（电力系统及其自动化专业论文）用冲击电流法测量接地网阻抗系统的设计.pdf

西华大学硕士论文 最后，本文对影响接地网冲击接地阻抗的各种因素进行了初步研究。 关键词：接地网冲击接地阻抗接地阻抗测量频谱分析 i i 西华大学硕士论文 i m p a c t o fc u r r e n tm e a s u r e m e n t b yg r o u n d i n g i m p e d a n c en e t w o r ks y s t e md e s i g n p 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 ：z h a n gz h e n - j u n t u t o r ：d a iy u - s o n g l ij i a n - m i n g g r o u n d i n gt h ep o w e rs y s t e mi s a ni m p o r t a n ti s s u e ，g r o u n dw i l lh a v ead i r e c t b e a r i n go ne l e c t r i c a le q u i p m e n ta n dp e r s o n a ls e c u r i t y t h ea c c u r a c yo fg r o u n d i n g r e s i s t a n c em e a s u r e m e n ti sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ec o r r e c tj u d g e m e n to ft h en e t w o r ko f g r o u n dc o n s t r u c t i o nq u a l i t y ，a n dt h eg r o u n d i n gi nt h eo p e r a t i o no ft h en e t w o r k s o i n c r e a s i n gt h ea c c u r a c yo fg r o u n dr e s i s t a n c em e a s u r e m e n ti sv e r yi m p o r t a n t ， o t h e r w i s ew i l l r e s u l ti naw a s t eo fr e s o u r c e sa n dp e r s o n a lp r o p e r t yl o s s e s i nt h i s p a p e r , ac o m p r e h e n s i v ea c c o u n to fg 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 st ot h eb a s i c p r i n c i p l e s o fa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ev a r i o u s g r o u n d i n gi m p e d a n c e m e a s u r e m e n tm e t h o dc o m m o n l yu s e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s c u r r e n tg r o u n d i n gr e s i s t a n c em e a s u r e m e n tm e t h o di st om e a s u r i n gt h 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 ，b u t ，w ef o u n dt h es u b s t a t i o no fg r o u n d n e t w o r kt h a tf l o w st h r o u g ht h en e t w o r ki st h em o s tc u r r e n tm i n e t h el i g h t n i n g c u r r e n tw a v ei saf i r s tv e r ys t e e p ，a n di t sw e a l t ho fi n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c yp u l s e w a v eu n i p o l a r f r o ma c c e s st og r o u n dn e t w o r k ，h a st ot a k ean o s e d i v et ot h es o i lo f t h ep r o c e s s ，w i t ht h et r a d i t i o n a lm e a s u