桿塔接地體沖擊特性試驗研究

孫西寧，高振國，李冠華

（1.沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.遼寧省電力科學(xué)研究院 設(shè)備狀態(tài)評價中心，遼寧 沈陽 110006）

1 測試原理

1.1 工頻電阻測試原理

接地電阻表示由接地極至無窮遠(yuǎn)距離的所有土壤中的電阻總和。測量階段引線難以實現(xiàn)向無窮遠(yuǎn)處延伸，然而將輔助電極引入測量回路內(nèi)會導(dǎo)致土壤中散流的變化從而影響地電位分布[1-2]。實際測量階段要將輔助電極產(chǎn)生的干擾考慮在內(nèi)，輔助電極對地網(wǎng)外地面電位的影響與其和接地網(wǎng)的距離有直接關(guān)系。因此，在設(shè)計電流電極距離時，長度越長，效果越好。

三極法是目前最常用的工頻接地電阻測量方法[3]，接線方式如圖1 所示。三極法在測量接地電阻時，首先假定被測接地網(wǎng)為半球形電極，測量時引入電流極和電壓極，把二者當(dāng)作點電極，a表示選擇半球形接地電極G 的半徑值，以ac為半徑的半球代替電流極C，由G位置流入電流I，由C位置流出，按照疊加原理，位于CG連線任一點x的電位表示為

圖1 三極法測接地電阻接線

在CG 連線上，當(dāng)DxG=DxC時，Vx=0；當(dāng)DxG＜DxC時，Vx的值為正，若DxG值降低則相應(yīng)的Vx值升高，x降低至靠近表面位置后，也就是DxG=a，DxC=DGC-a時，VG值可以達到最高值，可表示為

式中，R0=ρ/2πa。

在DxG＞DxC的情況下，Vx是負(fù)值，會隨著DxG的增大而減小。當(dāng)DxG=DGC-ac，DxC=ac時，VG可達負(fù)的最大值，可表示為

電壓極P 沿GC 連線的方向移動，此時接地電極G的電流I使GP兩點間出現(xiàn)的電位差為

而電流極C 的電流使GP 兩點間出現(xiàn)的電位差為

因此，用電壓表量出的GP間的電壓將為

由此測得的電阻值R為

但半球形接地電阻的實際值為

可見，要使測得的接地電阻R符合R0，必須使

1.2 沖擊接地電阻測試原理

利用沖擊電流發(fā)生器生成波頭較陡的沖擊電流，該電流通過地網(wǎng)向大地流入，使用采集裝置對接地網(wǎng)中的電壓與電流數(shù)據(jù)進行采集，再采用計算機軟件直接處理已采集的數(shù)據(jù)即可計算出電阻值。沖擊電流中具有多個不同高頻電流分量，計算接地電阻時可以在多個不同頻率下完成，可降低工頻干擾問題[4]。

接地體的沖擊接地電阻測試同樣需要采用工頻接地電阻測試的測試回路，布線方法和基本原理與工頻接地電阻測試相同。它們之間的區(qū)別是在沖擊接地電阻測試時需要將工頻測試電源替換為沖擊電源，通過采集注入接地體的響應(yīng)電壓與沖擊電流形成波形信息，經(jīng)過計算后獲得接地體沖擊接地電阻值。

由于當(dāng)前測試條件的限制，國內(nèi)學(xué)者提出一種基于卷積計算的接地體沖擊接地電阻折算方法。該方法基于接地體沖擊特性測試的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，利用接地體的等效網(wǎng)絡(luò)不變性得到標(biāo)準(zhǔn)雷電流作用下的響應(yīng)電壓波形，進而得到標(biāo)準(zhǔn)雷電流作用下的沖擊接地電阻值[5]。

2 工頻接地阻抗測試

2.1 測試方案

選取某220 kV 輸電線路桿塔進行測試，接地體為方形帶射線結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 桿塔接地體測試的布線走向

2.2 工頻接地電阻測試結(jié)果

根據(jù)測量方案分別對220 kV 線路的1#桿塔、2#桿塔以及3#桿塔和4#桿塔的接地體裝置進行工頻接地電阻測試。搖表型號為ZC-8，布線方式d12=20 m，d13=40 m。為了使地中電流分布均勻，測試布線方向與塔底基座垂直，即α=0°。為降低測量誤差，對單基桿塔共進行了3 次測試，取其平均值作為本次測量的結(jié)果。桿塔接地體的工頻接地電阻測量結(jié)果如表1所示。

表1 桿塔接地裝置接地阻抗測量結(jié)果

3 沖擊特性測試

3.1 現(xiàn)場測試方案

桿塔接地體的沖擊接地電阻測試的現(xiàn)場布置如圖3 所示。在場地一端將4 根圓鋼以垂直方式接地，進入深度為1 m，圓鋼直徑為50 mm，作為本實驗內(nèi)的電流回流裝置，4 根垂直接地極以4 邊為1 m的正方形排列。

圖3 沖擊試驗現(xiàn)場布置

桿塔接地網(wǎng)沖擊接地電阻的測試回路如圖4所示。選取地網(wǎng)中心點作為沖擊注流點，回流點在變電站邊緣150 m 處。電壓參考點選取距離場地300 m處的遠(yuǎn)方，作為公共參考地。整個沖擊回路除與注流極、回流極連接外，其余全部浮地。沖擊電流發(fā)生器無其他連接線，這時可以看作向回流極與被測接地體注入的沖擊電流幅值相同，差異在于相位相反。

圖4 沖擊回路布線

對各測量設(shè)備進行校準(zhǔn)，分壓器以電阻分壓器為主，采用200 kV額定電壓與1 195.35的分壓比，選擇靈敏度為101.416 A/V 的Rogowski 線圈，安裝兩個示波器，使用200 MHz帶寬對電壓與電流值測量。

采用便攜式?jīng)_擊發(fā)生器，可產(chǎn)生波頭為2.6 μs的標(biāo)準(zhǔn)流波形。由蓄電池配合逆變器對發(fā)生器電容進行充電，試驗電壓等級依次為30 kV、45 kV和60 kV。

3.2 沖擊接地電阻測試結(jié)果

對1#桿塔進行沖擊接地電阻測量所得輸電線路桿塔接地裝置沖擊電壓波形和沖擊電流波形分別如圖5～圖7 所示。1#～4#桿塔接地裝置的測試結(jié)果如表2所示。

圖5 充電電壓30 kV測試結(jié)果

圖6 充電電壓45 kV測試結(jié)果

圖7 充電電壓60 kV測試結(jié)果

表2 桿塔接地裝置沖擊阻抗測量值

表2 （續(xù)）

4 結(jié)論

對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。這是因為桿塔接地體在沖擊電流作用下表現(xiàn)出了較強的電感效應(yīng)，從而使得沖擊電流作用下的電位高于工頻電流。

2）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。這說明所測試的桿塔接地體在沖擊電流作用下產(chǎn)生了部分電離，從而在一定程度上使沖擊接地電阻減小。

3）為了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)生器來開展，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。