李 峰，趙志浩，馬愛清

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

電氣接地是電氣設(shè)備使用過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其目的是在正常情況和遭遇雷電、電磁干擾時(shí)，通過接地裝置將電氣設(shè)備的電位限制在允許范圍內(nèi).由于雷電電磁脈沖的幅值極大，存在時(shí)間短，不良的接地會(huì)造成電子產(chǎn)品中的元件受到嚴(yán)重?fù)p毀.如今微電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，對(duì)設(shè)備的接地提出了更高的要求.如何妥善處理雷電沖擊電流，屏蔽電磁干擾的影響變得越來越重要.

目前，城市中心的大型建筑物或變電站幾乎都使用接地網(wǎng)來接地.工頻電流下，接地網(wǎng)的接地電阻基本不受注入點(diǎn)位置的影響.[1]而在脈沖電流下，由于電感效應(yīng)等因素的影響，隨著注入點(diǎn)的不同，沖擊接地電阻也會(huì)不同.[2]本文在試驗(yàn)場(chǎng)地埋設(shè)接地網(wǎng)，研究電磁脈沖(EMP)電流泄流到接地網(wǎng)不同注入點(diǎn)時(shí)接地網(wǎng)的沖擊特性，包括不同波前時(shí)間的脈沖電流下的沖擊接地電阻和注入點(diǎn)位置的影響規(guī)律.

1 沖擊接地電阻的測(cè)量和電壓參考點(diǎn)的選取

測(cè)量接地體沖擊接地電阻的方式采用了三極法，測(cè)量接線示意圖如圖1所示.

圖1 沖擊接地特性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)接線示意

脈沖電流發(fā)生器正極接被測(cè)接地極，負(fù)極接電流回流極C.為了找到合適的電壓參考點(diǎn)，并減少?zèng)_擊測(cè)量中電流極和電位極之間的干擾，脈沖電流注入水平接地極末端時(shí)，選擇 IEEE Std 81.2—1991的測(cè)量方法，使電流極和電位極引線之間垂直.同時(shí)，為使接地電阻的誤差小于5%，將電流極C和電位極P的引線充分拉長(zhǎng)，引出的電流極接地，距離接地體150 m.另放置一電位極，同樣距離接地體150 m.采用九宮格狀金屬網(wǎng)作為接地體，規(guī)格為15 m×15 m，埋深0.5 m.本試驗(yàn)場(chǎng)地的平均土壤電阻率為300 Ω·m.在測(cè)量接地體的沖擊特性前，需先測(cè)量接地體的工頻接地電阻，通過61.8%法[3]測(cè)量的接地網(wǎng)工頻接地電阻為9.2 Ω.

2 電流極和電位極的水平布置方式

由于接地網(wǎng)注入點(diǎn)較多，因此進(jìn)行了4種電流注入方式的試驗(yàn).試驗(yàn)中選取了4個(gè)不同的脈沖電流注入點(diǎn)，目的是考察在4種注入方式下，電感效應(yīng)對(duì)沖擊接地特性的影響.由脈沖電流發(fā)生器發(fā)出相同波形、幅值的脈沖電流，測(cè)取不同注入點(diǎn)情況下的沖擊接地電阻.在選取不同的注入點(diǎn)時(shí)，為了使電流極和電位極引線之間垂直，電流極和電位極的水平布置方式也有所改變，如圖2所示.

圖2 電流極和電位極的布置示意

3 測(cè)量結(jié)果及分析

3.1 不同注入點(diǎn)的電壓和電流波形

為了測(cè)試不同電流注入點(diǎn)的接地電阻特性，測(cè)取了15 m×15 m接地網(wǎng)4個(gè)注入點(diǎn)的電壓和電流隨時(shí)間變化的波形，如圖3所示.脈沖電流峰值均為10 A，波前時(shí)間約為7 μs.點(diǎn)1，點(diǎn)2，點(diǎn)3的電壓波形相近，點(diǎn)3的電壓幅值相對(duì)點(diǎn)1，點(diǎn)2較小，點(diǎn)4的電壓幅值最小.

圖3 各脈沖電流注入點(diǎn)的電流和電壓波形

從注入點(diǎn)在接地網(wǎng)上的位置看，點(diǎn)1位于接地體的頂點(diǎn)，脈沖電流在導(dǎo)體內(nèi)只能沿著兩根導(dǎo)體分散，接地網(wǎng)的等效感抗較大，使得注入點(diǎn)電位升高.點(diǎn)2和點(diǎn)3位于接地網(wǎng)的邊線，有3條散流支路，泄流效果更好.

在布置注入點(diǎn)3時(shí)，電位極P在接地網(wǎng)上存在一段長(zhǎng)度，使測(cè)得的電位值比實(shí)際值略小，因此其電壓幅值相對(duì)點(diǎn)2略小.而注入點(diǎn)4位于接地網(wǎng)的內(nèi)部，此點(diǎn)脈沖電流有4條散流支路，泄流效果最優(yōu)，注入點(diǎn)電位最低.

