（电力系统及其自动化专业论文）基于冲击电流法测量接地阻抗装置的设计.pdf

西华大学硕士学位论文 d e s i g no fa p p a r a t u sf o rm e a s u r i n gg r o u n d i n g i m p e d a n c eb a s e do nt h ei m p u l s ec u r r e n t 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 ：c u i 物t u t o r ：l ij i a n - m i n gd a i y u - s o n g t h em e a s u r e m e n to fg r o u n d i n gr e s i s t a n c ei so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rs t a b l e o p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m ，a n df o rs a f e t yo f e l e c t r o n i ce q u i p m e n ta n dp e r s o n a t p r e s e n t ，m a n ym e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dm e a s u r e m e n ta p p a r a t u sa r eu s e dt o m e a s u r eg 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 y h o w e v e lm a n yt e s t ss h o w t h a tc h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n d i n gd e v i c eu n d e rt h ei m p u l s ec u r r e n ta r en o n l i n e a r t i m e - v a r y i n gw h i c ha r ev e r yd i f f e r e n tf r o mc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h e i n d u s t r i a l f r e q u e n c yc u r r e n t t h eg r o u n d i n gg r i d ，e s p e c i a l l yi nl a r g eg r o u n d i n gg r i d ，t h e i n d u c t i v ec o m p o n e n tc a nn o tb en e g l e c t e d ；i nt h er o l eo ft h ei m p u l s ec u r r e n t c o n t a i n i n gh i g hf r e q u e n c yc o m p o n e n t s ，s u c ha st h el i g h r u i n gc u r r e n t ，t h ei n d u c t a n c e e f f e c ts i g n i f i c a n t l ya n de v e np l a y e dam a j o rr o l e t h e r e f o r e ，t h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m - e n tm e t h o d so fg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo f g r o u n d i n gg r i d sc a nn o tr e f l e c tt h es i t u a t i o n ， w es h o u l df o c u so nt h er e s e a r c ho ft h eg r o u n d i n gi m p e d a n c ei nt h ec o n d i t i o n so f i m p u l s ec u r r e n t b a s e do nt h ea b o v e ，w ep r o p o s et h a ti m p u l s ec u r r e n tw i t hs h a r pw a v eh e a da n d l a r g ea m p l i t u d ea s t h et e s tc u r r e n tt os i m u l a t el i g h t e n i n gc u r r e n ti si n j e c t e di n t o g r o u n d i n gs y s t e m s ，t h e d a t aa c q u i s i t i o nd e v i c ec o l l e c t st h ec u r r e n ta n dv o l t a g e s i g n a l so fg r o u n d i n gs y s t e m sr e s p e c t i v e l y , w h i c ha r et r a n