（电力系统及其自动化专业论文）冲击接地计算及冲击接地电阻测量研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 7 , c o i l i h j lp|?iie ei i i y 18 8 4 7 8 0 。 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：弩哟 指导教师签名： 日期：加1 f ； 日期：一夕，j 、2 夕 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，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：3 歹9 戈现 指导教师签名： 日期：l 口ff 譬 日期：j 夕i ，f ，z 聿 西华大学硕士学位论文 摘要 正确了解冲击电流作用下接地装置的冲击特性是电力系统雷电防护的基础。针对目 前输电线路冲击接地计算存在的问题，以及冲击接地测量的局限性，本文对接地装置的 冲击特性进行了大量的仿真计算，同时对冲击接地的测量做了较深入的现场试验研究和 数据分析。 首先，针对冲击电流作用下，火花放电效应对输电线路杆塔伸长接地体半径的影响， 本文提出了一种非线性分布参数的数学模型。该模型能够模拟出冲击电流作用下土壤的 非线性击穿特性。 然后，本文提出了一种冲击响应的算法一差分方法，应用该方法计算了考虑火花放 电非线性分布参数模型在每一时刻各点的电气参数的数值解。同时，本文将提出的方法 应用于冲击接地特性的研究中，得出输电线路杆塔伸长接地体在冲击电流作用下等值半 径的变化情况。 最后，本文提出了一种新的测量冲击接地电阻的方法一冲击电流法，应用该方法对 输电线路杆塔及接地网进行了实地测量试验。对测量数据进行分析研究，有助于冲击接 地测量全程工作的标准化建立。 关键词：冲击电流；冲击接地电阻；火花放电效应；差分方法 冲击接地计算及冲击接地电阻测量研究 a b s t r a c t u n d e rap r o p e ru n d e r s t a n d i n go ft h ei m p u l s ec 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 e si st h e b a s i sf o rp o w e rs y s t e ml i g h t n i n gp r o t e c t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sf o rt h ei m p u l s e g r o u n d i n gc a l c u l a t i o n o ft r a n s m i s s i o nl i n e s ，a n dt h el i m i t a t i o n so fi m p u l s eg r o u n d i n g m e a s u r e m e n t s ，i nt h i sp a p e r , al o to fs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nh a db e e nu s e di nt h er e s e a r c ho f i m p u l s ec 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 e s ，a n df u r t t e rf i e l dt e s ta n dd a t aa n a l y s i si nt h e m e a s u r m e n t so fi m p u l s eg r o u n d i n g a tf i r s t ，u n d e rt h ea c t i o no fi m p u l s ec u r r e n t ，t h es p a r kd i s c h a r g ee f f e c to nt h er a d i u so f t r a n s m i s s i o nl i n e st o w e re x t e n d e dg r o u n d i n g ，an o n l i n e a rd i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm a t h e m a t i c a l m o d e lw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h i sm o d e lc o u l ds i m u l a t et h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so