r eg r o u n dr e s i s t a n c ew h e ni n j e c t e di n t ot h e m e a s u r e m e n ts i g n a lc o m p l e t e l yd i f f e r e n t w i mt h ei m p a c to fc u r r e n tr o l e ，t h eg r o u n d i n go ft h en e te f f e c to fr e s i s t a n c e s t i l le x i s t ，b u tt h ee f f e c tw i l ln o tb ea l l o w e da tt h i st i m ei n d u c t a n c ei g n o r e d ，a n de v e n p 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 lc o n c e p to fg r o u n d i n gr e s i s t a n c ei nt h e i m p a c to f c u r r e n tc i r c u m s t a n c e s ，h a sb e e nu n a b l et oa c c u r a t e l yr e f l e c tt h es i t u a t i o no f g r o u n dn e t w o 咄i nw h i c hw ef o c u s e do nt h ei m p a c to fc u r r e n tc o n d i t i o n su n d e r t h e i i i 西华大学硕士论文 g r o u n dn e t w o r ko fg r o u n di m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt ot h i s ，w ep r o p o s ean e wm e t h o do fm e a s u r i n gt h ee a r t h ，n a m e l y , t h eu s eo fi m p a c tf o rt h ec u r r e n tu s e df o rm e a s u r i n gc u r r e n t ，a n du s eo fs p e c t r u m a n a l y s i s t om e a s u r et h e g r o u n d i n gg r i dc o m p u t i n g b ym e a s u r i n gp a n z h i h u a s u b s t a t i o ng r o u n dn e t w o r ke x p e r i m e n t sp r o v ei t s f e a s i b i l i t y ，p r e c i s i o ne n g i n e e r i n g r e q m r e m e n t sc a i lb ea c h i e y e d ，b e t t e rs t a b i l i t y t h i sm e t h o dc a nr e s i s t a n c ea n dr e a c t o r c o m p o n e n t ss e p a r a t e l y , w h i c ho t h e rm e t h o d st om e a s u r et h ei m p a c tc a nn o tb e m e a s u r e d i m p e d a n c eg r o u n d i n g t h e p r i n c i p l e o f e q u i p m e n t i s s i m p l e ， a n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t ya n dh i 曲a c c u r a c y ，a n df a c i l i t a t et h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：g r o u n dn e t w o r ki m p u l s eg r o u n di m p e d a n c e g r o u n d i n g i m p e d a n c em e a s u r e m e m ，s p e c t r u ma n a l y s i s i v 西华大学硕士论文 声明 本人声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。 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。 