王榮印，劉建勛

（山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000）

電力系統(tǒng)接地特性研究

王榮印，劉建勛

（山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000）

隨著輸電線路的電壓等級(jí)以及人們對供電可靠性越來越高，接地技術(shù)的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，研究其接地特性的任務(wù)越來越緊迫。本文分別介紹了目前工頻電流的接地研究現(xiàn)狀和雷電流下的沖擊特性研究，并提出接地存在的突出問題。

電力系統(tǒng)；接地；沖擊特性

0 引言

隨著電力系統(tǒng)向著高電壓、智能化、高可靠性的方向發(fā)展，對接地裝置性能的要求越來越高［1］，為了滿足電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，研究電力系統(tǒng)的接地特性成為了必須。接地裝置是指在電力系統(tǒng)發(fā)生故障或雷擊時(shí)，能夠?qū)⒐收想娏骰蚶纂娏餮杆偕⒘?，限制地電位的升高，保證人身和設(shè)備安全，所以為了確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，合格的接地裝置是十分必要的，其可靠性及安全性能一直受到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行部門的高度重視［1］。電力系統(tǒng)接地就其目的可分三種：工作接地、防雷接地和保護(hù)接地［2］。工作接地是為了滿足電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的運(yùn)行要求將系統(tǒng)或設(shè)備的某一點(diǎn)接地，如我國在110kv及以上的電力系統(tǒng)中采用中性點(diǎn)接地的運(yùn)行方式。防雷接地是為了將雷電流引入地下，防止過電壓對人或者設(shè)備的危害，保護(hù)接地是將電力設(shè)備在正常情況下不帶電的部分通過接地裝置和大地連接起來，防止在故障時(shí)帶電對人產(chǎn)生危害。目前電力系統(tǒng)接地研究包括兩個(gè)方面：工頻電流流經(jīng)接地裝置時(shí)的接地特性和雷電流流經(jīng)接地裝置時(shí)的沖擊特性。

1 工頻接地電阻、接觸電位差、跨步電位差

接地電阻是接地裝置是否合格的重要指標(biāo)，減小接地電阻能有效的把電流散流到地下，保障供電的安全穩(wěn)定。接地電阻的定量定義是∶假設(shè)在某個(gè)電極上流入接地電流I，而接地極的電位比周圍大地?zé)o窮遠(yuǎn)處高出U時(shí)，則接地極電位U對接地電流I的比值U/I稱為接地電阻［2］。接地電阻值與土壤電導(dǎo)率、接地體形狀、尺寸和布置方式、電流頻率等因素有關(guān)。目前測量接地電阻的方法有很多，三極電流電壓表法、三極示波器相位法、三極接地?fù)u表法、鉗表法、鉗表測試回路等效阻抗測試等。隨著高電壓輸電線路的發(fā)展，接地電阻的要求越來越高，降低接地電阻的方法有：增大地網(wǎng)面積，接地網(wǎng)的接地電阻值R=0.5p/√S，在土壤電阻率p一定時(shí)，面積S越大，電阻R越??；利用自然接地體，設(shè)計(jì)變電站的接地結(jié)構(gòu)時(shí)，充分利用、水電站的進(jìn)水口攔污柵、閘門、引水管等必須的設(shè)施來作為部分接地體流散電流，節(jié)約了成本；深井接地，當(dāng)?shù)叵螺^深處的土壤電阻率比上層的低很多時(shí)，可以把接地體設(shè)在設(shè)在土壤較深處，也可避免由于天氣原因?qū)е碌耐寥离娮杪实淖兓?，這種方式接地電阻較為穩(wěn)定；爆破接地，當(dāng)土壤的電阻率較高時(shí)，利用爆破技術(shù)，使土壤產(chǎn)生裂縫，然后用壓力機(jī)將降阻材料打到土壤裂縫中，打到降低土壤電阻率的目的；局部換土，當(dāng)土壤電阻率較高時(shí)，可將埋設(shè)接地裝置的土壤移走，在把電阻率較低的土壤埋設(shè)接地體，這種方法成本較高特別在交通不便的山區(qū)。在實(shí)際的接地工程中，一種降阻方法無法滿足接地電阻的要求，一般都是幾種降阻方法組合。接觸電位差是指人站在發(fā)生接地短路故障設(shè)備旁邊，距設(shè)備水平距離0.8米，人手觸及設(shè)備時(shí)，手和腳兩點(diǎn)之間呈現(xiàn)的電位差［3］?？绮诫娢徊钍侵府?dāng)發(fā)生接地短路故障時(shí)，人站在故障設(shè)備旁邊，兩腳之間的電位差。以前我國不太重視這個(gè)兩個(gè)指標(biāo)的要求，一直誤認(rèn)為當(dāng)接地電阻滿足要求時(shí)接觸電位差和跨步電位差也就滿足要求了，但接觸電位差和跨步電位差與接地網(wǎng)格的稀疏程度有關(guān)。