f s o i lb r e a k d o w nu n d e rt h ea c t i o no fi m p u l s ec u r r e n t t h e n ，aa l g o r i t h mo ft h et r a n s i e n tr e s p o n s e d i f f e r e n c em e t h o dw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a p p l y i n gt h i sa l g o r i t h mt ot h en o n l i n e a rd i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h e n u m e r i c a ls o l u t i o no fe a c ht i m et h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r so ft h ep o i n t sh a sb e e no b t a i n e d o t h e r w i s e t h em e t h o d sd i s c u s s e di nt h i s p a p e rw e r ea p p l i e dt oa n a l y z et h ei m p u l s e c h a r a c t e r i s t i c s d r a w nc o n c l u s i o n sa b o u tt h ee q u i v a l e n tr a d i u s sc h a n g e so f t r a n s m i s s i o nl i n e s t o w e ru n d e rt h ei m p u l s ec u r r e n t a tl a s t , 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 dr e s i s t a n c e t h i s m e t h o dh a su s e di nt r a n s m i s s i o nl i n et o w e ra n dg r o u n dn e t w o r kf o r t h ef i e l dm e a s u r e m e n tt e s t al o to fd a t ah a sb e e no b t a i n e d ，h e l p e dt oe s t a b l i s h i n gt h es t a n d a r d i z a t i o ni nt h em e a s u r e m e n t o fi m p u l s eg r o u n d i n g k e yw o r d s ：i m p u l s ec u r r e n t ；i m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c e ；s p a r kd i s c h a r g ee f f e c t ； d i f f e r e n c em e t h o d 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t l 绪 沧l 1 1 接地系统冲击接地电阻研究的意义1 1 2 国内外的研究现状及存在的问题2 1 2 1 接地系统暂态仿真算法的国内外研究现状2 1 2 2 接地阻抗测量方法的国内外研究现状4 1 2 3 方法比较与存在的问题6 1 3 本文的主要研究内容一7 2 接地及接地电阻相关知识8 2 1 接地的概念8 2 2 接地的种类8 2 3 接地电阻的定义一9 2 4 工频接地电阻和冲击接地电阻：1 3 2 5 接地的相关参数1 4 2 6 接地电阻的测量方法- 1 7 2 6 10 6 1 8 法则1 9 2 6 2 电位辅助极的配置之一2 l 2 6 3 电位辅助电极的配置之二2 2 3 输电线路杆塔伸长接地体的冲击接地计算一2 6 3 1 土壤的击穿机理2 6 3 2 数学模型建立2 7 3 3 数值计算模型建立31 3 4 输电线路杆塔伸长接地体接地冲击特性研究：3 4 3 4 1 冲击电流作用下接地体等值半径的变化3 4 4 冲击接地电阻的测量3 6 4 1 冲击电流法基本原理3 7 4 2 德阳+ 5 0 0 k v 换流站接地网实地测量与数据分析一3 9 4 3 杆塔冲击接地阻抗实地测量与数据分析4 4 冲击接地计算及冲击接地电阻测量研究 结j 沦5 8 参考文献6 0 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况。