汐 r肘月乙 ) h r 氧年矗 吾 p 钐 p 孕饥 稚椿旅装浓摧 字字签签者师作导 西华大学硕士论文 1 绪论 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网的问题而造成重大事故的事例。接地 网接地电阻测量的准确度，关系到正确判断接地网的施工质量，以及对运行中 的接地网是否还需处理等问题。因此，提高接地电阻测量的准确性是很重要的 事情，否则将会造成资源的浪费和人身财产的损失。国内已经发生多起接地装 置故障引起的特大事故，例如：古竹变电站曾因1 1 0 k v 中性点接地引下线机械 损伤及锈蚀严重，雷击造成接地引下线烧断，变压器主绝缘遭受严重破坏需返 厂大修，经济损失近千万元。四川华莹山发电厂因未能及时检测出主变中性点 接地引下线的严重腐蚀，9 4 年在雷电击中线路反击造成系统接地故障时，由于 接地装置隐患继而发生重大接地故障及事故扩大，仅直接设备造成了3 台发电 机损坏、站主变损坏、控制室多面主屏烧毁，经济损失达数千万之巨。 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。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。 1 1 接地的概念 接地就是将电气设备的某些部件、电力系统的某点与大地相连，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。接地功能是通 过接地装置或接地系统来实现的。电力系统的接地装置可以分为两类，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。 简单而言，接地装置就是包括引线在内的埋设在地中的一个或一组金属体 ( 包括金属水平埋设或垂直埋设的接地极、金属构件、金属管道、钢筋混凝土 构筑物基础、金属设备等) ，或有金属导体组成的金属网，其功能是用来泄放故 障电流、雷电或其他冲击电流，稳定电位。而接地系统则是指包括发变电站接 西华大学硕士论文 地装置、电气设备及电缆接地、架空地线及中性线接地、低压及二次系统接地 在内的系统。 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和稳定电位能 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。 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 雷接地和保护接地川。 1 2 接地电阻测量的目的及意义 接地装置接地电阻的测量一般基于如下几个方面的目的【2 】： ( 1 ) 测量接地装置的真实接地电阻，检查新接地网的接地电阻是否达到设 计要求，检查旧接地网的接地电阻是否发生了变化。 ( 2 ) 对计算值进行校核，以检验计算方法的正确性，为新的计算方法或软 件的推广应用提供依据。 ( 3 ) 确定由于电力系统接地故障电流引起的地电位升高及在整个阶段内的 电位变化。 ( 4 ) 确定防雷保护接地装置的合适性。 ( 5 ) 取得建筑物防雷保护，建筑物内设备防雷保护及有关人身安全所必需 的设计数据。 电力系统接地电阻的变化范围很大，从输电线路杆塔接地装置的几欧至几 十欧，到发变电站接地系统的零点几欧。对于大型地网，接地装置的电抗分量 起到很重要的作用n4 j 。 变电站是电力系统的枢纽，一旦发生雷击损坏设备事故，将造成大面积停 电，而且变压器等高压电气设备的内绝缘大都没有白恢复性能，设备被雷击损 坏后，修复起来十分困难，造成长时间停电，造成设备损坏和供电的直接损失， 2 西华大学硕士论文 并严重影响国民经济和人民生活。由于保护设备及措施，才能避免电气设备发 生雷害事故。因此对变电站的地网电阻进行分析和研究，使其防护措施更为可 靠，这将具有深远的意义。 1 3 国内外研究的背景及现状 用于现场测量接地电阻的方法主要有电流电压表法( 即三极法) ，比 率计法，异频法，电桥法等。这几种方法除了所采用的电源形式、仪表类型不 同外，就其测量回路和电极布置而言，归纳起来，都是以“导线大地 为 回路，用补偿法作为电极布置的要求进行测量。各种方法都有其优点，也存在 着不足及局限性，应根据实际的测量目的及测量对象选择适当的测量方法和仪 器。 采用三极法测量接地电阻的方法按采用电源的性质分为直流和交流两种； 按采用测量仪表的类型可分为电压电流表法、电流功率表法、比率计 法和电桥法等 1 l 。 以上的各种方法主要是为测量工频接地电阻而采用的，测得的数值是工频 下的接地电阻。然而，在对各地电厂、站的地网长期的研究发现，地网接收最 多的是雷电流，而雷电流是波头很陡，含频率特别是高频及其丰富的瞬时单脉 冲冲击波，从它进入地网一直到向土壤泄放过程，都是与传统测量中注入的信 号在地网呈现的过程完全不同的。在冲击电流的情况下，地网的电阻作用仍然 是有的，但是此时的电抗分量将不可忽视，甚至是起主要作用的【1 4 1 。所以， 工频接地电阻概念在此情况下意义不大，取而代之的应该着重讨论接地阻抗的 概念。 