s f o r m e df r o mt i m e d o m a i n t of r e q u e n c y d o m a i n ，t h e ni m p u l s eg r o u n d i n gi m p e d a n c e ，r e s i s t a n c ea n di n d u c t a n c e c o m p o n e n t c a nb ec a l c u l a t e d f i n a l l y , w ec a r r i e do u taf i e l dt e s tm e a s u r e m e n tt og r o u n d i n gg r i di np o w e r i i 西华大学硕士学位论文 p l a n to fp a n g z h i h u as t e e lp l a n tu s i n gi m p u l s eg r o u n d i n gi m p e d a n c em e a s u r e m e n t d e v i c e ，a n dc o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ei m p a c to fc h a r a c t e r i s t i c so f t h e g r o u n d i n gg d d i ti sp r o v e dt h a ti m p u l s eg r o u n d i n gi m p e d a n c em e a s u r e di sr e a la n d e f f e c t i v e ，a n dt h ea p p a r a t u si sa p p l i c a b l et op r a c t i c a le n g i n e e r i n gs u r v e y 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 ；m e a s u r e m e n ta p p a r a t u s ； t i m ed o m a i n - f r e q u e n c yd o m a i n i i i 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：俘雪沙叩年孓月谚日 导师签字：。删年，月z 汐日 西华大学硕士学位论文 授权书 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密d 适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 指导教师签名： 日期： 毋即7 j 4z g t 蓉料云 庀翻j柠r 暂 者 作卵j 敝 位期 西华大学硕士学位论文 、 1 引言 发、变电站及输电线路的接地装置是维护电力系统安全可靠运行、保障电 气设备与运行人员安全的根本保证和重要措施【l 】【2 1 。一个具有低接地电阻的良好 接地装置可以为人身、电气设备和设施提供有效的防护，从而减少由于雷击、 电力系统短路故障等引起的事故。另外，接地系统还为整个电力系统中的二次 系统提供了一个参考电位，这对电力系统的安全正常运行是非常重要的。 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，为此开展这方面的研究工 作。 接地电阻测量的意义 电力系统交流电气装置的接地，按其功能可分为基本的三类：工作接地、防 雷接地和保护接地【3 】。 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点的电压，与通过接地装置流入地中的电流的比值。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；如果流入的电流 为冲击电流，接地电阻为冲击接地电阻。冲击接地电阻是时变暂态电阻，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。接地电阻的大小，反映了接地装置流散电流、稳定 电位能力的高低及保护性能的好坏。接地电阻越小，保护性能就越好。 受技术条件的限制，早期的电力接地系统测量工作只注重其工频特性。近 年来，随着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，短 路故障冲击电流及雷电流所造成的事故所占比例逐渐增大。当冲击电流流入发、 变电站接地装置时，如果地网的接地电阻值比较大，就会造成地网电位异常升 高，导致接地系统本身局部电位差超过安全值【4 】【5 1 。这样，除给运行人员安全带 来威胁外，还很有可能因反击使得二次设备的绝缘遭到破坏，高压窜入控制室， 西华大学硕十学位论文 使监测或控制设备发生误动或拒动而扩大事故。当雷击输电线路杆塔时，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 6 】。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。 接地系统冲击特性的影响因素较多，决定于接地系统结构尺寸、土壤电阻 率、雷电流参数等因素，因此为了准确测量冲击阻抗首先需要对接地装置的冲 击特性进行深入研究。同时，需要一种有效的测量手段对接地装置的电阻及感 性分量进行定量分析，为接地系统的设计提供依据。