6 3 致谢6 4 i v 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 接地系统冲击接地电阻研究的意义 输电线路及发、变电站的接地是维护电力系统安全可靠运行、保障电气设备与运行 人员安全的根本保障和重要措施【l l l 2 1 。一个接地装置如果具有较低的接地电阻值，就能 够为电气设备和运行人员的安全提供有效的保障，从而避免由雷击或短路故障引起的事 故。另一方面，接地还为整个电力系统中的二次系统提供了一个参考电位，这也对电力 系统的安全运行至关重要。 由于技术和科研条件的原因，国内早期对电力接地系统的计算和测量都比较注重其 工频特性。但是近年来，电力系统的稳定性逐步提高，人为因素造成的系统故障正在逐 步地减少，而雷击所造成的故障比例正在逐步地增大。当雷击于输电线路或发、变电站 时，此时接地装置呈现出的接地电阻称为冲击接地电阻，由于火花效应和电感效应，冲 击接地电阻值与工频接地电阻值差别很大。如果接地装置的冲击接地电阻值比较大，就 会造成接地装置周围区域的电位异常升高，导致接地系统本身的局部电位差超过安全值 1 3 】1 4 】。这样，除了给运行人员的安全带来威胁外，还可能对系统二次设备形成反击，绝 缘遭到破坏，高压串入控制室，使控制或监测设备发生误动或拒动进一步扩大事故。可 见，正确地了解接地装置在雷电流作用下的冲击特性对电力系统雷电防护至关重要。 从物理过程上看，防雷接地与工作接地( 以及保护接地) 的明显区别是：雷电流的 幅值很大，而且雷电流的高频分量很丰富【5 】。所以，对于同一个接地装置，一方面，由 于雷电流的幅值很大，会使土壤发生局部火花放电，使得土壤的电导增大，而电阻率下 降，这一现象称为火花效应。另一方面，必须考虑到电压与电流扩散过程的波动特性。 因为雷电流的高频分量很丰富，使接地体自身呈现出的电感特性会阻碍雷电流向接地体 远端流通，使得接地体得不到充分利用，这一现象称为电感效应。 ， 如：筝 因此定义冲击接地电阻为o m ( 即冲击电压的最大值与冲击电流的最大值之 比) ，但是在此表达式中，接地体上最大电压u m 出现的时刻，不一定是最大电流1 m 出现 的时刻( 因为电感作用，u 帆出现在。m 之前) ，所以的表达式没有实际的物理意义， 但可以从已知的接地装置的冲击接地电阻值1 和某一雷电流幅值1 m ，得知接地装置上 可能出现的最大电压值u 一，这是防雷设计所关心的问题。 冲击接地计算及冲击接地电阻测量研究 1 2 国内外的研究现状及存在的问题 1 2 1 接地系统暂态仿真算法的国内外研究现状 目前国内外对接地系统暂态仿真算法的研究主要有以下四种方法：电路分析法、电 磁场分析法、场路结合分析法和传输线模型法。 1 电路分析法 ” 电路分析法的主要思想是用集中参数r - l c - g 组成的7 型等值电路来模拟计算接地 体在冲击电流作用下的暂态特性，与其他方法相比，它的优点是较为直观，对计算机资 源的消耗较小，计算结果较为准确，是一种直接、有效的方法【6 j 。 首先提出这种研究方法的是印度学者g u p t a 和t h a p a r 。他们在二十世纪七十年代末八 十年代初的研究工作中把这种方法用在了方形接地网格的计算中，总结出了冲击电流注 入点分别在网格中心和边角时的冲击阻抗的经验公式。但他们忽略了等值电路中串联电 阻和对地电容的影响，并且没有考虑到导体问的耦合作用以及土壤的非线性因素f 7 1 。 在文献【8 9 】中作者把接地网的物理模型用集中参数的电路模型来代替，将组成接 地网的导体分成了很多小段，用一个有自阻抗和对地导纳的7 型等值电路来模拟每一个 小段，再把地网中节点处的电压设为未知数，利用节点电压法进行求解。这种模型与文 献【7 】相比，考虑到了等值电路中串联电阻和对地电容的影响，但仍然没有考虑到导体间 的耦合作用以及土壤的非线性因素。 九十年代，研究学者把目光投向于土壤的火花放电效应，在l i e w 模型的基础上，g e r i 等人比较详细地研究了冲击电流作用下接地体的非线性特性，把土壤的非线性特性加入 到了简单接地体的计算模型中，他把接地体周围土壤的火花放电看作是均匀的，假设火 花放电区域是圆柱形，这样忽略了接地导体各微段泄露电流密度的不同以及各微段导体 周围土壤火花放电程度的不同，而且该模型还没有考虑到接地体的接地电感和对地电容 1 1 0 。 j o 另一些学者导入了波过程情况下，导体动态电感的概念，并以此建立了非线性差分 电路模型，计算了伸长接地体的冲击接地电阻【1 l 】。 文献【1 2 】建立了基于分布的、时变电路参数的等效电路模型，考虑到了火花放电区 域半径的时变性以及导体间互感的影响。 在此基础上，一些学者借助电网络理论中的节点电压法，考虑了非线性火花放电效 应和导体间互感的影响【l 引。 