曾卿卿，劉三偉，余德均，王海軍

（1.重慶能源職業(yè)學(xué)院，重慶 402247；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410000）

接地裝置動態(tài)沖擊電阻影響因素的試驗研究

曾卿卿1，劉三偉2，余德均1，王海軍1

（1.重慶能源職業(yè)學(xué)院，重慶 402247；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410000）

針對接地裝置沖擊散流過程中的動態(tài)沖擊電阻及其影響因素展開研究，采用同一時刻的沖擊電壓與沖擊電流的比值來模擬接地裝置的動態(tài)沖擊電阻，通過模擬試驗得到了土壤含水量、含鹽量以及土壤種類等關(guān)鍵參數(shù)對動態(tài)沖擊電阻的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨含水量、含鹽量的增加，動態(tài)沖擊電阻的起始值減小、最小值增大、衰減時間減小；黏土與沙土相比，動態(tài)沖擊電阻的起始值較小、最小值較大、衰減時間較小。

接地裝置；動態(tài)沖擊電阻；土壤含水量；土壤含鹽量；土壤種類；模擬試驗

0 引言

接地裝置的性能與高幅值的沖擊電流在土壤中的散流特性［1］有極為緊密的聯(lián)系，接地裝置的沖擊接地電阻是衡量電力系統(tǒng)防雷性能好壞的重要參數(shù)之一。在沖擊電流進(jìn)入土壤時，由于土壤不是理想的導(dǎo)體，土壤會發(fā)生電離，呈現(xiàn)相應(yīng)大小的電場。隨著土壤中的電場增強(qiáng)，土壤的電阻率會隨之減小并呈現(xiàn)非線性變化特性［2］，在土壤中靠近接地電極附近會出現(xiàn)表征土壤電離的火花放電，并出現(xiàn)一個極不均勻的放電區(qū)域；當(dāng)沖擊電流繼續(xù)增加時，火花放電會在土壤顆粒的表面發(fā)展成為電弧放電，在此過程中土壤的沖擊電阻也呈現(xiàn)相應(yīng)的非線性特性。

從19世紀(jì)20年代開始，國內(nèi)外就有大量的專家學(xué)者開始研究土壤放電的沖擊電阻。王建國等人通過實驗室模擬試驗提出沖擊電阻的大小約等于接地電阻乘對應(yīng)的沖擊系數(shù)［3］；EEOttle對接地裝置的沖擊特性進(jìn)行模擬試驗，提出了沖擊電阻的經(jīng)驗公式和特征曲線［4］。何金良通過模擬試驗，得出了沖擊系數(shù)的經(jīng)驗公式和沖擊接地電阻的經(jīng)驗公式［5］。關(guān)于接地裝置的沖擊電阻，一般認(rèn)為是接地裝置的沖擊電阻是沖擊電壓與注入土壤中的沖擊電流幅值之比。實際上，由于電壓幅值和電流幅值并不一定在同一時刻出現(xiàn)，因此采用幅值相比計算得到的沖擊電阻來模擬的方法是不準(zhǔn)確的。

由于接地裝置的散流性能直接決定于沖擊電阻的大小，因此保證較低的沖擊電阻值是保證接地裝置良好性能的關(guān)鍵。關(guān)于土壤沖擊電阻影響因素方面的研究，國外Nelson等對不同初始電阻率的土壤進(jìn)行沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)土壤的電離區(qū)存在相對土壤電離前一定比例大小的剩余電阻率，并隨著注入電流的增大而減?。?］。陳名銘等對不同含水量情況下的土壤的沖擊特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：隨著土壤含水量的提高，它的電阻率逐漸減小，同時放電時延也隨之減?。?］。何金良等采用模擬試驗，對接地電極尺寸、沖擊電流幅值、土壤初始電阻率等因素對接地裝置的沖擊接地電阻的影響規(guī)律進(jìn)行研究［8］。綜合來看，現(xiàn)有的研究提出了土壤含水量、含鹽量等影響土壤沖擊電阻的關(guān)鍵因素，但是研究的角度一般都是從穩(wěn)態(tài)的沖擊電阻值來分析，鮮有從動態(tài)沖擊電阻角度來分析關(guān)鍵影響的研究。