因此，能够准确地对电力 系统输电线路及发变电站接地系统在冲击电流作用下的接地电阻进行测量，是 接地系统优化设计的重要前提，也是目前电力部门迫切需要解决的实际问题。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 接地电阻测量的国内外研究现状 目前对接地电阻的测量主要有三极法和四极法等。 三极法是一种经常采用的测量接地电阻的方法。实际测量中，以三极法为 基础的远离法和补偿法被广泛应用。由于接地电阻测量环境中存在的各种干扰 因素，如地中杂散电流的干扰、测量引线的相互干扰、空间电磁场的干扰等， 给测量和计算结果带来了误差，降低了测量和计算的准确度。因此，近年来提 出了许多用于消除干扰的测量方法。 ( 1 ) 大电流法 大电流法的基本思想就是通过施加几十安培的测量电流，提高测量电路信 噪比，消除地中杂散电流的影响。布线与电位降法相似，试验电流通过架空线 路注入到远处的电流极( 相邻变电站或者是具有较低阻抗的杆塔) ，通过将三相 架空线路并联可以减小电流的阻抗，注入电流大小应以使地表点位升高超过接 地网残压为宜。 ( 2 ) 异频法 异频测量法使用的是变频电源，地网干扰经过选频滤波被消除。具体测量 方法为：先不加实验信号，利用频谱技术首先测量地网干扰信号频谱，然后控 制实验电源频率，使之输出的实验信号工作在未受干扰或干扰较小的频段上， 两华大学硕+ 学位论文 再采用计算机对采集的数据进行处理，可从测量结果中拾取电流、电压的同相 分量，并计算出地网工频接地电阻值。 最初人们对接地电阻的测量用电压一电流表法，测量精度不够准确。五、六 十年代，前苏联的e 型摇表取代了电压一电流表法，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z 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 1 1 ，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，在线测量也得到了发展。 随着对接地阻抗概念的深入研究，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，不能很好反映冲击电 流作用下的地网呈现的冲击特性及阻抗特性，其测量的结果仍然属于工频接地 阻抗的范畴。 1 2 2目前国内外各种测量方法存在的问题 从以上国内外测量方法与相关测量仪器的介绍中可以看出，常用的测量装 置只是针对直流或工频接地阻抗的测量，不能反映出接地系统的冲击特性。然 而，在实际工程中，接地系统在冲击电流作用下的特性不能忽略，单凭测量出 的工频接地阻抗对接地系统进行评估是不准确的。目前，有关于冲击接地电阻 测量的方法提出，但此方法是通过对平缓的电流信号及其响应电压信号进行变 换得到标准雷电流作用下的冲击接地电阻，没有考虑土壤火花放电的非线性因 素，因此，并不能客观反映接地装置冲击接地电阻的真实情况。 同时，随着电压等级的提高，对输变电系统防雷保护的要求也进一步提高， 地网面积随之增大，此时，地网的感性分量对接地阻抗的影响很大，不能够忽 略。而目前国内外，在进行接地网设计和接地电阻测量时，只是对接地电阻和 西华大学硕士学位论文 接地阻抗的差异进行定性的分析，并没有针对地网电阻和电感分量进行定量计 算。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，目前最好的手段是通过对接地系统冲击特性的试验研究结果进行建模计 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，针对接地装置冲击接地电阻研究的方法有： 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。 用经验公式估算，效率高但误差大。 传统模拟试验方法测量精确，但设备笨重，不适合野外测量。 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，在野外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。 1 3 本文的主要研究内容 综上所述，目前处理接地装置冲击阻抗测量的方法，都有非常复杂的问题 需要解决，这些问题或出自于算法本身的局限，或是由于接地系统具体对象的 特点的限制。 针对发变电站和输电线路杆塔接地装置的现状，以及接地电阻的测量方法， 本文对接地装置的冲击特性进行了深入分析，在大量理论计算和试验的基础上， 做了如下工作： 介绍接地电阻测量的基本原理，分析比较各种常用的接地电阻的测量方 法及测量装置。 介绍接地装置的结构，分析了冲击电流入地的波过程，以及各种接地装 置的冲击特性。 提出利用冲击电流测量接地阻抗的新方法，研制并完善一台小型便携式 冲击接地阻抗测量装置。 两华大学硕士学位论文 进行实地测试，对采集的数据进行分析处理，研究被测接地装置的冲击 特性，并分析优化测量仪器的测量准确度。 提出装置的不足，并加以改进，通过反复试验完善整套测量系统。 西华大学硕士学位论文 2 接地电阻的测量 2 1 接地电阻的相关概念 接地电阻是电流，经接地体流入大地时，接地体的电位y 与，的比值。它与 土壤特性及接地体的几何形状尺寸有关。 如图2 1 所示的半球形接地体，设接地极的半径为r 0 ，由接地极流入大地的 电流为，假设大地为均匀土壤，电阻率为p ，则在离开球心为，处的土壤中， 电流密度，为 - ，：上 ( 2 1 ) 2 1 r r 2 该处的电场强度e 为 肚印= 啬 ( 2 - 2 ) 接地极至，间的电阻r 为 月= 旦i = ：争南2 钟。 = 去 爿1 协3 ， 若，一，则半球形接地极的接地电阻为 r = 生( 2 - 4 ) 2 ，r r o 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 ei nu 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 西华大学硕十学位论文 2 1 1 冲击接地电阻的概念 冲击电流或雷电流流过接地体时，接地体呈现的接地电阻与工频条件下所 呈现的接地电阻不同，其主要原因是冲击电流的幅值可能很大，会引起土壤放 电，而且冲击电流的等值频率又比工频高得多，当冲击电流在接地体中流过时， 就会引起一系列复杂的过渡过程，每一瞬间接地体呈现的有效电阻都可能有所 不同，而且接地体上出现最大电位升高的时刻不一定是电流最大的时刻。理论 上，把接地体上的冲击电压最大值z ，m 与冲击电流幅值之比定义为冲击接地电 阻凡，即 r 。= ( 2 5 ) 由于“。和出现的时刻可能不同，所以氏并无实际的物理意义。但如果知 道接地装置的冲击接地电阻，就可以根据冲击电流的幅值计算出接地装置上可 能出现的最高暂态电位。 冲击接地电阻氐与工频接地电阻r 之比定义为冲击系数，即 口= 篮( 2 6 ) 愿 在工程实践中，大多数情况下，冲击接地电阻值是根据长期工程实践经验 积累的冲击系数，利用上式计算得到的。 在冲击电流作用下，随着流过接地极的电流的增大，电场强度也增大，当 电场强度超过土壤的击穿强度后，这时便开始出现强烈的火花放电过程，使接 地极的散流电阻值降低很多。因此，在电场强度逐渐升高的同时产生明显的火 花放电效应，引起土壤电阻率的下降，是冲击接地电阻降低的主要原因。 应当注意，对于伸长接地极和接地网，在考虑土壤火花放电现象的同时， 必须考虑到电压与电流扩散过程的波动特性。因为在冲击电流作用过程中，接 地极的固有电感将阻止电流由接地极的入口流向远端，于是远端就不能像近端 那样有效地散流电流，这就使冲击系数上升，并且这种效应随着接地极长度的 增加而增加。然而，接地极越长，则离其入端较远处的电压及起到的散流冲击 电流的作用也都越小。 西华大学硕十学位论文 2 1 2 接地阻抗与接地电阻的差异 事实上，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，冲击电流或雷电 流流过接地装置呈现的阻抗为冲击接地阻抗【7 l 。 电力系统发生短路故障时，入地电流为交流电流，决定接地导体上电位升 高的接地参数应为接地阻抗z = r + j m l ，其中r 为直流接地电阻，为z 的感 性分量。在地网面积不大且土壤电阻率p 不是很低的地区，阻抗中的m l 可略， 此时交流z 与r 相同。严格讲，r 与现行的接地网设计标准中所用传统意义上 的接地电阻也有差异。r 是考虑了导体自身电阻后，采用接地网不等电位模型 计算出的r ，而传统意义上的凡是以接地网等电位模型计算的。 表2 1 两种方法测得的数据比较 t a b l e2 l c o m p a r i s o no fd a t ag o t t e nb yt w om e t h o d s 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，与仪器灵敏度的高低没有直接联系【8 】。而 且，用z c - 8 型接地电阻测试仪测量数值比用电压一电流表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2 1 所示。 当z c 一8 测定器以1 2 0 r a d m i n 转动发电机的摇把时，便产生1 1 0 h z 左右的 两华大学硕十学位论文 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 - 8 会出现较大的测量误差，所 以，z c - 8 不适合测量较大的接地系统。 通过文献瞄j 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 常用测量接地电阻的方法 2 2 1电压极和电流极布置情况 ( 1 ) 电压极和电流极成直线布置的情况 以半球形接地电极为例，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 - 2 所示，取半球接地电极g 的半径为口，将电流极c 用 一个半径为的半球取代，电压极p 在g c 连线之间，电流，自g 流入，自c 流出，应用叠加原理可写出在g c 连线中间任一点p 的电位u 为 u = 丝f 三一上1 ( 2 7 ) “ 2 万lxl x f i g u r e2 - 2 g r o u n dp o t e n t i a ld i s t r i b u t i o nc a l c u l a t i o ni nl i n eo f g r o u n d i n ge l e c t r o d ea n dc u r r e n te l e c t r o d e 图2 - 2 接地电极和电流极连线上的地面电位分布计算 由此可知，在g c 连线之间，当x = l - x 时，有屹= o ：当x l - x 时，v x 为负值，其值随石的增大而降低，在p 抵达电流极表面， 即l - x = a c ，可达负的最大值 吃2 篆c 去一丢j 沼 在g c 延长线上，则只有当x 一时，才有v x 一0 。 图2 - 3 ( a ) 给出了g c 连线上各点的地面电位分布图。