2 沖擊接地特性

沖擊接地特性是指當(dāng)雷擊輸電桿塔時(shí)接地裝置流散雷電流時(shí)的暫態(tài)特性。雷電流具有高幅值、高頻率的特點(diǎn)，呈現(xiàn)出的沖擊接地阻抗和工頻接地電阻有很大不同，主要表現(xiàn)在沖擊接地阻抗有明顯的電感效應(yīng)和火花效應(yīng)，電感效應(yīng)會(huì)使接地電阻增大，相反，火花效應(yīng)可以減小接地電阻。隨著輸電線路的雷擊事故的增多，接地裝置的防雷性能成為供電可靠性的主要因素之一。國內(nèi)外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析表明，減小沖擊接地阻抗可以有效的提高防雷性能，而沖擊接地阻抗和桿塔塔身結(jié)構(gòu)和尺寸、接地極結(jié)構(gòu)和尺寸、雷電流參數(shù)、避雷線參數(shù)以及土壤電阻率等諸多因素有關(guān)，目前國內(nèi)外在土壤放電特性和接地沖擊特性方面做了很多的研究，對提高防雷性能具有重要的指導(dǎo)意義。

目前國內(nèi)外研究沖擊接地特性的方法有三種：電路理論，傳輸線理論、電磁場理論和有限元法?；陔娐泛蛡鬏斁€理論的方法實(shí)際上是將地網(wǎng)導(dǎo)體進(jìn)行分段處理，每段導(dǎo)體均用π型等效電路代替來模擬計(jì)算接地導(dǎo)體暫態(tài)特性的一種直接的、有效的方法［4］。在建立電路計(jì)算模型的過程中做過了人為地一些假設(shè)和簡化處理之后，將土壤中放電的非線性特性考慮了進(jìn)去。20世紀(jì)90年代，Geri 等人在 Liew 模型的基礎(chǔ)上，對雷電流下的接地體的非線性性能做了比較細(xì)致的研究［5-7］，提出的新的計(jì)算模型，這種模型考慮了土壤非線性電擊穿的影響，但僅僅比較了形狀簡單的接地體，例如：垂直接地體、水平接地體等，而且該模型沒有考慮各段導(dǎo)體附近土壤火花放電程度的不同以及導(dǎo)體各段泄漏的電流密度，而是簡單的認(rèn)為呈圓柱形的火花放電區(qū)域的半徑是不變的以及接地體周圍土壤的火花放電是均勻的，同時(shí)忽略了導(dǎo)體電感與對地電容。

3 總結(jié)與展望

根據(jù)以上分析筆者認(rèn)為以下方面還需重點(diǎn)研究：（1）目前由于實(shí)驗(yàn)條件的不允許真型實(shí)驗(yàn)難度較大，而模擬實(shí)驗(yàn)和真型實(shí)驗(yàn)的放電特性還有一定的區(qū)別，所以模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果還有待驗(yàn)證。（2）隨著電力系統(tǒng)向高電壓、高可靠性的方向發(fā)展，在設(shè)計(jì)發(fā)、變電站的接地網(wǎng)時(shí)要更加注重接觸電位差和跨步電位差。（3）由于雷擊事故的日益增多，降低接地電阻要尋找新的方向，比如研究新的接地材料。

［1］張波，何金良，曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.高電壓技術(shù)，2015，41（08）：2569-2582 .

［2］馮喬春.電網(wǎng)接地技術(shù)工程應(yīng)用研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2009.

［3］黃昌威，安韻竹.變電站接地網(wǎng)不同接地材料接地特性研究［J］.陜西電力，2014，42（11）：9-13.

［4］Velazquez R and Mukhedkar D. Analytical modeling of grounding electrodes transient behavior［J］.IEEE Trans. On PAS， 1984，103（5）： 1314-1322.

［5］Liew A C， Darveniza M. Dynamic model of impulse characteristics of concentrated earth［J］. Proceedings of IEE， 1974， 121（2）： 123-135.

［6］Geri A， Garbagnati E， Veca G M， et al. Non-linear behaviour of ground electrodes under lightning surge currents：computer modeling and comparison with experimental results［J］. IEEE Transactions on Magnetics， 1992，28（2）： 1442-1445.

［7］Xiong W， Dawalibi F. Transient performance of substation grounding systems subjected to lightning and similar surge currents［J］. IEEE Transactions on Power Delivery， 1994，9（03）：1412-1417.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.144

王榮印，男，山東聊城人，在讀碩士，研究方向：電力系統(tǒng)防雷與接地技術(shù)。