輸電線路桿塔沖擊接地阻抗測(cè)量

何云峰，趙若涵，張 榆，李建明

(1.廣元電業(yè)局，四川 廣元 628000;2.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039;3.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610016;4.四川電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

0 引言

隨著近年來電網(wǎng)向超高壓、大容量、遠(yuǎn)距離輸電方向的發(fā)展，對(duì)于接地系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行變得越來越重要。電力系統(tǒng)接地是直接關(guān)系到人身﹑設(shè)備和系統(tǒng)安全的重要問題，而輸電線路桿塔又是電力系統(tǒng)中分布最廣、遭受雷擊概率最高的電力設(shè)備，其接地阻抗的大小是影響雷擊跳閘率的主要因素之一。在雷電沖擊作用下，只有沖擊接地阻抗才能真實(shí)地反映桿塔接地狀況的好壞，加之當(dāng)前接地體長(zhǎng)度的增大和土壤電阻率的降低，電抗分量中的感性影響已不可忽略。而像傳統(tǒng)的搖表法，電壓-電流法、四極法等不能測(cè)量出地網(wǎng)中感性分量值。

對(duì)沖擊電流下輸電線路桿塔的接地阻抗特性進(jìn)行了論述，并選取其中4種影響沖擊接地阻抗感性分量的因素做了圖表分析，最后利用基于沖擊接地法的頻譜法分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)和巴中江城輸電線路部分桿塔接地體的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了理想的測(cè)量效果。實(shí)踐表明該方法對(duì)今后接地阻抗的測(cè)量工作有指導(dǎo)性意義。

1 接地電阻與接地阻抗的差異

通常所說的接地電阻并不是接地裝置的純電阻，而是含有電抗分量在內(nèi)的接地阻抗。工頻電流向大地散流時(shí)，接地網(wǎng)的感性分量占接地阻抗的比例較小，一般就將接地阻抗稱為接地電阻。但在接地體較長(zhǎng)、土壤電阻率較低的情況下發(fā)生高頻沖擊電流放電時(shí)，接地阻抗中的感性分量就不可忽略，稱為沖擊接地阻抗或接地阻抗。

沖擊接地阻抗區(qū)別于工頻接地阻抗的特性如下。

①由于沖擊電流本質(zhì)是高頻高幅沖擊波，所以拋除引下線、接地極、接觸電阻、土壤雜散電阻等固有電阻的影響外，接地體電感和對(duì)地電容對(duì)沖擊阻抗的影響已變得越來越明顯。其取決于接地裝置的規(guī)模、電流注入點(diǎn)的位置、接地體的結(jié)構(gòu)、沖擊電流的波形和幅值等。也正由于如此多的因素作用沖擊阻抗，所以高頻大電流下的接地體表現(xiàn)出明顯的非線性時(shí)變特性，使得傳統(tǒng)測(cè)量方法不能有效的測(cè)量沖擊接地阻抗。

②不同于工頻接地阻抗下的電性能參數(shù)和可以近似為常數(shù)，沖擊電流下的這兩個(gè)參數(shù)在很大程度上向減小的方向變化。

③沖擊電流作用下，接地極附近電場(chǎng)強(qiáng)度很大，會(huì)發(fā)生局部放電，即火花放電，這相當(dāng)于增大了接地極的有效散流直徑。

④由于沖擊電流的頻率很高，很大的導(dǎo)體感抗阻礙沖擊電流向接地體的遠(yuǎn)端流動(dòng)，接地體沒有被充分利用。

2 感性分量對(duì)沖擊特性的重要影響

接地阻抗的感性分量一般以阻抗角來表示。改變影響接地阻抗的各種因素進(jìn)行模擬計(jì)算，了解這些因素對(duì)接地阻抗角的影響程度?，F(xiàn)選其中的土壤電阻率、接地體長(zhǎng)度和電流注入點(diǎn)3種因素進(jìn)行圖表分析。