在吸取了以往的测量方法优点的基础上，将冲击电流发生器作为试验电源 来对地网进行测试，用优化后的算法精确的得出在冲击电流作用下的地网的电 阻和电抗分量，并能测出其他方法不能测出的冲击接地阻抗。经过实验室模拟 试验和现场实验数据的比较分析，证明该方法确有实际工程意义，值得推广。 大电流工频测量法和冲击电流法测量接地电阻都使用三极法布线方式，所 不同的只是试验在电源上，示意图如下。d m 通常为0 5 - 0 6 倍d c o 。 3 西华大学硕士论文 f i g u r e1 1 t h em e a s u r e m e n td i a g r a mo ft e s td 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 1 4 本课题的主要研究目的 针对电力系统接地电阻的测量方法及测量装置的现状，尤其是无法准确 的测量出冲击电流情况下的接地电阻，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。根据项目要求，本文所做的工作如下： l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。 2 研制并完善一台小型便携式接地阻抗测量系统所需的冲击电流发生器。 3 研究出适合工程应用的数学算法，建立数学模型，利用m a t l a b 进行 仿真计算。 4 进行现场测试，对现场采集的数据进行分析处理，研究被测接地体的冲 击特性。找出装置的不足并加以改进，通过反复试验完善整套测量系统。 2 接地电阻相关知识 2 1 接地电阻的定义及其特性 2 1 1 接地电阻的定义 4 西华大学硕士论文 接地电阻为接地体的电位与通过接地体流入地中电流的比值。它与土壤特 性及接地体的几何尺寸有关。接地体的接地电阻也可以通过求解电流场得到。 电流流经接地体向地中散流时所遇到的土壤电阻为散流电阻，通常所说的 接地体电阻包括接地引线的电阻、接地引线与接地装置的接触电阻、接地体本 身的电阻、接地体和土壤间的接触电阻及土壤的散流电阻。因为散流电阻比其 他四种电阻大得多，因此可以近似地认为接地电阻等于土壤的散流电阻。通常 通过求解恒定电流场分析得到的接地装置的电阻为土壤的散流电阻，即一般计 算公式计算得到的接地电阻只是接地装置周围土壤的散流电阻。但实际测量得 到的接地电阻一般比计算结果大，这是因为实际的接地装置与土壤的接触毕竟 不是面接触，而是点接触，二者之间存在一定的接触电阻，特别是在岩石地区， 接触电阻有时是比较大的。接触电阻是一个不定值，它与施工时的压紧程度、土 壤的颗粒状况及潮湿程度有关，但接触电阻在计算公式中是很难反映的【2 】。 如图2 1 1 所示的半球接地体，设接地电极的半径为，b ，由接地电极流入 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 的电位由分析电源电位公式可知： v = 等 ( 2 1 1 ) f i g u r e2 1 1s e m i - s p h e r i c a lg r o u n d i n ge l e c t r o d ei nu n i f o r ms o i l 图2 1 1 均匀土壤中的半球形接地电极 接地体的电位v o 为式( 2 1 1 ) 中，= r 0 时对应的电位值： 5 西华大学硕士论文 = 舞 ( 2 1 2 ) 半球接地体的电位分布如图2 1 1 所示。根据接地电阻的定义，接地电阻为 接地体的电位和流过接地体的电流的比值，因此半球接地体的接地电阻为： r = v o = j l i 2 x r o ( 2 1 3 ) 2 1 2 接地电阻与电容的关系 根据静电场与恒流场的相似性，可以很方便地从静电学中已知的电容公式 得到电容于接地电阻的关系： r = p e c ( 2 1 4 ) 式中为土壤的介电常数，单位f m ；c 为接地体对无穷远处的电容，单位f 。 从式( 2 1 4 ) 可以看出，接地体的接地电阻与它的电容成反比，在电阻率 p 和介电常数一定的情况下，接地体的电容与它的几何尺寸成反比。因此， 接地网的面积愈大，电容就愈大，则接地电阻就愈小。在接地工程中，接地网 的面积确定了，其接地电阻就基本确定了。 一个由很多水平导体构成的接地网可以近似地当作一块孤立的平板，它的 电容主要由它的面积大小来确定。如果在此平板上装有较短的垂直接地体，不 足以改变决定电容大小的几何尺寸，因此对电容的影响不大，而接地电阻减小 亦很小。分析表明，只有当垂直接地体的长度可以和地网的等值半径比拟时， 接地电阻才有较大的减小。 2 1 3 接地体间的屏蔽效应 在实际的接地工程中，一个接地装置往往由多个接地导体组成，当电流通 过其中某个接地导体向地中散流时，将会受到其他接地导体的影响。在接地网 6 西华大学硕士论文 内增加水平导体或尺寸与地网相比较短的垂直接地体对于减小接地电阻的作用 不大，这是由于内部导体被四周导体所屏蔽。严格地讲，只有当各个接地体间 的距离为无限大时，各接地导体产生的电场之间才没有相互作用。