引線間互感對接地電阻測量結果的影響分析

李秀英 王輝

摘 要：在實際的測量過程中，引線間的互感很大，造成的測量誤差有可能超過100%，因此課題對接地電阻和引線間互感值進行分析，探究了影響測量誤差的三個主要因素——土壤電阻率、接地網(wǎng)的面積以及測量引線間距對測量接地電阻時結果的影響。

關鍵詞：接地電阻;引線間互感;測量誤差

電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，入地電流為交流電流，決定接地網(wǎng)電位升高的參數(shù)值即接地電阻的表達式為Z=R+jωL，其中Z為接地阻抗值的直流分量，L為感性分量，ω為注入電流角頻率。而測量值為Z=R+jωL+jωM，其中M為測量引線之間的互感。對于大型的接地網(wǎng)，如果在土壤電阻率低的地區(qū)，R值一般都很小，而接地網(wǎng)的尺寸較大時，最大對角線很長，測量引線也需要較長，所以在實際的測量過程中，引線間的互感很大，造成的測量誤差有可能超過100%。曾經(jīng)在某個500KV變電站的接地電阻測量時，出現(xiàn)接地阻抗的感性分量時阻性分量的2.7倍的情況。

課題將會根據(jù)計算所得接地電阻和引線間互感值進行分析，探究影響測量誤差的三個主要因素——土壤電阻率，接地網(wǎng)的面積以及測量引線間距對測量接地電阻時結果的影響。

1 引線間互感對接地電阻測量結果的影響分析

1.1 土壤電阻率對測量誤差的影響

土壤是一種復雜的復合物質(zhì)，正土壤中含有水分、鹽分、氣體、以及沙粒等物質(zhì)。自然界中有機物的腐敗、和一些在動植物尸體、風化后的沙粒還有一些難以分解的垃圾顆粒會組成土壤中的固體部分，土壤中還含有一部分水以及水分溶解后的鹽溶液，土壤間隙之間也存在空氣氣體成分。了解土壤的內(nèi)部結構，對于了解土壤的沖擊特性具有良好的輔助作用。根據(jù)研究表明，土壤內(nèi)部結構之間的空氣間隙形狀規(guī)則大小不一，土壤內(nèi)部固體顆粒表面的粗糙度相差甚別，這也導致了土壤內(nèi)部顆粒之間的氣隙電場強度較高。

接地網(wǎng)的接地阻抗是指當電流由接地網(wǎng)流入大地時，接地網(wǎng)周圍的土壤形成了阻抗，等于注入電流點相對于零電位的電壓與注入電流大小的比值。利用COMSOL建立接地網(wǎng)模型從而計算接地網(wǎng)電阻的方法，在地網(wǎng)的中心放置點電流源，模擬注入接地網(wǎng)短路電流，即可測得該點的電位升高值，由歐姆定理，即可計算出接地阻抗的直流分量R的大小。

對于一個尺寸大小已知的接地網(wǎng)，測量接地電阻時，隨著土壤電阻率的增大，接地電阻會越來越大。因此，通過對比不同土壤電阻率情況下的接地電阻值，分析接地電阻隨土壤電阻率的變化而變化的折線圖，就可以驗證前面的結論。

考慮到實際情況，接地網(wǎng)的邊長尺寸一般不會超過100m，仿真時采用邊長為50m的田字形接地網(wǎng)，材料為電阻率為1.7×10-7Ω.m的扁鋼，尺寸為50×0.05×0.005m，間距10m。

接地電阻和引線間互感在接地網(wǎng)的邊長為50m時，與土壤電阻率的變化關系如折線圖1。

通過仿真實驗，在已知接地網(wǎng)尺寸大小的情況下，改變土壤電阻率的大小，可得圖1，可計算得出不同土壤電阻率的情況下的測量誤差。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：對于已知尺寸大小的接地網(wǎng)，接地電阻隨著土壤電阻率的增大而增大。由Rogers法的推導過程可知，土壤電阻率對互感的大小影響不大，需要經(jīng)過一次開方和對數(shù)運算，而由仿真數(shù)據(jù)可知土壤電阻率對接地電阻的影響很大。對于土壤電阻率較大的地區(qū)，接地電阻較大，引線間互感變化不大，呈略微上升趨勢。因為隨著土壤電阻率的增大，接地電阻的變化趨勢明顯高于引線間互感的大小，所以接地阻抗中感性分量將會隨著土壤電阻率的增大越來越小。所以對于土壤電阻率較大的地區(qū)，引線間互感對測量誤差的影響較小，為了減少不必要的工作量，可以不用考慮引線間互感對測量結果的影響，然而對于土壤電阻率較小的地區(qū)，必須采取措施消除互感。