另一些学者不仅考虑到了土壤的火花放电效应，还把接地体的自阻抗因素加入到了 计算模型中，根据基尔霍夫电压电流定律，利用迭代法求出了各点的电压和电流【1 4 】【1 5 】。 在目前所有考虑到土壤介质的时变特性模型中，这种模型是计算最准确的。但是它为了 提高计算效率，并没有考虑接地体各微段之间互感因素的影响。 2 西华大学硕士学位论文 2 电磁场分析法 。 电磁场分析法是以天线理论为基础，主要是通过对接地体表面列写m a x w e l l 方程， 求出广义阻抗矩阵，并考虑地网导体之间所有的电磁耦合关系，利用电磁场求解的常用 方法有边界元法、矩阵法和有限元法【1 6 1 。 ， 近年来电磁场分析法在计算分析接地体在冲击电流作用下的暂态特性中得到了广 泛的研究。g r c e v 禾l j 用这种方法计算并分析了任意接地体在所有频率下的性能1 1 7 】【1 8 】。他 以麦克斯韦方程式的电磁场理论为基础，运用了数值积分、s o m m e r f e l d 积分、瞬时方法 和f f t 方法等建立了简单的计算模型，首先计算出接地体在频域中的响应，然后利用傅 里叶反变换法将其转化得到时域响应。并且全面研究了冲击电流波形、土壤电阻率、接 地网尺寸、冲击电流注入点位置和接地导体间距等参数对接地网暂态性能的影响。 加拿大学者d a w a l i b i 利用电磁场分析法开发了大型接地安全设计软件包【1 9 1 。该软件 包不仅可以计算冲击电流作用下接地装置的暂态响应，而且可以得到冲击电流作用下输 电线路杆塔以及发、变电站周围区域的电磁场分布情况，从而可以分析这些电磁场分布 对附近电力设备或电子设备的电磁干扰。这种方法也会大量地用到傅里叶变换和傅里叶 反变换。首先将冲击电流进行傅里叶分解，得到接地体在每个正弦电流作用下的频域响 应，再利用傅里叶反变换法将其转化得到时域响应。 电磁场分析法的优点是精度较高，但是由于使用到的算法均为频域算法，需要根据 大量的采样频率计算系统的频域响应，然后再利用傅里叶反变换或卷积定理得到系统的 时域响应。这样由于对每个频率采样点计算时均需求解高阶线性复代数方程组，使得计 算量很大。此外与电路分析法相比，电磁场分析法的最大缺陷是没有考虑到在冲击电流 作用下接地体周围土壤介质的非线性影响。 在此基础上，n e k h o u l 等学者应用了有限元法对接地体在冲击电流作用下的暂态特 性进行了研究1 2 0 1 。他们的研究中考虑到了土壤电击穿的影响，把接地体周围土壤的火花 放电看作是均匀的，假设火花放电区域是圆柱形的。有限元法的另一优点是可以考虑土 壤的分层现象，但其缺陷是在计算时土壤与接地体分界处的电阻率的显著变化会产生病 态矩阵，引起较大的误差。 3 场路结合分析法 场路结合分析法是在计算模型中同时加入集中参数电路和分布参数电路的一种方 法，它的基本思想是用电路分析法建立方程，再用电磁场分析法求解参数。 国外学者首先提出了利用场路结合分析法来研究电力系统接地网的暂态特性 ( 2 l l 【2 2 1 f 2 3 1 。近年来国内的学者使用该方法也取得了很多的研究成果，运用该方法分析研 究了工频短路以及冲击电流作用下接地网的响应，证明了该方法对实际工程的意义 2 4 - 2 7 1 。文献 2 4 1 的计算模型是以导体段的漏电流为未知量，但它忽略了导体间的互感影 响。文献 2 5 】以导体段的轴向电流为未知量，并且加入了导体间的互感影响。文献 2 6 】 3 冲击接地计算及冲击接地电阻测量研究 以接地网导体上的离散点的电压为未知量，利用电路分析法中的节点电压法和电磁场分 析法中的电磁场导电媒质中导体间的互阻关系求解方程。文献 2 7 1 在此基础上，不仅考 虑到了导体间的互阻，还考虑到了导体的自感以及互感影响。 ， 4 传输线模型法 传输线模型法是以传输线理论为基础，其基本思想是把被研究问题的数学模型通过 对偶原理建立相应的传输线模型，并与实际问题中的物理量存在一一对应的关系，然后 对该模型在时域中进行计算，以此来把分析波、场的问题转化为分析电路的问题【2 引。 二十世纪八十年代，m e l i o p o i l o sap 、m o h a r a mm g 、m a z z e t t i ec 以及v e c agm 等 冲 只 的 比 意 量 网 分 适 杆 杆 圈 在 西华大学硕士学位论文 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。 图1 1 钳表法测量原理图 f i g 1 i t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f c l a m pm e t e rm e t h o d 钳表法适用于输电线路杆塔的接地电阻测量，对于单根接地引下线杆塔，用钳表测 量无需外加电源，无需布置测量用的辅助电极，也无需拆卸杆塔连接螺栓，使用很方便， 但是测量结果的误差较大。