如圖1所示?？梢钥闯鲭S土壤電阻率的減小，接地網(wǎng)感抗的影響越來越明顯，沖擊接地阻抗也越大。

圖1 土壤電阻率對(duì)沖擊接地阻抗的影響

圖2所示為接地網(wǎng)面積對(duì)接地阻抗的影響［1］。由圖2可知，隨接地體長(zhǎng)度的增大，沖擊接地阻抗減小得越來越慢。這是由于接地體的感性作用使得接地極附近的電壓降很大，電流被限制在一個(gè)有限的長(zhǎng)度內(nèi)散流，沒有充分利用整個(gè)接地體。

圖3是電流注入點(diǎn)對(duì)沖擊接地阻抗的影響。對(duì)于同一接地體，端部注入的沖擊接地阻抗比中心注入的值要高得多。這是因?yàn)閺亩瞬恳霙_擊電流時(shí)，由于其感性作用的影響，將明顯阻礙電流向遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)，使得接地體得不到充分利用。

由上述圖表可知，接地阻抗的概念是包含電感性分量的復(fù)阻抗，它對(duì)輸電線路桿塔接地裝置有很重要實(shí)際意義;隨著接地體長(zhǎng)度的增加，土壤電阻率的降低和接地極自身的原因，接地阻抗中感性分量的影響已越來越大，沖擊電流下的接地體必須考慮感性作用的影響。

圖2 沖擊接地阻抗與接地體長(zhǎng)度的關(guān)系

圖3 電流注入點(diǎn)對(duì)沖擊接地阻抗的影響

3 輸電線路桿塔接地裝置的沖擊特性

可知，雷擊塔頂時(shí)，塔頂電位Vt=(1-β)R1i+，即雷擊塔頂時(shí)，塔頂電位與沖擊接地電阻R1密切相關(guān)。在其它因素一定時(shí)，R1越小，Vt也就越小，線路反擊閃絡(luò)的概率也就越低。因此在線路桿塔的設(shè)計(jì)中，線路桿塔接地裝置的沖擊接地電阻取值，直接影響到線路的防雷效果。

接地裝置沖擊特性試驗(yàn)研究方法分為真型試驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)。真型試驗(yàn)是對(duì)實(shí)際中采用的接地裝置進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以直接得到接地裝置的真實(shí)的沖擊特性。但在技術(shù)上改變與接地裝置有關(guān)的參數(shù)，如改變土壤的電阻率等也是不可能的，很難對(duì)接地極進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究。模擬試驗(yàn)很容易改變土壤電阻率、接地裝置的幾何尺寸、雷電流參數(shù)及接地裝置的埋深等相關(guān)參數(shù)，可嚴(yán)格控制住試驗(yàn)對(duì)象的主要參數(shù)而不受外界條件的影響，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果及反映的規(guī)律比較準(zhǔn)確。國內(nèi)外的研究表明，如果嚴(yán)格按照模擬實(shí)驗(yàn)的理論來進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果是比較準(zhǔn)確的，基本是可信的［1］。

表2 接地阻抗桿塔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值

雷電流流經(jīng)接地裝置，在地中的散流是相當(dāng)復(fù)雜的。不僅接地裝置的沖擊特性與其結(jié)構(gòu)尺寸、土壤電阻率、接地裝置的埋深及雷電流參數(shù)等因素有關(guān)，而且頻率很高的雷電流在地中散流時(shí)，電荷具有宏觀的運(yùn)動(dòng)特性，它們?cè)诳臻g的分布隨時(shí)間的變化而變化，具有時(shí)變場(chǎng)的特性，其暫態(tài)過程要用理論分析的方法來進(jìn)行研究是比較困難的。到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多關(guān)于接地極沖擊特性的研究。但都是基于一些假設(shè)條件下，對(duì)于一些比較簡(jiǎn)單的水平接地極和垂直接地極建立了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，如大多沒有考慮火花效應(yīng)，顯然這些研究得到的結(jié)論只能是接地極沖擊特性的近似估計(jì)。

4 輸電線路桿塔實(shí)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

沖擊電流法測(cè)量接地電阻是采用沖擊電流發(fā)生器模擬雷電流，產(chǎn)生最大幅值2 kV、波頭時(shí)間低于10～70 μs、放電時(shí)間的沖擊電流，作為測(cè)試電流注入接地體，數(shù)據(jù)采集裝置經(jīng)測(cè)量回路得到接地體電壓、電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析。由頻譜法算出的數(shù)值與實(shí)際數(shù)據(jù)的比較如表1所示