为便于比较，图2 3 ( 6 ) 还给出了在没有电流极时的地面电位分布，此时相应的接地极电位为 ：要：珉 ( 2 - 1 0 ) 21 0 2 i l2 l 。 ( 力x 在e c 连线上 “l ( 6 ) 不存在电流极 f i g u r e2 - 3g r o u n dp o t e n t i a ld i s t r i b u t i o n 图2 3 地面电位分布 1 0 西华大学硕十学位论文 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 8 和2 1 0 可知，由于零电位面的移近，在同一入地电流j 下，有 电流极存在时接地电极和零位面之间的电位差要比无电流极存在时小，因此在 测量接地电阻时，即使把电压极设置在零位面处，所得的结果也是偏小的【9 1 。 电压极p 在g c 沿线不同位置时所测得的电压值可参照图2 _ 4 给出。此时 接地极g 的电流，使g p 两点间出现的电位差为 k ：竺一竺 ( 2 1 1 ) ” 2 万口2 9 x 而电流极c 的电流，使g p 两点间出现的电位差为 k ：旦一擘 ( 2 1 2 ) 2 础2 万( 一工) f i g u r e2 - 4g r o u n di m p e d a n c em e a s u r e m e n ti n d 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 4 不同电压极位置下的接地电阻测量 则用电压表量出的g p 间的电压将为 y = + k = 篆 j 1 一z 1 + 五1 ) ( 2 - 1 3 ) 由此测得的电阻值r 则为 r = 旦：p ，! 1 1 + 上1 ( 2 1 4 ) 1 2 万l 口x l l 一工 前面已经算得半球形接地电极的实际接地电阻为r = 生，则要使r 符合 西华大学硕十学位论文 r ，必须使 一三一三+ 上= 0 一( 2 1 5 ) 一+ 一= 【2 一1 5 ) xll x 若尽量增大x 、l 和l x ，使之趋向无穷大，即可满足要求，这种方法称 为远离法。但实际上是很难做到的。如取l = 1 0 a ，x = l x = 5 a ，即将电流极 布置在离开接地装置1 0 a 的位置，电位极布置在接地装置和电流极之间的零电位 面上，则r = 0 9 r 0 ，即测量结果比实际值小1 0 ，这在工程上是可以接受的。 实际零电位面是沿被测接地装置与测量用的电流极c 之间连接线方向上电位梯 度接近零的区域。 若令x - - 以，于是有l x = f 1 一a ) l ，代入可解得a = 0 6 1 8 。 系数a 表明，如果电流极不置于无穷远处，则只要将电压极打在x = o 6 1 8 l 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【3 1 。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【1 0 1 。 ( 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 5 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g p 间的电压仍可用式2 1 3 表示，但p c 间的距离为 d = 石2 + r 一2 x l c o s l 9( 2 1 6 ) 将式2 1 6 代入式2 1 3 ，可得 y = 竺f ! 一三一三+ 1 ! 一1 ( 2 1 7 ) 2 n - i a x l x 2 + r 一2 x l c o s 9j 由此可得电压极在各种位置时测得的接地电阻值尺为 露：j 生f 三一三一三+ 7 = ：；：! ：一1 ( 2 1 8 ) 2 万i axl 工2 + r 一2 x l c o s 口 它和实际接地电阻值r 间的比值则为 旦：1 一口f 三+ 三一下一1 ( 2 1 9 ) r ixl x 2 + r 一2 x l c o s 8j 西华大学硕十学位论文 p f i g u r e2 - 5v 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 na n g l ea r r a n g e m e m 图2 5电压极和电流极按一定夹角布置 要使r = r ，必须使 三+ 三一1 兰一：0 ( 2 2 0 ) i i一十一一；= = = = = ；= = = = = =么- x l 工2 + r 一2 x l c o s 8 仍令x = 以，若秒己知，则可解得a 的值。 在实际工程中，常用的方法是把电压极布置在口= 1 ，口= 2 8 9 6 。= 3 0 。的点 上，即电压极和电流极与被测接地极间有相同的距离，其夹角为3 0 。 2 2 2 接地电阻的常用测量方法 ( 1 ) 电压一电流表法 t 1 f i g u r e2 - 6t e s t i n gw i r eo fv o l t a g e - c u r r e n tm e t h o d 图2 - 6 电压电流法试验接线 t 1 隔离器；t 2 调压器：l 一接地网；2 电压极；3 电流极 西华大学硕士学位论文 采用电压一电流表法测量接地网接地电阻的试验接线如图2 - 6 所示。施加电 源后，同时读取电流表和电压表值，则可计算出接地电阻r = u x 。 ( 2 ) 瓦特表法 瓦特表法通过测量电流和功率求得接地电阻 r = 1 1 2 ( 2 2 1 ) 式中，尸接地电阻上的有功损耗，w ； ，输入接地装置的交流电流有效值，a 。 