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，它能最真实的测量出杆塔的接地电阻，测量回路涉及到的参数较少，测量值较稳定， 但是缺点是需要在现场布置几十米以上的电极引线，工作量很大。 ： 2 两点法( 电流一电压表法) 用这种方法可以测量待测和辅助接地极的电阻值。假设，辅助接地极的电阻相对于 待测接地极的电阻来说可以被忽略，那么测量的欧姆值就叫做待测接地极的电阻。 两点法通常应用于有金属自来水管道系统，且管道接头未经绝缘的建筑物的单根垂 直接地极接地电阻的测定。该水管即可作为辅助接地极，其接地电阻值假定为1q 数量 级，与垂直接地极的最大允许接地电阻( 通常为2 5 q 数量级) 相比应较低。 显然，对于接地电阻较低的垂直接地极，采用两点法的误差较大，但如果只需对接 地电阻进行大致的估测，两点法则是可行的。，。 3 三点法 。 三点法测量接地电阻时，采用两个试验电极，设两试验电极的接地电阻分别为吃和 ，3 ，待测接地装置的接地电阻为，；。测量得到的每对接地极间的接地电阻为气：、r t ，和，2 3 ： 一 。 吒2 2 l + 吃，r 1 32 ，i + r 3 ，r 2 32r 2 + r 3 ， ， 解方程组可以求得： ， 5 冲击接地计算及冲击接地电阻测量研究 r z = ( 2 一吃3 + 3 ) 2 因此，借助测量每对电极的串联接地电阻值，可以求得所测接地极的接地电阻值玛。 如果两个试验电极的电阻较待测接地极的电阻大许多，则每项测量的误差将在最后的结 果中放大许多。测量时，电极间必须相距一定距离，否则计算结果可能变得荒谬，如出 现零电阻或负电阻。在测量单根接地极的接地电阻时，三个电极相互间的距离应至少为 5 m ，最好在l o m 或以上。对于具有较低接地电阻的较大面积的接地系统来说，这种方法 不太适用，如果需要高的精度，则最好采用精度较高的测量方法。 4 比值法 在这种方法中，把测试电极的电阻与一个已知电阻相比较，已知电阻的电极通常使 用与测试电极相同构造的电极，这与电位降法相似。由于这是一个比较的方法，所以欧 姆的读数与测试电流完全无关( 如果测试电流足够高，能给出充分的灵敏度的情况下) 。 5 故障测试法 大电流测试一般应用在需要获得确切信息的特定的接地网中。另外，在发生实际的 接地故障时，运用示波器也可以获得接地阻抗值。 ；在这两种情况中，使用的测试仪器是相同的，目的都是通过示波器记录选定点之间 的电压。被记录的电压值很可能具有特定的范围，可能是电压互感器所需要的。最大电 压是可以被预计的，从而电压互感器的变比在进行测试之前就可以计算出来，方法是在 实际测试电流下使用电位降法。 另一个需要重点考虑的是示波器的校准电路，这个电路是由原边带有高电阻的电压 互感器组成的，其中这个电阻是由远端对地电位和长导线相连组成的。一个令人满意的 示波器偏差的校准电路可以通过导线在原边电路中加入二个标准电压或者就利用试验 中的远端对地电位得到。 实际测试点的位置取决于需要获得的信息，但是在所有的情况下，为了补偿，都应 该作出耦合测试电路。一 ” 6 电位降法 。+。 这种方法有几种变化的形式，并适用于所有类型的接地阻抗的测量。该方法是将电 流注入电极中进行测量，测量该电流和测试接地极与测试电压极间的电压。关于电位降 法的测量原理以及电极的配置方法将在本文的第二章中作详细的介绍。 1 2 3 方法比较与存在的问题 ； ，_ 综上所述，运用电路分析法研究接地网暂态特性时的主要不足是在土壤的非线性特 性与导体间的互感影响这两者之间不能兼顾。运用电磁场分析法时，虽然很好的解决了 导体参数随频率变化的问题，但是还是不能解决土壤的非线性特性的影响。而且随着接 6 西华大学硕士学位论文 地系统规模的不断扩大，它计算效率低的问题也愈加明显。运用传输线分析法时，由于 它的假设前提是接地导体无限长且参数均匀，所以没有考虑到导体间互感与互导纳的因 素，准确度不高。而且，由于土壤介质的非线性特性，它并不能同时兼顾导体的时变性 和频变性。 。 对于接地阻抗的测量方法，本文中提到的方法大多数只能适用于测量工频接地电 阻，而不能测量冲击接地阻抗，而冲击接地阻抗又是防雷中很重要的参数。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。另外，在多年的研究中，由于现场试验缺乏移动式大电流冲击发生器， 土壤特性经常发生变化，所以大多数采用模拟试验的方法，这样可以较方便的改变各种 参数，确定其影响程度。但是很难模拟出火花效应，使得测量出的冲击接地阻抗值有较 大的误差。 、 1 3 本文的主要研究内容 。 针对目前处理输电线路接地体冲击接地法计算存在的问题，以及冲击接地测量的局 限性，本文对接地装置的冲击特性进行了大量的仿真计算，对冲击接地的测量做了较深 入的现场试验研究和数据分析。本文所做的工作如下： ：” 1 介绍了接地技术的相关概念和接地电阻的测量方法，分析了冲击电流作用下，接地 装置的冲击特性。 