史 貴 風(fēng)

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063]

0 引 言

在每個(gè)電氣系統(tǒng)中,如何保證設(shè)備和人員的安全都是首先需要考慮的問(wèn)題。日常生活中最常見(jiàn)的建筑電氣安全(火災(zāi))事故起因包括漏電觸電、短路、過(guò)載、接觸電阻過(guò)大、雷擊等。在這些起因中,漏電觸電和雷擊事故可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的接地來(lái)降低發(fā)生概率,甚至避免其發(fā)生。接地電阻值是評(píng)估接地系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo),是衡量接地系統(tǒng)有效性、連續(xù)性、安全性以及鑒定接地系統(tǒng)是否符合設(shè)計(jì)要求的重要參數(shù)[1]。由于土壤電阻率的各向異性及復(fù)雜的地形因素,接地系統(tǒng)的接地電阻設(shè)計(jì)值與實(shí)際值有可能相差甚遠(yuǎn);此外,接地電網(wǎng)和接電極每年都會(huì)有不同程度的腐蝕,使接地網(wǎng)的接地電阻發(fā)生變化[1]。因此,接地電阻的測(cè)量是接地系統(tǒng)驗(yàn)收和運(yùn)行過(guò)程中檢查其是否合格的重要手段。如何簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地測(cè)量接地系統(tǒng)的真實(shí)接地電阻,是長(zhǎng)期困擾電力工作者的一大難題[1]。

本文通過(guò)模擬理想試驗(yàn)的形式,設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)的接地電阻測(cè)量和控制系統(tǒng)模型,探討了如何避免接地電阻真實(shí)值與設(shè)計(jì)值之間出現(xiàn)巨大差異的問(wèn)題。

1 接地電阻概述

接地電阻是電流在流經(jīng)接地部件到大地過(guò)程所感測(cè)到的接地電極的電阻。該電阻受接地電極表面(金屬表面的氧化物)和靠近接地電極的大部分地面的電阻(接觸電阻)的影響[2]。接地電極示意圖如圖1所示。

1.1 接地電阻分類(lèi)及限值

接地是通過(guò)接地裝置實(shí)現(xiàn)的,而接地裝置是接地線和接地電極的總和。接地的作用主要是:防止人身遭受電擊,防止設(shè)備和線路遭受損壞,預(yù)防火災(zāi),防止雷擊、靜電損害,保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行。從本質(zhì)上講,接地電阻是在正常和事故以及雷擊的情況下,利用大地作為接地電流回路的一個(gè)元件,從而將設(shè)備接地處固定為所允許的接地電位。

由以上接地的作用可以看出,電氣系統(tǒng)的接地按其目的的不同可分為如下幾種[3-5]:

(1) 保護(hù)接地。其目的是為了保護(hù)人身的安全,例如電氣設(shè)備的金屬外殼、底座等由于絕緣損壞而有可能帶電的部分應(yīng)進(jìn)行接地,以免觸電危險(xiǎn)。

(2) 工作接地。其目的是為了保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行,例如電力變壓器中性點(diǎn)的接地。

(3) 防雷接地。其目的是為了把雷電流引入地中,以消除過(guò)電壓的危險(xiǎn)影響。常見(jiàn)于建筑物上,尤其是高層建筑上,例如避雷針、避雷器,向地泄放雷電流而設(shè)的接地。

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 21431—2015《建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》中均對(duì)不同條件下獨(dú)立接地電阻的限值做了相應(yīng)的規(guī)定,如表1所示。

表1 不同條件下獨(dú)立接地電阻的限值

1.2 接地電阻測(cè)量方法

現(xiàn)有的接地電阻測(cè)量方法主要有以下幾種:

(1) 兩點(diǎn)法或直接法。

(2) 使用一個(gè)三端子和兩個(gè)四端子儀器的三點(diǎn)式電位下降法。

(3) 鉗表法。

(4) 四極接地電阻測(cè)量法。

2 接地電阻測(cè)控系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

接地電極與土壤之間接觸示意圖如圖2所示。

圖2 接地電極與土壤之間接觸示意圖

從圖1可以看出,接地電極與土壤之間的接觸不是面接觸,而是類(lèi)似于圖2所示的點(diǎn)接觸[6],表現(xiàn)為整個(gè)接觸層是由土壤顆粒和氣隙無(wú)規(guī)則排列組成的,減少實(shí)際接觸面積,造成收縮電阻的存在[7]。為了保證接地系統(tǒng)安全有效,接地電極表面的接觸電阻必須非常小,整個(gè)接地電阻的限值要求詳見(jiàn)表1。地面接觸電阻會(huì)隨氣候變化而變化,其中氣候變化帶來(lái)土壤濕度的變化是影響接觸電阻變化的主要因素,如在高溫下地面濕度降低會(huì)導(dǎo)致接觸電阻增加。此時(shí),如果能夠監(jiān)測(cè)土壤濕度的變化情況,并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)自動(dòng)判別是否需要調(diào)節(jié)土壤濕度,則可以達(dá)到調(diào)節(jié)接觸電阻值的目的。