由于各接地 体之间的相互作用，接地装置的接地电阻不等于各接地体接地电阻的并联值2 1 。 0 i + i l b i + i 刃卜 、 一 争 谚 曹 图2 1 2 同极性两点源间的屏蔽作用 f i g u r e2 1 2 1 ks h i e l de f 虽i c to fs 锄ep o l 撕t ) ，p o i n t 构成同一接地装置的不同接地导体将流散相同极性的电流。因此可以用如 图2 1 2 所示两相距较近的点源来分析二者之间的相互作用。两相距较近的点源 同时向地中注入电流强度为j 的电流，其电流线将不像单独一个点源作用时那 样，向四周呈辐射状，而是从点源a 流散的电流不从垂直于a b 连线中点的垂 直平面o n 面的右边通过，从点源b 流散的电流不从o n 面的左边通过。垂直 平面o n 就像屏蔽层一样不让电流通过，这种现象称为接地体间的屏蔽效应， 或电流线的排斥作用。由于接地导体间的屏蔽效应，使得每一接地导体的散流 范围都比单独作用时范围减小，对应的接地电阻都比单独作用时接地电阻大。 从图2 1 2 中可以看出，每一点源电流所通过的截面减小，这将导致流散电流时 对应的电阻，即散流电阻增大。 7 西华大学硕士论文 2 2 变电站接接地电阻与接地阻抗 2 2 1 变电站接地装置结构 一般情况下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 0 m ，有时加些垂直接地极，如图2 2 1 所示。 对于防雷接地只需在避雷针、避雷线及避雷器附近埋设一组垂直接地体，并将 它们与水平接地网相连。 图2 2 1 普通接地网的结构 f i g u r e2 2 1 t h ec o m m o ng r o u n d i n gn e t w o r ks t r u c t u r e 2 2 2 对变电站接地系统接地电阻的要求 为了达到电力系统安全稳定运行的目的，就必须使接地装置的接地电阻达 到较低的值，确保短路电流及雷电流的安全散流。对于变电站接地装置，在工 频对地短路时，要保证流过接地网的电流j 在设备上造成的电位升高不致太大， 还应保证变电站人员的跨步电压u s ( 取跨距0 8 m ) 和接触电压以取人手触摸 设备的1 8 m 高处，而人脚离设备的水平距离o 8 m ) 不超过了2 5 0 ( f 为作用时间， 单位为s ) 。从保证安全出发，在中性点有效接地的系统中，要求接地装置的 工频接地电阻r 值应满剧6 】： 8 西华大学硕士论文 i r 2 0 0 0v ( 2 2 1 ) 式中，为入地短路电流。 如果土壤电阻率太高，允许将尺值提高的 r 5q( 2 2 2 ) 在这种情况下必须验证人身和设备的安全。 不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统中发电厂、变电站电气装置保护 接地的接地电阻应符合下面的要求： ( 1 ) 高压与发变电站电力生产用低压电气装置共用的接地装置： 尺1 噘 但不应超过4q 。 ( 2 ) 仅用于高压电气装置的接地电阻： ( 2 2 3 ) r 2 5 ( 2 2 4 ) 接地电阻应考虑到季节的变化，取按季节变化的最大值，不宜超过1 0q ， ，为计算用的接地故障电流( a ) 。 ( 3 ) 采用消弧线圈的接地系统的接地装置的接地电阻按式( 2 2 3 ) 和式 ( 2 2 4 ) 计算，如果为装有消弧线圈的发变电站电气装置的接地装置，计算用 的故障电流等于接在同一接地装置中同一系统各消弧线圈额定电流总和的1 2 5 倍；如果为不装有消弧线圈的发变电站电气装置的接地装置，计算用的故障电 流则取系统中断开最大一台消弧线圈或系统中最长线路被切除时的最大可能残 余电流值。 ( 4 ) 在高土壤电阻率地区如果所要求的接地电阻在技术经济上极不合理 时，接地电阻允许达到3 0q ，但应确保接触电压跨步电压满足要求。 变电站的独立避雷针( 含悬挂避雷线的构架) 的接地电阻在土壤电阻率小 于5 0 0 d - m 的地区不超过1 0q ，在高土壤电阻率地区接地电阻不作规定，但 应满足d l t 6 2 1 中相应的规定嘲。 9 西华大学硕士论文 2 2 3 变电站接地系统接地电阻的计算 在进行变电站接地系统的初步设计时，估计接地系统的接地电阻是确定接 地系统尺寸及基本结构的基础。在均匀土壤中，由水平接地网所确定的接地电 阻厅的最小值可以按下式进行近似估计： r = 百pv 写n ( 2 2 5 ) 式中土壤电阻率为p ，单位q 聊；a 为接地系统面积，单位为m 2 。 接地系统面积是影响接地系统总体接地电阻最有效的参数。增加接地网导 体等措施降低接地电阻的效果远没有增大接地网面积的效果大。变电站接地系 统面积取决于变电站的布置，由围栏或建筑物的周边长确定。虽然有些地区将 接地网布置为标准矩形形状是很困难的，但是简单的设计程序要求方形或矩形 的场地。在变电站场地的草图上，确定符合被选择区域的最大矩形。这代表地 网外围四个导体，可以保守地确定计算中使用的地网面积。 