2 针对冲击电流作用下，火花放电效应对输电线路杆塔伸长接地体半径的影响，提出 一种非线性分布参数的数学模型。该模型有利于模拟冲击电流作用下土壤的非线性击穿 特性。 - 3 提出一种冲击响应的算法一差分方法，应用该方法计算出考虑火花放电非线性分布 参数模型每一时刻各点的电气参数的数值解。 一 4 针对火花放电效应对输电线路杆塔伸长接地体在冲击电流作用下等值半径的变化的 影响，作了详细的计算研究。 ， 5 提出一种新的测量冲击接地电阻的方法，应用该方法对输电线路杆塔及接地网进行 了实地测量试验，对测量数据进行分析研究，有助于冲击接地测量全程工作的标准化建 立。 、， 7 冲击接地计算及冲击接地电阻测量研究 2 接地及接地电阻相关知识 2 1 接地的概念 电位的高低是相对于一个参考点而言的，这个参考点就是零电位点。 大地是一个导体，在其中没有电流流过时，整个大地都是等电位的。因此，就把大 地视为零电位，即作为工程上电位的参考点。 把地面上的金属物体与大地可靠地连接起来，当金属物体中没有电流或只有微小的 电流流过时，该金属物体与大地之间没有电位差，该金属物体就具有大地的电位零 电位，这就是接地。， 。 换句话说，接地就是将电气设备的某些部位或电力系统中的某点用导线与大地可靠 的连接起来，使该设备或节点与大地保持同电位。这时如果有故障电流或雷电流流过， 就能提供泄流通道，稳定电位，确保电气设备、电力系统的安全运行，同时确保运行人 员的人身安全。 2 2 接地的种类 根据接地的用途不同，可分为以下几种方式【3 5 】。 1 工作接地 根据电力系统运行的需要，必须在电力系统中某点与大地进行金属性连接，这种接 地称作工作接地。 。 2 保护接地 将电气设备正常运行情况下不带电的金属外壳和架构通过接地装置与大地连接，用 来防护间接触电，称作保护接地。 3 保护接零 将电气设备正常运行情况下不带电的金属外壳和构架与配电系统的零线直接连接， 用来防护间接触电，称作保护接零。 4 重复接地 在低压三相四线制采用保护接零的系统中，为t d n 强接零的安全性，在零线的一处 或多处通过接地装置与大地再次连接，称作重复接地。 5 防静电接地 为了消除生产过程中产生的静电及其危险影响，对设备、管道和容器进行的接地， 称作防静电接地，如加油站输油管道的接地。 8 6 屏蔽接地 避雷网、避雷带的接地。 冲击接地计算及冲击接地电阻测鼍研究 被接地体 -。 一、 、 接地线 父_ 大地 一t 口接地电_ 图2 2 接地系统的构成要素 从被接地的设备经过接地线、接地电极流入大地的电流叫做接地电流。当接地电流 。 流到具有接地电阻的接地电极时就会产生电位，这叫做电位上升。 接地电阻的定义为“假设在某一电极上流入接地电流i ( a ) ，若接地电极的电位比周 围大地高出e ( v ) 1 1 ：j ，其电位上升值与接地电流之比e ，( 【2 ) 即为接地电阻 3 6 o ( 如图 卜擀 电位上升 “ e ( v ) 毽 揍地电极 ，： 西华大学硕士学位论文 以下对接地电阻的定义做两点说明： ( 1 ) 定义接地电阻时，应作出一个闭合回路，使接地电流流向接地电极。具体做 法是首先向大地打入另_ 个接地电极，作为辅助电极，然后将电源接入两个电极之间即 可产生接地电流。接地电流从电源正极流出，经过主接地电极、大地和辅助电极流回电 源，形成闭合回路，见图2 4 。在定义接地电阻时，辅助电极的位置应设置在离主接地 电极足够远的地方。这样可以忽略给主接地电极带来的影响。 电源 图2 4 辅助电极 f i g 2 4a u x i l i a r ye l e 斌r o d e ( 2 ) 为了能够从电位上升值及接地电流求出真正的接地电阻，应该选择大地的无 限远点作为接地电极的电位上升值的基准点。无限远点就是指即使有接地电流，电位也 不变化的点。 如图2 5 ，如果将测试电位上升值的基准点靠近接地电极，因接地电流的影响基准 点的电位就会有一些上升，这样就会影响电位上升值的测定，给接地电阻的计算带来误 差。 冲击接地计算及冲击接地电阻测量研究 图2 5电位测定的基准点 f i g 2 5 t h er e f e r e n c ep o i n to f p o t e n t i a lm e a s u r e m e n t 通常所说的接地电阻包含以下几种电阻： 一 ( 1 ) 接地引线的电阻 ( 2 ) 接地引线与接地装置的接触电阻 ( 3 ) 接地体本身的电阻 ( 4 ) 接地体和土壤问的接触电阻 ( 5 ) 土壤的流散电阻 以上几种电阻中，接地引线和接地体本身都是导体，其电阻是非常小的。接地体与 土壤间的接触电阻是一个不定值，这是因为实际的接地装置与土壤的接触毕竟不是面接 触，而是接近点接触，二者之间存在着一定的接触电阻，它与施工时的压紧程度，土壤 的颗粒状况和潮湿程度等有关，特别是在岩石地区，接触电阻有时是比较大的。