各种接地装置的冲击接地电阻与冲击电流幅值的关系曲线 另外从试验结果中可以看出，土壤电阻率不同，同一接地装置的冲击接 地电阻随电流增加而呈现的饱和特性也不同。土壤电阻率越低，出现饱和趋 势的冲击电流幅值也就越小。这是由于土壤电阻率较小时，导电性能也较好 的缘故。 2 4 2 接地装置的几何尺寸对冲击接地电阻的影响 图2 5 所示为各种接地装置在冲击电流幅值和土壤电阻率一定时，接地 装置的冲击接地电阻与其几何尺寸的关系曲线【1 1 。从图中可以看出，冲击接 地电阻随接地装置的几何尺寸的增加而减小，减小到一定值以后具有饱和趋 西华大学硕士学位论文 势。 接地极尺寸的增加，一方面可以增加接地极的散流面积，而使其冲击接 地电阻减小；另一方面，由于接地极尺寸( 主要指长度) 的增长，接地极感 抗增大，使得增加的接地极不能得到充分的利用，两方面因素作用的结果， 导致冲击接地电阻具有饱和性。因此在冲击电流的作用下接地极具有有效长 度l e 。 从大量的试验结果我们可以得到，冲击电流幅值一定时，随土壤电阻率 的增加，接地极的有效长度将增加。这是因为土壤电阻率越高，土壤的导电 性能就越低，接地极靠近冲击电流入地端散流的电流就相对减少，而使接地 极的有效长度l 。相对增加。 1 i r a f i g u r e2 5 t h er e l a t i o no fi m p u l s eg r o u n d i n gi m p e d a n c ea n ds i z eo fg r o u n d i n gd e v i c e 图2 5 各种接地装置的冲击接地电阻与其几何尺寸的关系曲线 图2 6 所示为土壤电阻率一定时，不同冲击电流幅值下，冲击接地电阻 随接地极的几何尺寸的变化曲线【。从图中可以看出，随着冲击电流幅值的 增加，使得接地极上冲击电流密度也增加，这就需要更多的接地极来流散冲 击电流，因此导致有效长度的增加。 西华大学硕士学位论文 f i g u r e2 6 i r o nt o w e r sg r o u n d i n gd e v i c ei m p u l s eg r o u n d i n gi m p e d a n c eu n d e rd i f f e r e n t p e a kv a l u eo fi m p u l s ec u r r e n t 图2 6 不同冲击电流幅值时铁塔接地装置的冲击接地电阻 随几何尺寸变化的关系曲线 2 4 3 土壤电阻率对冲击接地电阻的影响 图2 7 所示为冲击电流幅值，h 和接地极的几何尺寸一定时，接地极的冲 击接地电阻随土壤电阻率的变化曲线。我们知道，接地极的工频接地电阻是 随着土壤电阻率的增加而线性增加的。而从图2 7 中可以看出，接地装置的 冲击接地电阻与工频接地电阻不同，它与土壤电阻率呈非线性关系增加，即 土壤电阻率较小时，冲击接地电阻随电阻率增加而增加的速度较大，而当电 阻率较大时，冲击接地电阻随电阻率增加而增加的速度减小。 分析图中各曲线，可以看出冲击接地电阻随土壤电阻率变化的曲线基本 可以分为三段。当土壤电阻率小于5 0 0 f ! m 时，土壤为良好土壤，导电性较 好，在这个范围内，随着土壤电阻率的增加，冲击接地电阻增加很快，基本 呈线性关系；土壤电阻率在5 0 0 3 0 0 0 f 2 m 的范围，土壤为不良土壤，导电 性较差，在这个范围内冲击接地电阻随土壤电阻率的增加而增加的速度变慢， 西华大学硕士学位论文 呈非线性关系；当土壤电阻率大于3 0 0 0 q m 时，土壤为极不良土壤，土壤 的导电性能很差，在这个范围内，随着土壤电阻率的增加，冲击接地电阻也 基本上呈线性增加，但增加的速度变得很慢。整个曲线在高电阻率区域呈饱 和趋势。 f i g u r e2 7 t h er e l a t i o no f i m p u l s eg r o u n d i n gi m p e d a n c ea n ds o i lr e s i s t i v i t y 图2 7 各种接地装置的冲击接地电阻与土壤电阻率的关系曲线 当土壤电阻率小于5 0 0 f 2 m 时，土壤电阻率越小，则土壤的导电性能 越好，就越容易将电流流散到土壤中去，同时土壤电阻率越低，土壤电阻率 的增加对接地极周围场强的影响较小，土壤的击穿厚度增加不多，由此冲击 接地电阻随土壤电阻率的增加而线性增加；土壤电阻率在5 0 0 - 3 0 0 0 f 2 r n 的 范围，土壤的导电性能下降，只有通过击穿土壤才能将冲击电流流散出去。 另外根据e = p j ，在相同的电流密度，时，电阻率p 的增加使接地极周 围的电场强度e 增加较多，土壤的击穿厚度也有所增加，使冲击接地电阻受 电阻率的影响减弱，因此土壤电阻率增加，接地电阻的增加速度减弱；当土 壤电阻率大于3 0 0 0 f 2 m 时，土壤的导电性能很差，土壤电阻率增加，使接 西华大学硕士学位论文 地极周围极周围场强增加的幅度变大，即土壤的击穿厚度增加较多，进一步 消弱了电阻率对冲击接地电阻的影响，因此具有饱和趋势。 2 4 。4 接地装置设计时的结构选择 由于输电线路杆塔接地装置的冲击接地电阻不仅与冲击电流幅值、土壤 电阻率及几何尺寸有关外，而且还与接地装置的结构有关。分析有关试验结 果可以得到如下一些有用结果【l 】： ( 1 ) 采用单根水平接地极时，在相同的土壤电阻率和雷电流幅值的情 况下，中点引流比从接地极的一段引流的接地电阻要低。端点引流时的冲击 接地电阻为从中点引流的冲击接地电阻的1 1 5 倍左右。 ( 2 ) 钢筋混凝土杆塔环形接地装置的冲击接地电阻比较大，不宜在电 阻率大于1 0 0 0 q m 的土壤中采用。 ( 3 ) 垂直接地极比水平接地极的降低冲击接地电阻的效果要好，原因 是它能立体地流散冲击电流。在满足技术经济要求的前提下，可以尽量采用 水平接地极和垂直接地极相结合的复合接地装置来降低冲击接地电阻。长度 相同时，垂直接地极的冲击接地电阻比水平接地极的冲击接地电阻减少3 5 左右。 ( 4 ) 如果施工比较困难，建议采用铁塔接地装置和钢筋混凝土杆放射 型接地装置，这两种接地装置从塔基引出四根水平接地极，施工简单，效果 也比较好。 ( 5 ) 接地极存在有效长度，当超过有效长度时，冲击系数有可能大于1 。 在实际工程中接地极的长度不得超过有效长度，否则即使工频接地电阻降下 去了，而线路的防雷效果不佳。 两华大学硕+ 学位论文 3 雷击输电线路杆塔的有关理论计算 3 1 雷电放电的基本特征和参数 3 1 1 雷电放电基本特征简介 众所周知，雷电放电是由带电荷的雷云引起的，雷云是电荷的载体。雷 电就是云团之间，或云团内部，或云团对地的电荷放电现象。在地球上，平 均每天越发生8 0 0 万