表1 接地阻抗實(shí)驗(yàn)測(cè)量值

用沖擊電流法實(shí)測(cè)110 kV輸電線路桿塔沖擊接地阻抗時(shí)得到電壓和電流波形(圖4)。由電壓和電流波形可以看到桿塔放電波形良好，電壓波形高頻震蕩時(shí)間較長(zhǎng)，電流上升沿時(shí)間只有1μs，且放電時(shí)間很長(zhǎng)，接近5000 μs。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)基本判斷為:桿塔接地電阻合格，但是接地網(wǎng)受限地形影響造成沖擊阻抗較大。

圖4 沖擊電流法測(cè)量桿塔接地阻抗時(shí)的電壓電流波形

對(duì)四川巴中的部分線路桿塔進(jìn)行了接地阻抗參數(shù)測(cè)量。這條線路是三江水電站送往巴中城區(qū)的江城輸電線路，該線路已建成20多年，線路桿塔的接地存在著不同程度的問題，因此這條線路很有典型性，用基于沖擊電流法的頻譜法進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。得到的接地參數(shù)如表2。

從表2可以看出，沖擊電流法測(cè)出的沖擊接地電阻值比接地體的純阻抗值都要大，而桿塔接地體的純電阻值與其工頻接地阻抗值相差很小，可近似等于工頻接地阻抗值。一般理論上桿塔的沖擊系數(shù)α小于1，即沖擊接地電阻應(yīng)比工頻接地阻抗小，但實(shí)驗(yàn)所測(cè)結(jié)果相反。桿塔的沖擊接地電阻的大小受土壤火花放電和接地體自身電感的影響，小沖擊電流測(cè)量時(shí)電感效應(yīng)超過火花效應(yīng)，沖擊電流大時(shí)火化效應(yīng)超過電感效應(yīng)。從測(cè)量結(jié)果看，接地體自身電感的影響導(dǎo)致沖擊接地電阻的變大。

5 結(jié)語

(1)接地阻抗的概念是包含電感性分量的復(fù)阻抗，它對(duì)輸電線路桿塔接地裝置有很重要的實(shí)際意義;而隨桿塔接地體長(zhǎng)度的增大以及土壤電阻率的降低，接地阻抗中感性分量的作用越來越明顯，輸電線路桿塔接地裝置必須考慮其感性作用。在桿塔接地存在不同程度腐蝕的情況下，沖擊接地阻抗比工頻接地阻抗大。此時(shí)，不能把桿塔接地體看作單一的集中接地體，而是要考慮沖擊電流流過時(shí)的波過程，電感對(duì)沖擊接地電阻的影響顯然比土壤火花放電的影響要大。

(2)頻譜法可利用兩個(gè)頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將接地阻抗的阻性和感性分量分別求得，并且通過頻域內(nèi)計(jì)算有效的避免電壓電流數(shù)據(jù)采集不同時(shí)帶來的麻煩。缺點(diǎn)是傅里葉變換會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏而導(dǎo)致誤差。另外，其計(jì)算精度需要通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

［1］崔宇，李建明，戴玉松.基于沖擊電流法測(cè)量接地電阻的裝置［J］.電力學(xué)報(bào)，2009(4):299-302.

［2］李建明，朱康.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法［M］.北京:中國電力出版社，2001.

［3］孫家營.桿塔沖擊接地阻抗測(cè)量系統(tǒng)的研制［D］.成都:西華大學(xué)，2007.

［4］張振軍.用沖擊電流法測(cè)量接地網(wǎng)阻抗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.成都:西華大學(xué)，2008.

［5］DL 475-92，接地裝置工頻特性參數(shù)的測(cè)量導(dǎo)則［S］.

［6］孫家營，戴玉松，等，沖擊電流法測(cè)量接地電阻研究［C］.中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)第九屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2006.

［7］Che Yunping，Zha Xiaoming，Zhao Lei.The Measurement of Impulse Grounding Resistance and Inductance of Grounding Network［C］.IEEE.Catalogue No:98EX137，1998.