但 从接地电阻的观点来说，还是土壤的流散电阻影响最大，它是接地电阻的主要部分 1 2 西华大学硕士学位论文 土壤电阻 、 一 图2 6 构成接地电阻的要素 、 f i g 2 6t h ee l e m e n t so fe a r t hr e s i s t a n c e 2 4 工频接地电阻和冲击接地电阻 对于电力系统中的工作接地和保护接地，接地电阻是指土频交流( 或直流) 电流流 过接地装置时所呈现的电阻，所以称为工频接地电阻。 i 从物理过程上看，防雷接地与工作接地( 以及保护接地) 的明显区别是：雷电流的 幅值很大( 从数十千安到数百干安) ，而且雷电流的等值频率很高。所以，对于同一个 接地装置，：一方面，由于雷电流的幅值很大，会使地中的电流密度增大，从而提高了地 j ， 中的电场强度( 巨= 戚= p 鼍) ，在接地体表面附近尤其厉害。当地中电场强度超 ：z n - r x ， 过土壤的击穿场强时，就会发生局部火花放电，使得土壤的电导增大，而电阻率下降。 因此，同一个接地装置在幅值很高的雷电冲击电流作用下，它的接地电阻要小于工频电 流下的数值，这一现象称为火花效应。霉 一 另一方面，必须考虑到电压与电流扩散过程的波动特性。因为雷电流的等值频率很 高，使接地体自身呈现出的电感特性会阻碍雷电流向接地体( 特别是较长的水平接地体) 远端流通，于是远端就不能像近端那样有效地流散电流，当接地体较长时，这种影响更 加明显，从而使得接地体得不到充分利用，这样就使冲击接地电阻大于工频接地电阻。 这一现象称为电感效应。 、 rr 根据接地电阻的定义，冲击接地电阻应为心= i - j ，m ( 即冲击电压的最大值与冲击电 i ，埘 1 3 冲击接地计算及冲击接地电阻测量研究 流的最大值之比) ，但是在此表达式中，接地体上最大电压虬出现的时刻，不一定是最 大电流，。出现的时刻( 因为电感作用，u 。出现在，。之前) ，所以r 。的表达式没有实际 的物理意义，但可以从己知的接地装置的冲击接地电阻值如和某一雷电流幅值l ，得 知接地装置上可能出现的最大电压值乩，这是防雷设计所关心的问题。 在雷电流流过接地体的最初瞬间，冲击阻抗与接地电阻本身无关，这时波动过程起 主要作用，冲击接地阻抗等于系统的波阻抗。当雷电流向接地体的远端流动时，冲击接 地阻抗由接地电感和土壤电导决定。最后电流变化趋于稳定时，冲击接地阻抗才趋于工 频接地电阻。 2 5 接地的相关参数 1 流散电阻与接地电阻 。 ， 接地体对地电压与经接地体流入地中的电流之比称为流散电阻，即咫= 挚， ，1 f ， - 。 式中，疋流散电阻( q ) ； u ，接地体的对地电压( v ) ； ， j 厅接地电流( a ) 。 严格来说，流散电阻与接地电阻是有区别的，接地电阻等于电气装置接地部分对地 电压与接地电流之比，亦即接地电阻等于流散电阻加上接地导线本身的电阻，但是，因 为接地导线本身的电阻很小，可忽略不计，所以一般认为接地电阻等于流散电阻。 通常说的接地电阻都是对于工频电流而言的，当接地装置通过雷电流时，由于雷电 流有强烈的冲击性，接地电阻将发生很大的变化，这时的接地电阻称为冲击接地电阻。 2 接地电流和接地短路电流。 凡从接地点流入地下的电流称为接地电流。接地电流分为正常接地电流和故障接地 电流。正常接地电流是指正常工作时通过接地装置流入地下，与大地形成工作回路的电 流；故障接地电流是指系统发生故障时出现的接地电流。 系统发生短路时的接地电流叫做接地短路电流。在高压系统中，接地短路电流可能 很大。 3 对地电压和对地电压曲线 一 电流通过接地体向大地做半球形流散，如图2 7 。因为半球的面积与半径的二次方 1 4 西华大学硕士学位论文 成正比，所以半球的面积随着远离接地体而迅速增大，因此与半球面积对应的土壤电阻 随着远离接地体而迅速减小。可以计算在离接地体2 0 m 处的半球面积已达2 5 0 0 m 2 ，此 时土壤电阻已小到可以忽略不计。这就是说，可以认为在离开接地体2 0 m 之外，电流 不再产生电压降，或者说在远离接地体2 0 m 处，电压几乎降低为零。工程上通常说的 “地 就是这里的地，通常所说的对地电压，即带电体与大地之间的电位差，也就是指 离接地体2 0 m 以外的大地而言的。简单地说，对地电压就是带电体与电位为零的大地 之间的电位差。显然，对地电压等于接地电流与接地电阻的乘积。 ￥ t t _ ； ， 接地电流 “ l ：= + 一。 ，一。截面积小? 。一 7 o y i 爿。一 上 图2 7 电流从接地体向地中扩散 f i g 2 7 c u r r e n ts p r e a d i n gi n t og r o u n d 从以上讨论中我们可以知道，当电流通过接地体流入大地时，接地体具有最高的电 压。离开接地体后，电压逐渐下降，电压降落的速度也逐渐降低。如果用曲线来表示接 地体及周围各点的对地电压，这种曲线就是对地电压曲线。图2 8 所示为单一接地体的 对地电压曲线。