魏福程

（天津農(nóng)學(xué)院，天津 300384）

一般來(lái)說(shuō)，沖擊接地阻抗是一個(gè)復(fù)數(shù)，是電阻、電感、電容中能夠?qū)拥仉娐份d流強(qiáng)度造成影響的分量電流總和。

目前試驗(yàn)用的各種測(cè)量接地電阻的方法及設(shè)備主要是測(cè)量工頻接地阻抗，而長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)表明桿塔、發(fā)電廠、變電站的接地裝置接收最多的是雷電流。由于雷電流是波頭很陡，包含頻率極其豐富的瞬時(shí)單脈沖沖擊波，所以需要采用沖擊電流測(cè)試方法對(duì)接地系統(tǒng)的接地阻抗進(jìn)行測(cè)試。

1 變電站接地網(wǎng)工頻接地電阻測(cè)試

變電站接地網(wǎng)對(duì)工頻接地網(wǎng)絡(luò)具有重要的保護(hù)作用，在接地網(wǎng)電阻值較大的情況下，接地故障發(fā)生時(shí)的常態(tài)相與中間節(jié)點(diǎn)上的電壓強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備的外部絕緣保護(hù)層會(huì)損壞；在遭受雷擊的過(guò)程中，電流會(huì)在瞬間增高，進(jìn)而使線路上的瞬時(shí)電壓過(guò)大，引發(fā)設(shè)備故障，危及運(yùn)行人員安全。因此，定期檢測(cè)變電站地網(wǎng)的接地電阻，評(píng)估變電站地網(wǎng)的接地水平，探究變電站地網(wǎng)沖擊電流作用下的響應(yīng)特性，對(duì)保障變電站的運(yùn)行安全具有重要意義。

本文重在探索變電站地網(wǎng)和輸電線路桿塔的沖擊特性，以其揭示沖擊接地電阻和沖擊系數(shù)的一般變化規(guī)律，為實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的理論參考。

1.1 接地電阻測(cè)試方法

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，電流極的布設(shè)位置越遠(yuǎn)越好，在常規(guī)情況下，電流極與被監(jiān)測(cè)的接地裝置間距為d12，值數(shù)應(yīng)當(dāng)在被測(cè)試接地裝置對(duì)角線長(zhǎng)度D的4 倍以上。如果土壤中的電阻率呈現(xiàn)出均勻分布狀態(tài)，應(yīng)取值2 倍以上。電壓極上的電線長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)為電流極引線長(zhǎng)度的0.618 倍。

1.1.1 電位降法

基于電位降法的接地裝置電阻測(cè)試回路如圖1所示。

圖1 電位降法測(cè)試接地裝置的接地電阻

在圖中，G表示被測(cè)接地裝置，C表示電流極，P表示電壓極，D表示接地裝置最大角線長(zhǎng)度。dCG為電流極與接地裝置之間的間隔距離。而X則是電壓極與接地裝置的間隔距離。[1]D為每次測(cè)試的間隔距離長(zhǎng)度。

在被測(cè)量的接地裝置G 與C 電流極上的電流I 在變化的過(guò)程中，地面電位也會(huì)同步變化，電壓極P 與G裝置的間隔長(zhǎng)度上的電流回路移動(dòng)傾斜角為30°～45°，兩次測(cè)量的間隔時(shí)長(zhǎng)為d（d=50m、100m），在完成P與G的電位差測(cè)量后，構(gòu)建測(cè)量結(jié)果U 與x之間的相關(guān)性變化曲線，將曲線最平坦的區(qū)域定義為零點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)。曲線點(diǎn)為之間的點(diǎn)位，是在試驗(yàn)電流與接地裝置對(duì)接后產(chǎn)生的U。由此可將接地網(wǎng)的阻抗值定義為Z=Um/I。

1.1.2 接地電阻測(cè)試儀法

圖2 為接地電阻測(cè)試儀測(cè)量接地裝置接地電阻的接線方法，測(cè)試原理、布線要求與三極法類似。在測(cè)試之前，測(cè)試儀上的端子E需要與端子P1連接，但地網(wǎng)接在接地電阻值較小的情況下，為保障測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)適當(dāng)放開(kāi)對(duì)端子E與端子P之間的短路片，盡量降低儀器與接地網(wǎng)對(duì)引線電阻產(chǎn)生的影響，并單獨(dú)引線與地網(wǎng)測(cè)試點(diǎn)相連。