图2 7 为测量原理图。 e f i g u r e2 - 7t e s t i n gw i r eo fw a t tm e t e rm e t h o d 图2 7 瓦特表法的试验接线 1 接地网；2 电压极；3 电流极 瓦特表法的优点是测量原理简单明了、试验操作简单、测量数据少、计算 方便，能消除测量引线间互感的影响，结合倒相法，能有效消除地网中各频率 成分( 包括直流) 的干扰电压。同时，测量电源容量可适当降低，且不受电源 波形或非工频干扰成分的影响。但瓦特表法的缺点也非常明显，一是瓦特表的 内阻凡不能比电压极的接地电阻r p 大许多( 如氐 5 0 辟) ，此时需按下式进 行修正 r ：昙f1 + 生1 ( 2 2 2 ) ，2i 氐 二是外接电流互感器变换后，会带来一定的附加误差；三是瓦特表法测量值是 西华大学硕士学位论文 纯阻性量，对大型地网来说，所测数据将偏小。 ( 3 ) 比率计法 比率计法又称流比计法，其试验接线如图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 度盘由标准电阻进行标定后，测量时可以直接从刻度盘上读出接地电阻值。用 比率计法测接地电阻的仪器有m c - 0 7 、m c 0 8 和l 8 等型号。 t i f i g u r e2 - 8t e s t i n gw i r eo fr a t i om e t e rm e t h o d 图2 8 比率计法的试验接线 1 接地体；2 电压极；3 电流极；m 比率计 ( 4 ) 电位计法 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，使检流计p 指针指零( 或接近零) ：此时& = 厶，接地电 ，r 阻为墨= 争r 。在实际接地电阻测试仪中，取争后= 刀( k 为倍率电阻并联系数， 1 1 上1 n 为电桥倍率) ，于是有 忍= ，l ， 测量时，调节滑线电组，使检流计中的电流为零( 或接近零) ，从刻度盘上 读取电阻值，乘以所选择的倍数刀，即为被测的接地电阻值忍，倍率n 由切换 开关决定。常用的z c 8 、z c 2 9 、j d 1 、l 9 型和e 1 型等接地电阻测试仪，都 属于这类接线。 西华大学硕士学位论文 丁 l 。面屹 l| l | 1 23 f i g u r e2 - 9t e s t i n gw i r eo fe l e c t r i cb r i d g eg r o u n di m p e d a n c et e s td e v i c e 图2 - 9电位计型接地电阻测量仪的原理接线 1 接地体；2 电压极：3 电流极；p 检流计；t - 试验变压器 ( 5 ) 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，我国相关单位也相继开展了异频测量技术 的应用研究。异频法是指利用变频电源，使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，按照电压一电流法在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 无关的纯接地电阻尺。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 下 f i g u r e2 - 1 0 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f m e a s u r e m e n tw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c ym e t h o d 图2 1 0 异频法测量的原理框图 ( 6 ) 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。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，。电势e 与电流，的比值即为被测电阻值。 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。 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。 上面介绍的测量接地电阻的方法，在一定条件下其测试结果是可信的。但 实际情况错综复杂，不可能完全满足精确测量所要求的条件，这就给测量带来 了误差。影响测量的因素很多，如地下地质的分布可能存在横向断面变化，如 出现悬崖、陡坡或陡坎空间等，进行土壤电阻率或接地电阻进行测量时，测量 电极之一可能跨度不同电阻率的地质，使地中电流分布发生畸变。对己经投入 运行的接地网进行现场测量时，可能存在零序电流的干扰，与变电站接地网相 西华大学硕士学位论文 f i g u r e2 - 1 1t 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2 1 1 钳表法测量原理图 连的架空地线对测量时注入地中电流的分流作用，以及测量引线间或他们与架 空线路间存在的互感等都会影响测试结果的准确度【1 1 1 3 1 。 2 3 本章小结 本章对冲击接地电阻及接地阻抗的概念进行了说明，并介绍了目前接地电 阻常用的测量方法。冲击接地阻抗与工频接地阻抗是有区别的，这主要是由于 电感效应和火花效应的共同作用，使接地装置在冲击电流下表现出明显的非线 性时变特性，使得冲击接地阻抗不同于工频接地阻抗；实际工程中，在电压极 和电流极布置方式上，通常采用直线或3 0 。