式( 2 2 5 ) 是将整个水平接地网看成是一块金属板的接地电阻，如果考虑 到地网的实际结构，则接地电阻可以按下式计算： 肚0 5 ( 2 2 6 ) 或者 r 筹署+ 寺 ( 2 2 7 ) 式中三7 为接地导体的总长度。 上式为由水平地网确定的变电站接地电阻的上限值。如果有垂直接地体与 水平地网相连时，将垂直接地体的长度也考虑在三r 中时，得到的结果略为保守。 因为一般来说，单位长度的垂直接地体比单位长度的水平接地体降低接地电阻 更有效。 也可以采用下式来考虑水平接地网的埋深对接地电阻的影响【7 】： 1 0 西华大学硕士论文 尺= p 专+ 而1 ( 1 + l + h 1 2 厩a ) ( 2 2 8 ) 式中h 为水平接地网的埋深。 2 2 4 变电站的接地阻抗 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。 通常情况下，由于接地网感性分量占接地阻抗总量比较小，一般也将接地 阻抗称为接地电阻。但如果接地网面积很大、土壤电阻率较低时，接地阻抗中 的感性分量已大到不可忽视。影响接地阻抗感性分量成分的主要因素有接地网 规模、土壤电阻率大小、电流注入点位置、接地网网格密度、垂直接地极等【1 4 1 。 接地阻抗的感性分量一般以阻抗角来表示。改变影响接地阻抗的各种因素 进行模拟计算，了解这些因素对接地阻抗角的影响程度。文献2 中分析采用的 接地网为正方形，接地网导体间距为1 0 m 。接地网埋深l m ，导体直径0 0 1 m 。 分析得到土壤电阻率对不同边长方形的接地网的阻抗角的影响如图2 2 2 所示 拉j 。可以看出，土壤电阻率小于1 0 0 q - m 时，接地阻抗基本上随土壤电阻率线 性增加，而当电阻率大于1 0 0 q m 时，接地阻抗增加很快，随土壤电阻率的增 加而非线性增加。阻抗角与土壤电阻率也成非线性关系，当土壤电阻率大于 1 0 0 q 聊时，如果接地网的边长小于2 0 0 m ，阻抗角小于5 。，可以不考虑感抗 的影响。而当土壤电阻率大于2 0 0 q - m 时，接地网的边长小于4 0 0 m ，阻抗角 小于5 0 。 西华大学硕士论文 3 0 p2 0 、 鼹 翼 1 0 0 2 05 01 0 02 0 0 5 0 01 0 0 0 土壤电陬辜( n m ) f i g u r e2 2 2t h es o i lr e s i s t i v i t ye f f e c tt oi m p e d a n c ea n g l e 图2 2 2 土壤电阻率对接地网接地阻抗的相角的影响 图2 2 3 所示为接地网面积对接地阻抗相角的影响，文献2 中指出，当接地 网的边长小于1 0 0 m 时，接地阻抗减小很快，随土壤电阻率的增加而非线性减 小。而当接地网的边长大于1 0 0 m 时，接地阻抗基本上随土壤电阻率线性减小。 1 2 西华大学硕士论文 一2 0 口 、_ ， 橛 罂 1 0 o l o5 01 0 02 4 0 0 5 0 0 地网边长m f i g u r e2 2 3 t h ee f f e c to f g r o u n d i n gs i z et oi m p e d a n c ea n g l eu n d e rd i f f e r e n t s o i lr e s i s t i v i t y 图2 2 3 不同土壤电阻率时地网大小对接地阻抗相角的影响 阻抗角与土壤电阻率也成非线性关系，当土壤电阻率大于5 0 0 f 2 0 m 时，即 使接地网的边长为5 0 0 q o m ，阻抗角也小于5 。，可以不考虑感抗的影响。而 当接地网的边长小于1 0 0 m ，不同土壤情况下( 即使土壤电阻率2 0 g 2 0 m ) ，阻 抗角都小于5 。 另外电流注入点也对接地阻抗有影响。典型的电流注入点包括： ( 1 )中心注入：注入点在方形接地网正中。 ( 2 ) 边上注入：注入点在方形接地网一边的中点。 ( 3 ) 角上注入：注入点在方形接地网的一个角上。 分析计算结果列在表2 2 1 2 2 3 中 2 1 。从表中可以看出，当接地网的边长 小于4 0 0 m 时，注入点的改变对接地阻抗大小影响不大，当接地网的边长达到 西华大学硕士论文 4 0 0 m 时，从边上注入与从角上注入电流时的接地阻抗基本相同，但二者与从地 网中心注入的接地阻抗有较大的差别。从中心注入电流时的接地阻抗小，原因 是它可以从4 个方向经地网散流。电流注入点在边上和角上时阻抗角差别不大。 而注入点在中心时的阻抗角比从边上或角上注入电流的要小。 表2 2 1土壤电阻率5 0 q m 时的数据 t a b l e2 2 1t h ed a t au n d e r5 0q ms o i lr e s i s t i v i t y 电流在中心注入 电流在边上注入电流在角上注入 接地网边长接地阻抗q 阻抗角。接地阻抗q 阻抗角。接地阻抗q 阻抗角。 