圖2 接地電阻測(cè)試儀接線圖

1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

對(duì)變電站地網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先解開(kāi)架空地線與地網(wǎng)的連接螺栓。測(cè)試是通過(guò)采用電流-電壓法測(cè)量地網(wǎng)接地電阻，為了保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，我們選擇了較遠(yuǎn)距離進(jìn)行測(cè)試。[2]我們用6mm2電流線對(duì)所有線路進(jìn)行包裹處理，然后從測(cè)量引入點(diǎn)開(kāi)始布設(shè)線路直至變電站門(mén)前。為了減小接地電阻，我們利用了路邊的水洼作為電流極的位置。電流極與地網(wǎng)邊緣的距離為d12≈0.76km=4.31D（電壓極和電流極的布線距離不小于地網(wǎng)最大對(duì)角線長(zhǎng)度的4 倍）。電壓線選用花線進(jìn)行人工布線，從測(cè)量引入點(diǎn)接出從站門(mén)前引出，布放至電壓極，電壓極用一根直徑24mm、長(zhǎng)約1.5m 的鍍鋅圓鋼打入地下，電壓極與變電站地網(wǎng)邊緣的間隔距離長(zhǎng)度為d13≈0.8km=4.54D。電流線與電壓極之間的夾角度數(shù)為116°。

由于我們采用了遠(yuǎn)離法來(lái)處理相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此有必要根據(jù)《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》里的計(jì)算方式來(lái)調(diào)整我們的測(cè)定成果，[3]以便使其符合接地網(wǎng)絡(luò)的電阻測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)：即測(cè)定數(shù)值和修正因子相乘得到的結(jié)果是1/0.8436。本研究遵循了DL/T475-2006《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》所設(shè)定的準(zhǔn)則，[4]并選擇了使用50Hz 的電流測(cè)量方法作為測(cè)量的手段。測(cè)量原理如圖3 所示。

圖3 類工頻小電流法測(cè)量原理接線圖

圖3 中：S1表示開(kāi)關(guān)，A 表示選頻電流表，V 表示高內(nèi)阻電壓表。

1.3 測(cè)試結(jié)果及分析

按照前面測(cè)量方案得對(duì)變電站地網(wǎng)工頻接地電阻進(jìn)行測(cè)量后得出的結(jié)果見(jiàn)表1 所示。

表1 工頻接地電阻測(cè)量結(jié)果

對(duì)施加工頻的小電流遠(yuǎn)距離測(cè)量結(jié)果進(jìn)行觀察，我們能夠得出以下的結(jié)論：

1.使用8000 型工頻接地網(wǎng)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試，當(dāng)測(cè)試的工頻為47Hz、53Hz、48Hz 和52Hz 時(shí)，干擾電壓值為0，信噪比達(dá)到了理想水平。只需增加8A 的電流，就能提升測(cè)量結(jié)果的精確度。[5]

2.電網(wǎng)的阻抗值與頻率相關(guān)的電感部分之間有著明顯的聯(lián)系。如果使用偏差超過(guò)50Hz 的工頻測(cè)量規(guī)則來(lái)測(cè)量電流強(qiáng)度，必定會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。因此，需要采用對(duì)稱頻率來(lái)優(yōu)化測(cè)量過(guò)程，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

從表1 中可以看出，在小測(cè)量電流增加47Hz、53Hz、48Hz、52Hz 之后，測(cè)量的電阻值較為穩(wěn)定。為嚴(yán)格起見(jiàn)，選取0.538Ω 作為接地網(wǎng)等效的工頻接地電阻測(cè)量值。

1.4 場(chǎng)測(cè)試方案

變電站地網(wǎng)沖擊接地電阻的測(cè)試回路如圖4 所示。選取地網(wǎng)中心點(diǎn)作為沖擊注流點(diǎn)，回流點(diǎn)在變電站邊緣150m 處。電壓參考點(diǎn)選取距離場(chǎng)地300m 處的遠(yuǎn)方，作為公共參考地。整個(gè)沖擊回路除與注流極、回流極連接外，其余全部浮地。因?yàn)闆_擊過(guò)程中的電流發(fā)生器并未與其他線路對(duì)接，由此可以將其視為接地網(wǎng)與回流電極之間的沖擊電流。[6]