夹角布置。对接地阻抗的各种测量方 法逐一地进行了介绍，分析了它们的使用方法和应用范围。 两华大学硕士学位论文 3 接地装置的暂态特性 接地系统的冲击特性对于电力设备的防雷保护起到了重要作用。雷电流作 用下，连接避雷器和变压器的接地极的电压降可高达变压器基本冲击绝缘水平 ( b i l ) 保护幅度的2 0 。 同样，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， 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【l4 1 。当雷击输电线 路杆塔塔顶时，塔顶电位为 v t 觚呲争 ( 3 - 1 ) 塔顶电位与冲击接地电阻心密切相关。在其它因素一定时，r 。越小，k 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。 3 1 接地装置的基本结构 3 1 1 输电线路杆塔接地装置的基本结构 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，与混凝土基础共同 构成杆塔接地装置。 线路杆塔接地装置的设计，一般遵循以下几个原则： 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。 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。 西华大学硕士学位论文 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。 线路接地装置的结构型式，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【6 】。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0 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 。 3 1 2 发变电站接地装置的基本结构 对于发变电站，单一的接地电极不可能提供一个安全的接地系统。一般情 况下发变电站的接地装置是以外缘闭合、中间敷设若干均压导体为主的水平接 地网，埋深一般为0 6 1 o m ，有时加些垂直接地极。对于防雷接地只需在避雷 针、避雷线及避雷器的附件埋设一组垂直接地体，并将它们与水平接地网相连。 接地网具有如下两方面的优点： 当接地装置中的接地电流最大值可能达到非常大时，通过降低接地电 阻，确保接地装置的地电位升在人体接触时不会达到的危险值，往往是不可能 的。不过，可通过控制局部电位梯度来消除这种危险。因此，接地网是满足这 种要求的最实用的形式。 对任何规模的变电站，采用普通的单根接地电极是根本无法满足所要求 的通流容量。当将若干单根接地电极相互连接，并与各种接地的构筑物、构架 及电路中性点连接在一起时，其结果必然是形成一个接地网，与原来的单根接 地电极完全不同。若这样的接地网埋设在导电性良好的土壤中，就构成一个良 好的接地装置。 经分析表明，在大中型接地网周边埋设2 3 m ，或远小于接地网等值半径的 垂直接地极，对降低整个接地装置的接地电阻的效果不大。所以，除在避雷针 西华大学硕士学位论文 ( 线) 和避雷器附近埋设垂直接地极以散流雷电流，在接地网的周边一般不敷 设垂直接地极。但如果扩散到地中的电流的幅值很高，则很难通过水平接地网 得到很低的接地电阻来满足安全要求。消除人身安全危险只能通过控制整个接 地网区域内的电位来实现。如果接地网所处区域的上层土壤的电阻率远比下层 土壤电阻率高的话，或者接地网处于容易干燥或冰冻的土壤地区，可以在接地 网周边埋设若干垂直接地极，并与水平接地网相连。 3 2 接地装置的冲击特性 冲击电流或雷电流流经接地装置时，需要考虑电压与电流扩散过程的波动 特性。因为在冲击电流作用过程中，接地极故有电感将阻止电流由接地极的入 口向远端流动，于是远端就不能像近端那样有效散流电流，这就使得冲击系数 上升，并且这种效应随着接地极长度的增加而增加。在导电性不良的土壤中， 当冲击电流流过时，对伸长水平接地极而言，其特性主要是由其电容决定，因 为在电阻率大于l o o f 2 i l l 的情况下，接地极的容抗与电导处于同样的数量级。 由于电容决定了此时电流散流过程的波动特性及连续伸长接地极的阻抗值，从 而也就决定了过度过程的持续时间，并在过渡过程后才能稳定。 随着冲击电流幅值的增大，土壤中的电场强度不断增加，靠近接地体的土 壤的电场强度如果超过其临界击穿场强，则会产生火花放电，土壤被击穿。火 花放电使得周围土壤的电阻率大大降低，等效于接地体的尺寸增加，由于施加 在接地体上的冲击电流是时变函数，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，接地体各单元段与其半径紧密相关的电气参数也是时 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巨，则各段的等值半 径可通过下式求得 j i - - e p o = 兰2 万a i l i ( 3 - 2 ) p 式中以为通过第f 段导体流散的电流密度，赳为通过第i 段导体向大地流 散的电流，口i 为第f 段导体放电时的等值半径，正为第i 段导体的长度。 西华大学硕士学位论文 由于冲击电流的等值频率很高，接地体的感性效应非常明显，阻碍冲击电 流向接地体的远端流动。接地体各点的散流极不均匀，各点电位相差很大，越 靠