1.2 接地網(wǎng)面積對測量誤差的影響

對于一個土壤電阻率已知的接地網(wǎng)，測量接地電阻時，隨著接地網(wǎng)尺寸的增大，接地電阻會越來越小。因此，通過對比不同大小的接地網(wǎng)的接地電阻值，分析接地電阻隨接地網(wǎng)尺寸的變化而變化的折線圖，就可以驗證前面的結論，接地電阻及引線間互感與接地網(wǎng)邊長的變化關系如圖2。

考慮到實際情況，取土壤電阻率為80Ω.m時為例進行分析，接地電阻隨著地網(wǎng)尺寸的變化而變化的數(shù)據(jù)，根據(jù)仿真實驗，在已知土壤電阻率的情況下，改變接地網(wǎng)尺寸大小，可計算得出不同土壤電阻率情況下的測量誤差。所以對于尺寸較小的接地網(wǎng)，引線間互感對測量誤差的影響較小，為了減少不必要的工作量，可以不用考慮引線間互感對測量結果的影響，然而對于尺寸較大的接地網(wǎng)，必須采取措施消除互感。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，接地網(wǎng)邊長大小對互感的大小影響較大，并且可以看出接地網(wǎng)尺寸對接地電阻的影響也很大。對于邊長較大的接地網(wǎng)，接地電阻小，引線間互感較大，隨著邊長的增大呈上升趨勢。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：對于已知土壤電阻率的接地網(wǎng)，接地電阻隨著接地網(wǎng)的尺寸的增大而減小。因為隨著接地網(wǎng)邊長的增大，接地電阻的變化呈下降趨勢，而引線間互感在減小，所以接地阻抗中感性分量將會隨著土壤電阻率的增大越來越大。

1.3 需要考慮引線間互感與否的界限的確定

根據(jù)Rogers法可以計算出測量接地電阻時各種引線間互感的大小，結合仿真實驗所得出的接地電阻值，即可計算出接地阻抗的大小。比較分析不同的接地網(wǎng)尺寸時，隨著土壤電阻率的變化，感性分量在接地阻抗測量過程中造成的測量誤差小于5%時，可以忽略引線間互感對測量結果的影響，有效地減少了不必要的工作量，提高了科學研究和實際工程中的工作效率。圖3為引線間距1m時測量誤差為5%的曲線。

當測量引線之間的距離為1m時，不同情況下的測量誤差進行仿真。通過可以發(fā)現(xiàn)：當引線間距較小，并且土壤電阻率較小的地區(qū)，隨著接地網(wǎng)面積的增大，感性分量造成的測量誤差很可能超過5%，感性分量甚至可以達到阻性分量的50多倍，這時必須要考慮采用合適的測量方法來消除互感的影響減小誤差。然而對于土壤電阻率較大的地區(qū)，如果接地網(wǎng)的邊長較小，引線間互感較小，感性分量所占比重較小，造成的測量誤差小于5%，這時為了減少不必要的工作量，提高工作效率，可以不考慮測量引線之間互感對接地電阻測量過程所造成的影響。

2 結論

對接地電阻和引線間互感值進行分析，探究了影響測量誤差的三個主要因素——土壤電阻率，接地網(wǎng)的面積以及測量引線間距對測量接地電阻時結果的影響。由仿真計算所得數(shù)據(jù)可知，當接地網(wǎng)的尺寸一定時，隨著土壤電阻率的增大，接地電阻會越來越大;當土壤電阻率一定時，隨著接地網(wǎng)尺寸的增大，接地電阻會越來越小;隨著測量引線間距增大，測量互感會越來越小。當進行接地電阻的測量時，為了減少不必要的工作量，當感性分量在接地阻抗測量時造成的誤差低于5%時，不必考慮互感的影響，通過對仿真數(shù)據(jù)的分析，課題得出了測量時需要考慮互感影響的范圍。

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