3.2 接地網(wǎng)的有效面積

接地導(dǎo)體在脈沖電流下會(huì)表現(xiàn)出電感效應(yīng)，阻礙電流向遠(yuǎn)方導(dǎo)體傳播，削弱了導(dǎo)體的散流作用，通常使用有效長(zhǎng)度這一概念對(duì)單根接地體的接地效果進(jìn)行測(cè)算和評(píng)估.[4]

同樣，可以由這一概念引申出接地網(wǎng)的有效接地面積，即當(dāng)接地網(wǎng)的水平面積小于或等于有效面積時(shí)，接地網(wǎng)的接地效果與它的大小有直接關(guān)系.但當(dāng)接地網(wǎng)的面積超出有效面積后，繼續(xù)增大接地網(wǎng)的面積大小就無法有效地增加接地效果.[5-6]不同注入點(diǎn)的沖擊接地有效面積如圖4所示.

圖4 不同注入點(diǎn)的沖擊接地有效面積

對(duì)于注入點(diǎn)1，其位于接地網(wǎng)的一角，因此其等效接地面積較小，在脈沖電流下的沖擊電阻較高.4個(gè)不同的注入點(diǎn)中，位于接地網(wǎng)中央?yún)^(qū)域的注入點(diǎn)4與點(diǎn)1位置差別最大，它的有效面積最大，沖擊接地電阻最小.

3.3 沖擊接地電阻的計(jì)算

沖擊阻抗Zt定義為瞬時(shí)沖擊電壓Ut與沖擊電流It之比，即Zt=Ut/It.[7-9]通過所測(cè)得的波形分別讀出沖擊電壓Ut和脈沖電流It.計(jì)算得出沖擊接地電阻隨時(shí)間變化曲線，如圖5所示.

圖5 各脈沖電流注入點(diǎn)的沖擊電阻曲線

由圖5可知，點(diǎn)2和點(diǎn)3的注入位置相似，它們的沖擊阻抗暫態(tài)變化過程近似，沖擊接地電阻的變化曲線貼合.點(diǎn)1和點(diǎn)4注入位置相差較大，它們的波形有較大區(qū)別.點(diǎn)1的電阻變化曲線變化較緩，脈沖電流達(dá)到峰值前，沖擊接地電阻的數(shù)值與其他組相比偏大，電感效應(yīng)十分明顯.而點(diǎn)4的電阻波形較陡，電阻迅速達(dá)到最小值，而后上升.20 μs之后，各注入點(diǎn)的沖擊接地電阻趨于相同.

將圖5中0～5 μs時(shí)間段波形放大，如圖6所示.

圖6 沖擊接地電阻曲線上升部分放大波形

由圖6可以清晰地看到?jīng)_擊接地電阻瞬間的變化情況:在0.5 μs之前，點(diǎn) 1，點(diǎn) 2，點(diǎn) 3 的沖擊電阻均超過16 Ω;點(diǎn)4的沖擊接地電阻在脈沖電流發(fā)出的瞬間值小于 12 Ω，明顯低于其他注入點(diǎn).

此處定義沖擊接地電阻為沖擊電壓峰值Um與沖擊電流峰值Im之比，即R=Um/Im，分別對(duì)接地網(wǎng)每個(gè)注入點(diǎn)施加不同的脈沖電流，通過對(duì)測(cè)出的不同波前時(shí)間下的沖擊接地電阻進(jìn)行曲線擬合，得到了波前時(shí)間-沖擊接地電阻特性曲線，如圖7所示.

圖7 各注入點(diǎn)在不同脈沖電流下的沖擊接地電阻曲線

改變脈沖電流的波前時(shí)間，對(duì)試驗(yàn)中4個(gè)注入點(diǎn)的沖擊接地電阻均會(huì)造成影響，但不同的注入點(diǎn)影響程度不同.波前時(shí)間小于10 μs時(shí)，沖擊接地電阻注入點(diǎn)1最大，注入點(diǎn)4最小，波前時(shí)間越短，不同注入點(diǎn)間沖擊接地電阻的差別越大;電流的波前時(shí)間大于20 μs后，各注入點(diǎn)的沖擊接地電阻幾乎相同.體現(xiàn)了電感作用對(duì)沖擊接地電阻的影響.

4 結(jié)語

本試驗(yàn)采用三極法測(cè)量沖擊接地電阻，電極位置的布置參考了IEEE Std 81.2—1991，從而避免了脈沖電流對(duì)于電位測(cè)量的影響，提高了測(cè)量結(jié)果的精確度.通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖電流從接地網(wǎng)的中心注入相比于從邊角注入，更能有效降低接地點(diǎn)的電位;對(duì)于波前時(shí)間較小的脈沖電流，從接地網(wǎng)的中心注入可明顯改善沖擊接地電阻暫態(tài)值，降低接地點(diǎn)電位，提高接地設(shè)備的安全系數(shù).

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