显然，随着离开接地体，土壤电阻逐渐减小，电压降落速度逐渐减缓， 曲线逐渐变平，即曲线的陡度逐渐减小。 。 1 5 冲击接地计算及冲击接地电阻测量研究 l t j j u t 琴 i 当 n 莎 v 3 1 1 ) j | _ l ，天 j ， 天 1 一 j b 、08n ( j 7 0 ，8 n 0 8 n 2 0 m 图2 8 对地电压、接触电压和跨步电压示意 f i g 2 8 g r o u n dv o l t a g e ，t o u c hv o l t a g ea n ds t e pv o l t a g ed i a g r a m 4 接触电动势和接触电压 接触电动势是指接地电流自接地体向地中流散，在大地表面形成不同电位时，设备 外壳与水平距离0 8 m 处之间的电位差。 接触电压是指加于人体某两点之间的电压，如图2 8 所示。如果设备漏电，电流，目 自接地体向地下流散时，漏电设备的对地电压为，对地电压曲线呈双曲线形状。当 人站在a 处触及漏电设备外壳时，其接触电压就是其手与脚两点之间的电位差。入的脚 站在a 处对地电压为u 。，人的手由于触及漏电设备，因此人的手的对地电压就与漏电设 备的对地电压相同，即为u s ，这样站在口处人所承受的接触电压= j 。通常， 在忽略人的双脚下面土壤的流散电阻的情况下，按人体离开设备o 8 m 考虑，这时接触 电压与接触电动势相等。但实际上，人脚下面土壤的流散电阻总是存在的，所以接触电 压总是比接触电动势低一些。 5 跨步电压 当电气设备的绝缘损坏时，若此时有人向设备走来，虽然并没有触及到该设备，但 1 6 西华大学硕士学位论文 是由于人在跨步过程中，两只脚所处的位置不同( 一般取人的跨步距离为o 8 m ) ，假设 前脚电位为u ，后脚电位为以，那么施加在人体上的电压为u 。，= u 一以，此电压就称 为跨步电压，如图2 8 。 还有，当高压架空线路的一相发生断线落地时，落地点的电位就是导线的电位。接 地电流通过落地点向大地流散，在以落地点为圆心，半径为2 0 m 的网形区域内形成分 布电位。如果有人在落地故障点周围经过，其两脚之间( 人的跨步距离按0 8 m 计算) 的电位差就是跨步电压。由于跨步电压的作用，电流从人的一只脚经下身，通过另一只 脚流入大地形成同路，造成触电事故。 跨步电压的高低取决于人体与接地故障点的距离，如图2 8 ，可知距故障点越近， 跨步电压越高。当人体与故障点的距离达到2 0 m 及以上时，可以认为此处的电位为零， 跨步电压亦为零。一般来说，当发现电力线断落时，不要靠近。 当发生跨步电压触电时，应赶快将双脚并在一起，或赶快用一只脚跳着离开危险区 域。否则，因触电时间长，也会导致触电死亡。 ， 由图2 8 可以看出，对地电压曲线越陡，接触电压和跨步电压就越高，对人身等的 危险就越大；反之，对地电压曲线较平缓，接触电压和跨步电压就较低，危险性降低， 安全性提高。所以，在设计接地装置时，应设法降低对地电压曲线的陡度，使其变化平 缓。 。i ，i - ， 2 6 接地电阻的测量方法 目前，国内外多采用电位降法测量接地电阻，电位降法是基于接地电阻的定义的一 种方法，它的优点是测量对象不限，从小的棒状电极到大的接地网都适用。而且不仅能 测量工频接地电阻，还能测量冲击接地电阻。 ，。， 根据接地电阻的定义“假设在某一电极上流入接地电流i ( a ) ，若接地电极的电位比 周围大地高出e ( 时，其电位上升值与接地电流之比e i ( f 2 ) 即为接地电阻。所以在 测量接地电阻时，用接地电极上产生的电位降与测量电流之比作为接地电阻值。( 这里 应该注意理论上应该以相对于无限远点的电位上升为基准，但实际上做不到，只能采用 有限区间上的电位上升) 。 电位降法的测量原理如图2 9 。图中e 是测量对象即接地电极，c 、p 是辅助电极， 在距离e 的适当位置打入，p 是电位极，c 是电流极。 1 7 冲击接地计算及冲击接地电阻测量研究 电源 图2 9 电位降法原理图 f i g 2 9 s c h e m a t i co fp o t e n t i a ld r o pm e t h o d 测量时，如果设流入大地的电流为i ( a ) ，利用电位极p ，从电压表上读出e p 间的 电位差为v ( ，那么( q ) 就是接地电阻的测量值。 !、 这里对测量用的电源做两点说明。测量时电流应该使用交流电，这是因为如果采用 直流电就会产生电化学作用。另外，为了将来自工频电力系统的感应信号分离出去，应 该使用工频以外的频率。而且如果使用的交流频率太高，引线的电感和电容又会起作用， 所以一般使用i k h z 以下的频率。 电位降法的一大特点是电流辅助极c 和电位辅助极p 的接地电阻对测量值没有影 响。这是因为测量用的辅助电极长度和半径都很小，所以其接地电阻一般都高；电流辅 助极c 的接地电阻是串联在主回路中的，它对流入大地的电流影响很大，但是