從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，對于接地裝置沖擊電阻的研究基本采用的是幅值之比的定值研究方法，而由于沖擊電壓、沖擊電流幅值并非同時出現(xiàn)，導(dǎo)致了這種處理方式是不夠準(zhǔn)確的。因此，從動態(tài)沖擊電阻的角度出發(fā)，考慮沖擊電阻的時變性，采用模擬試驗，對沖擊電阻的非線性特性進(jìn)行研究。并且，通過試驗研究土壤含水量、含鹽量及土壤種類對土壤動態(tài)沖擊阻抗的影響規(guī)律。

1 試驗過程

1.1 試驗裝置

在沖擊電流作用下的土壤的動態(tài)沖擊電阻的原理如圖1所示?？煞譃閮蓚€主要部分，即沖擊電流發(fā)生器和數(shù)據(jù)圖像采集系統(tǒng)。

圖1 接地裝置沖擊散流模擬試驗原理

其中T1是額定容量為3 kVA的調(diào)壓器；T2是升壓比為380 V／45 kV的升壓變壓器；D為最大允許電流1 A的高壓整流器；r1為保護(hù)水阻；充電電容器組C由10臺0.3 μF的脈沖電容器圓環(huán)式排列并聯(lián)組成；G為點火球隙；L和R分別為調(diào)波電感和調(diào)波電阻；F為電阻分壓器；H為管式分流器；S為試品；P為直徑為50 cm的半球形沙槽；砂池內(nèi)用細(xì)紗來模擬土壤，可以分別通過晾曬細(xì)砂和在砂池中加水或加鹽來改變含水和含鹽量。CT為穿芯式PERSON電流傳感器，DSO（digital storage oscilloscope）為高壓數(shù)字示波器。

1.2 試驗原理

試驗時，首先幅值為380 V的交流電壓通過調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)壓得到所需要的低電壓，然后再把得到的低電壓通過變壓器升壓得到需要的高等級電壓。然后再通過硅堆整流元件得到直流電壓，再向并聯(lián)的多個電容同時充電。充電結(jié)束后通過點火球隙觸發(fā)使并聯(lián)的多個電容幾乎同時放電，通過土壤形成一個完整的回路；放電時可以通過電流傳感器測量土壤放電時的放電電流波形，通過電容分壓器測量電壓波形，統(tǒng)一通過示波器顯示；最后再根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和圖像得到動態(tài)沖擊阻抗的曲線圖，并進(jìn)行分析得出結(jié)論。

試驗中的沖擊電流短路波形為8／20 μs，注入的典型雷電流波形如圖2所示，施加的沖擊電流幅值為2.5 kA。試驗土壤樣品為細(xì)砂（主要成分SiO2）構(gòu)成的模擬土壤，在研究過程中含水量有8種，分別為3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%、18%； 含鹽量有5種，分別為 0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1%；按照國際土壤分類標(biāo)準(zhǔn)，選取了典型土壤沙土和黏土兩種類型的土壤。由于每一次放電后，土壤的電氣特性都已經(jīng)發(fā)生改變，為了保證準(zhǔn)確性，每一次放電完成后均對試驗土壤進(jìn)行重新均勻混合處理。

圖2 試驗采用的短路雷電流波形

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

通常所說的接地裝置的沖擊電阻都是指沖擊電壓幅值和注入沖擊電流幅值之比，采用時變動態(tài)沖擊電阻的方法，認(rèn)為某一時刻的沖擊電阻值是這一時刻的沖擊電壓值與沖擊電流的比值，沖擊電阻呈現(xiàn)的是非線性時變的特性，其表達(dá)式為

式中：Ut和It分別為t時刻的沖擊電壓值與電流值。

由于在t=0時刻（沖擊電流進(jìn)入土壤樣品的瞬間）以前土壤中沒有電流，土壤的電阻是固定不變的，因此可以不考慮0時刻以前的沖擊電阻。另外，由于土壤顆粒之間存在的空隙導(dǎo)致土壤顆粒之間存在一定大小的電容，因此在放電即將結(jié)束時土壤中的電容對放電的影響相對較大，存在一定的電容放電現(xiàn)象，導(dǎo)致在電流電壓波形的波尾處會出現(xiàn)負(fù)的情況，從而計算出來的沖擊電阻值出現(xiàn)負(fù)值。本文主要是研究放電過程中沖擊電阻的動態(tài)變化，在電流和電壓波尾處的值相對于各自的幅值而言都比較小，可以忽略，因此不考慮沖擊放電結(jié)束時的電容放電對沖擊電阻值的影響。以含鹽量為0.5%的沙土為例，根據(jù)模擬試驗結(jié)果，當(dāng)含水量在3%~18%變化時，通過計算得到了時變非線性沖擊電阻，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同含水量下的動態(tài)沖擊電阻（沙土）