本文在模擬試驗(yàn)室環(huán)境下建立一種接地系統(tǒng)模型,通過(guò)使用土壤濕度傳感器,接地電極和地下供水系統(tǒng)來(lái)測(cè)量和控制接地電阻。模型中采用直接法來(lái)測(cè)量接地電阻,施加于接地電極的電壓產(chǎn)生電流流過(guò)地面,從而計(jì)算出接地電阻值。如果接地電阻值不超過(guò)參考值(如防雷接地中10 Ω的參考限值),系統(tǒng)將繼續(xù)測(cè)量,否則系統(tǒng)將自動(dòng)控制并啟動(dòng)地下供水系統(tǒng),以增加土壤濕度,降低接地電阻。

2.1 模型建立

假設(shè)在一個(gè)無(wú)干擾的敞開(kāi)式實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下,對(duì)不同地區(qū)的地面情況,如濕度和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。土壤電阻率計(jì)算公式[8]:

ρ=2πrx

(1)

式中:ρ——土壤電阻率,Ω·m;

r——實(shí)測(cè)電阻值,Ω;

x——鉆孔深度,m。

當(dāng)有設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí),應(yīng)對(duì)所有的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行相同的計(jì)算,并引入季節(jié)系數(shù)進(jìn)行接地電阻測(cè)試。季節(jié)系數(shù)如表2所示。平均土壤電阻率計(jì)算:

(2)

式中:ρa(bǔ)vg——平均土壤電阻率,Ω·m;

k——季節(jié)系數(shù);

n——監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

表2 季節(jié)系數(shù)

接地電阻值計(jì)算式如下[9]:

R1=(ρ/1.915L)[ln(96L/d)-1]

(3)

式中:L——接地電極長(zhǎng)度,m;

d——接地電極直徑,m。

當(dāng)有多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí),式(3)中ρa(bǔ)vg代替ρ。

理論計(jì)算接地極直徑[10]:

(4)

式中:D——接地極直徑,m;

A——試驗(yàn)區(qū)域面積,m2。

分別在接地極附近土壤水平、垂直方向進(jìn)行接地電阻監(jiān)測(cè)、測(cè)量。水平接地電阻計(jì)算[10]:

(5)

垂直接地電阻計(jì)算:

(6)

綜合式(5)、式(6),得到等效接地電阻計(jì)算式:

(7)

2.2 模型結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)接地極相關(guān)參數(shù)的測(cè)量、計(jì)算,模型中控制終端根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的接地電阻限值條件(10 Ω)來(lái)判斷是否需要對(duì)土壤濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。模型結(jié)構(gòu)如圖3所示[11]。考慮到水的電阻特性和經(jīng)濟(jì)性,模型中調(diào)節(jié)土壤濕度通過(guò)在電極附近土壤釋放自來(lái)水來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)水閥2的開(kāi)啟來(lái)釋放蓄水池中的水,進(jìn)行土壤補(bǔ)水操作;蓄水池中的水通過(guò)自動(dòng)水閥1的連接,直接來(lái)自市政自來(lái)水管。模型系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測(cè)接地電阻變化情況,及時(shí)控制調(diào)節(jié)信號(hào)輸出,并在整個(gè)過(guò)程中把相關(guān)信息傳遞到人機(jī)交互界面(HMI)。

圖3 模型結(jié)構(gòu)

2.3 模型運(yùn)行流程

模型運(yùn)行流程如圖4所示。該模型流程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,一旦開(kāi)啟,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接地電阻變化,并根據(jù)與設(shè)置值的匹配比較,反饋輸出控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)土壤濕度及間接調(diào)節(jié)接地電阻值,以避免當(dāng)前實(shí)際接地電阻值與當(dāng)初設(shè)計(jì)值之間的巨大差異。模型系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí),如果增加接地電阻報(bào)警功能,還可通過(guò)HMI的信息進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在實(shí)際檢測(cè)工作中對(duì)接地電阻相關(guān)知識(shí)的了解,選取接地電極表面接觸電阻與附近土壤濕度之間的影響關(guān)系作為模型設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn),在理想實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,模擬設(shè)計(jì)接地電阻測(cè)量控制系統(tǒng)。當(dāng)氣候季節(jié)變化時(shí)(主要影響因素為土壤濕度變化),接地電阻會(huì)發(fā)生較大改變,模型設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)給接地電極附近土壤補(bǔ)水,以減小接地極接觸電阻。在實(shí)際工程應(yīng)用中,人們常常會(huì)通過(guò)一些措施來(lái)減小接觸電阻,如采用細(xì)土或降阻材料回填,并適量澆水夯實(shí);增大導(dǎo)體截面,用扁平導(dǎo)體代替圓柱導(dǎo)體等。

圖4 模型運(yùn)行流程