1 0 m 5 0 m 1 0 0 m 2 0 0 m 4 0 0 m 6 0 0 m 1 9 2 4 0 0 4 4 4 7 0 2 3 1 6 0 1 2 2 8 0 0 7 3 3 0 0 6 4 5 0 0 1 9 8 0 3 8 4 1 1 4 5 2 5 4 1 6 1 8 0 0 3 0 5 2 1 9 2 4 0 0 4 4 5 4 0 2 3 3 0 0 1 2 6 1 0 0 8 3 2 0 0 8 2 2 0 0 2 9 3 0 5 9 3 3 2 2 4 9 8 2 4 9 2 4 9 9 3 7 5 5 表2 2 2土壤电阻率1 0 0 q m 时的数据 1 9 2 4 0 0 4 4 5 5 0 2 3 3 2 o 1 2 6 7 0 0 8 4 8 0 0 8 5 2 0 0 3 1 0 0 6 2 8 3 2 3 8 1 8 7 1 4 2 6 1 3 3 8 8 7 t a b l e2 2 2t h ed a t au n d e rlo of f 2 ms o i lr e s i s t i v i t y 电流在中心注入电流在边上注入 电流在角上注入 接地网边长接地阻抗q 阻抗角。接地阻抗q 阻抗角。接地阻抗q阻抗角。 1 0 m 5 0 m 1 0 0 m 2 0 0 m 4 0 0 m 6 0 0 m 3 8 4 7 0 8 8 8 2 0 4 6 0 8 0 2 4 0 3 0 1 3 1 9 0 1 0 1 8 0 0 1 0 2 0 1 9 8 0 0 7 5 2 2 8 5 7 l o 3 3 2 0 0 1 3 8 4 7 0 8 8 8 8 0 4 6 2 1 0 2 4 3 3 0 1 4 0 1 0 1 1 7 6 1 4 0 0 1 5 1 0 3 0 2 6 1 1 5 5 4 4 1 7 1 5 0 8 2 7 3 8 3 8 4 7 0 8 8 9 0 0 4 6 2 3 0 2 4 3 7 0 1 4 1 5 o 1 2 0 2 0 0 1 5 9 0 3 2 4 0 1 2 3 7 4 6 7 4 1 6 0 8 2 8 5 7 西华大学硕士论文 表2 2 3土壤电阻率1 0 0 0 q m 时的数据 t a b l e2 2 3t h ed a t au n d e r10 0 0 【) ms o i lr e s i s t i v i t y 电流在中心注入电流在边上注入电流在角上注入 接地网边长接地阻抗q 阻抗角。接地阻抗q 阻抗角。接地阻抗q阻抗角。 1 0 m 5 0 m 1 0 0 m 2 0 0 m 4 0 0 m 6 0 0 m 文献2 中指出当阻抗角为1 8 。时，接地电阻占接地阻抗的总比例小于9 5 ，此时接地电抗就不可忽略，即不能认为接地阻抗值只含有阻性分量。如果 以此为标准的话，在接地阻抗测量时考虑感性分量应遵循以下原则： 当方形地网边长小于4 0 0 m ，对于各种土壤条件均可不考虑接地阻抗的感性 分量。 当方形地网边长大于4 0 0 m ，对于土壤电阻率小于1 0 0 q m 的土壤，一般 应考虑接地阻抗的感性分量。 2 3 接地网的冲击特性 由于冲击电流的等值频率比工频电流高得多，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点的分布极不均匀，网格上各点的电位 分布相差很大。接地装置在雷电冲击下的性能决定接地装置所提供的保护水平。 接地网的冲击阻抗依赖于网格的形状、尺寸、电极间距、电流注入点、波形、 幅值，以及土壤特性【2 】。 1 接地网面积对冲击特性的影响 此处所选用的接地网示意图如图2 3 1 所示。地网面积从5 5 m 2 到4 0 x 4 0 i n 2 不等，地网中导体间距均为5 m ，即接地网中子网格大小不变。 7 6 8 2 1 5 6 0 7 2 0 3 3 3 4 6 o 0 1 5 o 4 o o 0 0 2 4o 厶 3 9 3 2 o 7 7 8 6 2 4 4 8 5 3 2 8 8 8 4 2 l o 口u6 6 1 3 l 3 9 o 2 5 o 3 2 o 3 1 o 1 5 9 2 o o o 0 l 4 7 3 9 3 1 8 7 7 8 6 2 3 4 8 5 3 2 8 8 8 4 2 1 0 31 7 8 8 1 1 2 9 6 0 o 2 8 l 3 l o 0 o 3 2 7 0 o 0 0 1 28 2 8 0 6 9 7 7 8 6 1 2 4 8 5 3 2 8 8 8 4 2 1 o q u 西华大学硕士论文 糟= l 口 5 m a ) r r - - 4 m 由 1 0 m f = 1 6 ( b )( c ) f i g u r e2 3 1 t h ed i f f e r e n ta r e ao f g r o u n d i n g 图2 3 1 不同面积接地网示意图 船= 6 4 4 0 m ( d ) 图2 3 2 所示为冲击电流波形( 波前时间和幅值) 和土壤电阻率一定时，冲 击接地电阻与接地网面积的关系曲线。图2 3 2 中横坐标为接地网的等效半径， 即与接地网面积相同的圆形地网的半径，此处用厂表示。电流注入点在接地网 的边角。结果显示，随着地网尺寸的增加，冲击阻抗减小，直到达到某个面积。 超过这一面积后，再增加网格面积并不会引起冲击接地电阻抗的明显变化。