以沙土為例，在相同的土壤含鹽量以及相同的電流幅值條件下，土壤的動態(tài)沖擊電阻都會呈現(xiàn)先減小后增加的非線性變化情況：在沖擊電流注入的起始階段動態(tài)沖擊電阻衰減的速率小，隨后速率變大，會衰減到一個最小值（出現(xiàn)在沖擊電壓和沖擊電流的波尾部分），最后再逐漸回升。分析其原因，可能是因為在土壤中注入沖擊電流時，土壤會逐漸電離甚至擊穿，因此土壤的電阻會逐漸減小，隨著電流的消散，電阻又慢慢回升。由于在最開始時電離程度發(fā)展緩慢，導(dǎo)致土壤電阻下降速率小，在土壤擊穿的時候土壤電阻會急劇減小，但是隨著含水量的增加前后速率的變化變小。

2.2 結(jié)果分析

為了對接地裝置時變動態(tài)沖擊電阻進(jìn)行分析，根據(jù)非線性電阻的特點，取動態(tài)電阻的初始值、最小值、衰減時間作為其特征參量。某一條件下的動態(tài)電阻初始值的大小代表著土壤未電離前的介電性能，最小值則代表著該條件下的最大電離程度，而衰減時間說明了電離速率的快慢。

2.2.1 含水量的影響規(guī)律

在含鹽量保持為0.5%、沖擊電流幅值2.5 kA不變的條件下，對所選取的典型土壤沙土和黏土，分別進(jìn)行不同含水量下的沖擊放電試驗，并計算了其動態(tài)沖擊電阻，考慮所提出的3個特征值，比較不同含水量對于沖擊電阻的影響，其計算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 含水量對動態(tài)沖擊電阻特征參數(shù)的影響規(guī)律（沙土）

圖5 含水量對動態(tài)沖擊電阻特征參數(shù)的影響規(guī)律（黏土）

由圖4和圖5中各個參數(shù)在不同含水量下的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，無論是沙土還是黏土，在相同的土壤含鹽量以及沖擊電流幅值下，當(dāng)土壤的含水量增加時，土壤動態(tài)沖擊電阻的初始值減小，土壤的動態(tài)沖擊電阻的初始值逐漸減小，越有利于沖擊電流的流散，提高接地裝置散流性能；但是最小值增加，動態(tài)沖擊電阻的衰減時間逐漸減?。欢?guī)缀醺鱾€參數(shù)變化的速率都逐漸減慢。

2.2.2 含鹽量的影響規(guī)律

在含水量保持為5%、沖擊電流幅值2.5 kA不變的條件下，對所選取的典型土壤沙土和黏土，分別進(jìn)行不同含水量下的沖擊放電試驗，并計算了其動態(tài)沖擊電阻，考慮所提出的3個特征值，比較了不同含水量對于沖擊電阻的影響，其計算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 含鹽量對動態(tài)沖擊電阻特征參數(shù)的影響規(guī)律（沙土）

由圖6和圖7中各個參數(shù)在不同含鹽量下的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，無論是沙土還是黏土，在相同的土壤含水量以及沖擊電流幅值下，隨著土壤含鹽量的增加，土壤動態(tài)沖擊電阻的初始值減小，但是最小值增加，動態(tài)沖擊電阻的衰減時間逐漸減??；而且各個參數(shù)變化的速率幾乎都逐漸減慢土壤的動態(tài)沖擊電阻的初始值逐漸減小，越有利于沖擊電流的流散，提高接地裝置散流性能。

圖7 含鹽量對動態(tài)沖擊電阻特征參數(shù)的影響規(guī)律（黏土）

2.2.3 土壤種類的影響規(guī)律

采用控制變量法研究單一因素的影響，保持含鹽量和含水量相同的情況下，施加相同的雷電流，對沙土和黏土的沖擊電阻非線性特性進(jìn)行了對比研究，結(jié)果如圖8所示。