對(duì)各測(cè)量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，電阻分壓器的有效分壓比值為1195.35，標(biāo)準(zhǔn)公開(kāi)電壓為200kV；線圈為Rogowski、最大靈敏度為101.416A/V；對(duì)示波器的檢測(cè)目標(biāo)主要是電流與電壓的強(qiáng)度，檢測(cè)數(shù)量為兩個(gè)，示波器型號(hào)為T(mén)ek2024，最大帶寬范圍為200MHz。

沖擊發(fā)生器采用便攜式?jīng)_擊發(fā)生器，可產(chǎn)生波為2.6μs 的標(biāo)準(zhǔn)流波形。由蓄電池配合逆變器對(duì)發(fā)生器電容進(jìn)行充電，試驗(yàn)電壓等級(jí)依次為30kV，45kV，60kV。[7]

1.5 測(cè)試結(jié)果及分析

按照測(cè)試方案對(duì)變電站地網(wǎng)進(jìn)行沖擊接地電阻測(cè)試。由測(cè)試結(jié)果可以看出：

在變電站地網(wǎng)上施加沖擊電壓，地網(wǎng)電壓和電流波形整體上呈現(xiàn)振蕩衰減，這是因?yàn)樽冸娬窘拥鼐W(wǎng)面積較大，等效的對(duì)地電容和線路電感構(gòu)成振蕩回路，在沖擊電壓作用下構(gòu)成LC振蕩回路，從而使得地網(wǎng)電壓和電流出現(xiàn)振蕩。本文選取第一個(gè)半周波的沖擊電壓和電流波形數(shù)據(jù)作為變電站地網(wǎng)沖擊接地電阻的計(jì)算數(shù)據(jù)。

在測(cè)得之前，應(yīng)首先將接地線與接地裝置分離，對(duì)需要檢測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行清潔處理。然后在場(chǎng)地中安裝4根長(zhǎng)度為1m 的正方形接地極，每根接地極的埋設(shè)深度為1m，直徑為50mm。

沖擊電流發(fā)生器與接地線路對(duì)接，負(fù)極接地極數(shù)量為4 根，組合后形成電流回流結(jié)構(gòu)，整個(gè)沖擊回路除與注流極、回流極連接外，其余全部浮地。測(cè)試過(guò)程中的沖擊電流發(fā)生器并未與其他線路對(duì)接，由此可以認(rèn)定被監(jiān)測(cè)接地體和回流極中的沖擊電流強(qiáng)度一致，但相位不同。[8]

1.6 測(cè)試結(jié)果及分析

按照測(cè)試方案，對(duì)所選桿塔進(jìn)行沖擊接地電阻測(cè)量。對(duì)比不同幅值沖擊電壓，沖擊電流下的沖擊系數(shù)的變化，可以發(fā)現(xiàn)：

1.在本文測(cè)試條件下，輸電線路桿塔接地體的沖擊接地電阻均大于工頻接地電阻，即沖擊系數(shù)均大于1。這是因?yàn)闂U塔接地體在沖擊電流作用下表現(xiàn)出了較強(qiáng)的電感效應(yīng)，從而使得沖擊電流作用下的電位升高于工頻電流。[9]

2.相比于變電站地網(wǎng)的沖擊接地電阻測(cè)試，由于變電站接地網(wǎng)面積較大，相應(yīng)的電感效應(yīng)強(qiáng)于輸電線路桿塔接地體，因此變電站地網(wǎng)的沖擊系數(shù)整體上大于桿塔接地體，測(cè)試得到的沖擊系數(shù)（3 左右）遠(yuǎn)大于輸電線路桿塔接地裝置的沖擊系數(shù)（略大于1）。

3.輸出電路桿塔接地體的沖擊系數(shù)整體上隨沖擊電流幅值的增加而略微減小。這說(shuō)明所測(cè)試的桿塔接地體在沖擊電流作用下產(chǎn)生了部分電離，從而一定程度上使沖擊接地電阻減小。

4.為更深入地研究這一性質(zhì)，后續(xù)的研究需要利用大型沖擊發(fā)生器來(lái)開(kāi)展，以突破便攜式?jīng)_擊發(fā)生器的輸出功率限制，從而更全面地反映接地裝置在沖擊電流作用下的響應(yīng)特性。[10]