也 就是说，与水平接地体存在有效长度一样，接地网格存在一有效面积( 或有效 半径r e ) 。 1 6 西华大学硕士论文 g 厂m f i g u r e2 3 2 i m p u l s er e s i s t a n c ef o l l o w e dg r o u n d i n ga t c a 图2 3 2 冲击接地电阻随地网面积的变化 雷电流作用下的冲击接地阻抗随地网面积的变化与工频下不同。在工频时， 接地网尺寸对接地电阻值有着巨大的影响，地网的接地电阻随地网面积的增加 迅速下降，如图2 3 3 所剥2 1 。 a 、 g f i g u r e 西华大学硕士论文 2 3 3i n d u s t r i a lf r e q u e n c yr e s i s t a n c ef o l l o w e dg r o u n d i n ga r e a 图2 3 3 工频时接地电阻随接地网面积的变化 2 接地网水平导体间距对冲击特性的影响 接地网面积一定时，改变水平导体间距( 即改变子网格数目) 也将对地网 的冲击阻抗产生交大影响。以4 0 m 4 0 m 的接地网为例，n 为接地网中子网格 的个数，d 为水平导体间距，例如n = 1 时d = 4 0 m ，n = 2 时d = 2 0 m 如图2 3 4 所示。 n - - - - 4 徊 ，；1 6 绀 一= 6 4 ( f i g u r e2 3 4 1 1 1 ed i f f e r e n tc o n d u c t o rd i s t a n c eu n d e rs a m ea r e a 图2 3 4 面积一定导体间距不同的接地网示意图 通常情况下，在低频时接地网的地电位升决定于接地网格的面积，而与接地 网水平导体间距没有太大关系。 从图2 3 5 可以看出，在高频下接地网同样具有这一特征，但前提是接地网 导体间距要大于2 0 m ，此时接地网水平导体间距的变化对接地网的冲击阻抗没 有什么影响。当接地网导体间距小于2 0 m 并逐渐减小时，接地网的冲击阻抗将 急剧减小，这是因为在接地网的有效面积内的导体间距将对接地网的冲击阻抗 产生很大影响。这不难理解，接地网有效面积内的导体数目越多，所能利用的 土壤面积就越大，对雷电流的流散相对就越容易。 1 8 西华大学硕士论文 a 、 d ，m 图2 - 3 5水平导体间距d 与冲击阻抗的关系 f i g u r e2 3 5t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl e v e lc o n d u c t o rs p a c i n gda n di m p e d a n c e 通常在对发变电站接地系统进行设计时，为了降低工频接地电阻，往往采 取扩大接地网面积的做法，理论上以及工程实际已经证明这是一种非常有效的 措施。然而，若考虑降低接地装置的冲击电阻、减小雷击时所产生的电磁干扰， 单纯扩大接地网的面积很难取得良好的效果，相对来说，增加雷电注入点附近 接地网导体根数则更为有效。由此，采用导体不均匀分布的接地网格是一个很 好的选择，如图2 3 6 所示【2 】，或者在雷电流入地点附近增设几根垂直接地极也 将明显改善接地系统的防雷性能。 1 9 西华大学硕士论文 f i g u r e2 3 6 t h ed i f f e re q u a l i t yc o n d u c t o rg r o u n d i n g 图2 3 6 导体不均匀分布的接地网 3 电流注入点位置对冲击特性的影响 接地网的交流接地电阻基本不受电流注入点的影响，因为在低频下，可以 忽略接地导体的电感，而认为整个接地网各处导体是等电位的。而在冲击电流 作用下，由于频率很高，电感作用变得非常明显，接地网各处导体不再是等电 位，冲击电流注入点的位置将对地网的冲击相应产生很大影响。 接地网在边角注入时的等值电感大于从网格中心注入时的等值电感，参与 散流的接地导体要比从网格中心注入时参与散流的接地导体少得多，因此，边 角注入时的有效面积小于从网格中心注入时的有效面积。对于面积为2 0 m 2 0 m 、导体间距为5 m 的接地网，如图2 3 7 所示，从中心注入时接地网的冲击 接地阻抗远远低于边角注入时的冲击接地阻抗。 2 0 西华大学硕士论文 c ： 、 砭 f i g u r e2 3 7 t h ec u r r e n ti n j e c tp o i n te f f e c tt oi m p u l s ei m p e d a n c e 图2 3 7电流注入点对冲击接地阻抗的影响 从图2 3 7 可明显看出，雷电流注入点的位置对接地网的冲击特性有非常大 的影响。对于同样的接地网，在相同的土壤电阻率和冲击电流情况下，从接地 网格中间引流的冲击接地阻抗比从接地网边角引流要低的多，尤其是接地网面 积比较大时。这是由于从接地网边角引流时，其感抗较大，将明显阻碍电流向 远端流动，使得接地导体利用不充分，导致冲击接地阻抗升高。而当接地网面 积比较小时，由于感抗