圖8 土壤種類對動態(tài)沖擊電阻特征參數(shù)的影響規(guī)律

由圖8中各個參數(shù)在不同土壤種類下的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，在其余條件相同的情況下，黏土的動態(tài)沖擊電阻的初始值、最小值、衰減時間都要比沙土對應(yīng)的各個參數(shù)小，其中動態(tài)沖擊電阻的初始值和衰減時間差別較小。原因分析：由于黏土的吸水性和保水性都較沙土的強(qiáng)，在相同的情況下黏土顆粒吸水后其土壤間的空氣間隙相對沙土較大，導(dǎo)致黏土的導(dǎo)電性較沙土強(qiáng)，因此相同情況下黏土的動態(tài)沖擊電阻的初始值、最小值、衰減時間都要比沙土對應(yīng)的各個參數(shù)小，黏土越有利于沖擊電流的流散，提高接地裝置散流性能。

3 結(jié)語

針對接地裝置沖擊散流過程中的動態(tài)沖擊電阻及其影響因素展開了研究，采用同一時刻的沖擊電壓與沖擊電流的比值來模擬接地裝置的動態(tài)沖擊電阻，通過模擬試驗得到了土壤含水量、含鹽量以及土壤種類等關(guān)鍵參數(shù)對動態(tài)沖擊電阻的影響規(guī)律。

同一土壤在相同的含鹽量、沖擊電流幅值時，隨著土壤含水量的增加，土壤的動態(tài)沖擊電阻的初始值逐漸減小、最小值逐漸增大、衰減時間逐漸減??；由于飽和現(xiàn)象，各參數(shù)的變化速率都會減小。

同一土壤在相同的含水量、沖擊電流幅值時，隨著土壤含鹽量的增加，土壤的動態(tài)沖擊電阻的初始值逐漸減小、最小值逐漸增大、衰減時間逐漸減??；由于飽和現(xiàn)象，各參數(shù)的變化速率都會減小。

同一含水量、含鹽量、沖擊電流幅值情況下，黏土與沙土相比，動態(tài)沖擊電阻的初始值、最小值、衰減時間、沖擊電阻都相對較小，黏土更有利于沖擊電流的流散，提高接地裝置散流性能。但動態(tài)沖擊電阻的初始值和衰減時間減小得并不明顯。

［1］朱時陽，袁濤，朱彬.分層土壤中接地裝置沖擊散流特性的有限元分析模型［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2014，38 （8）：2 304-2 309.

［2］李景麗，袁濤，楊慶，等.考慮土壤電離動態(tài)過程的接地體有限元模型［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，31（22）：149-157.

［3］王建國，夏長征，文習(xí)山，等.垂直接地體沖擊電流作用下接地電阻的測量［J］.高電壓技術(shù)，2000，26（5）：45-47.

［4］OETTLE E E.A new general estimation curve for predicting the impulse impedance of concentrated earth electrodes ［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1988，3（4）：2 020-2 029.

［5］何金良，陳先祿.輸電線路桿塔接地裝置沖擊特性的模擬原理［J］.清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版） ，1994，34（4）：38-43.

［6］LIU Y，THEETHAYI N，GONZALEZ R M，et al.The residual resistivity in soil ionization region around grounding system for different experimental results［C］∥IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility.IEEE，2003：794-799.

［7］陳名銘，曹曉斌，楊琳，等.同軸圓柱形電極下土壤沖擊特性的試驗研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（8）：2 291-2 296.

［8］何金良，曾嶸，陳水明，等.輸電線路桿塔沖擊接地電阻特性的模擬試驗研究［J］.清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1999，39（5）：5-8.

Experimental Study on Influence Factors of Dynamic Impulse Resistance of Grounding Devices

ZENG Qingqing1，LIU Sanwei2，YU Dejun1，WANG Haijun1
（1.Chongqing Energy College，Chongqing 402247，China；2.State Grid Hunan Electric Power Research Institute，Changsha 410000，China）

This research focuses on the dynamic impulse resistance of the grounding device and its influence factors.The dynamic impulse resistance of grounding device is calculated by the ratio of the sampled instantaneous impulse voltage and current.Influences of soil’s water content，salt content and type on the dynamic impulse resistance are obtained by environment controlled experiment.The results show that the initial value and fall time of dynamic impulse resistance decreases，while the minimum value increase with the soil’s water and salt content.Comparing with sandy soil，the initial value and fall time of dynamic impulse resistance of normal soil is smaller，while the minimum value is larger.

grounding device；dynamic impulse resistance；soil water content；soil salt content；soil type；simulating experiment

TM934.1

B

1007－9904（2017）11－0028－06

2017-06-08

曾卿卿（1983），男，講師，從事電力系統(tǒng)過電壓保護(hù)工作。