輸電線路桿塔沖擊接地電阻測量的研究

沈華靖，熊亞丹

1.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403 2.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院工商學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403

1 雷電流形成過程

雷鳴電閃是大氣中巨大的靜電放電現(xiàn)象，雷電以閃電的方式對地面建筑、設(shè)備進(jìn)行放電并造成危害。雷雨前天空中有一些帶電的烏云（雷云），是產(chǎn)生雷電的根源。由于靜電感應(yīng)的作用，雷云和臨近的烏云及地面、地面上的物體之間就會產(chǎn)生靜電場。當(dāng)電場強(qiáng)度足以擊穿大氣絕緣體時立即放電，放電產(chǎn)生耀眼的閃光，同時水氣在電火花的作用下分解，產(chǎn)生氣體爆炸，形成了自然界中的雷鳴電閃。雷電的放電過程分為先驅(qū)放電和主放電。先驅(qū)放電不能直達(dá)地面，通過若干次先驅(qū)放電形成先驅(qū)閃電路徑后，開始主放電。主放電沿先驅(qū)閃電路徑把雷云中聚集的負(fù)電荷（或正電荷）與大地正電荷（或負(fù)電荷）迅速中和。防雷裝置一旦受到雷擊，將會承受巨大的雷電流，造成設(shè)備人員傷亡。因此，準(zhǔn)確計算防雷接地電阻值，對于設(shè)計防雷系統(tǒng)，提高防雷裝置的防雷效果是至關(guān)重要的。

2 目前沖擊接地電阻值求解方法

對與沖擊接地電阻的研究目前主要局限在理論分析和數(shù)值計算上，其中主要方法有4種：

1）進(jìn)行模擬實驗，主要針對集中接地[1]；

2）根據(jù)經(jīng)驗公式進(jìn)行計算；

3）在理論分析的基礎(chǔ)上對具體接地裝置建立數(shù)學(xué)、物理模型，通過解偏微分方程或者差分方程，從而計算求出該接地裝置的沖擊接地電阻[2]，但費(fèi)盡心思建立起來的數(shù)學(xué)、物理模型通用性很差；

4）利用測量得到的工頻接地電阻乘以沖擊系數(shù)[3]，求出沖擊接地電阻。

這4種方法除了第一種都不是實驗直接測量的結(jié)果，都是通過間接手段求出沖擊接地電阻，其結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性無法保證。因此需要尋求一種計算與模擬相結(jié)合的測量方法，既可以模擬雷電流對防雷接地體產(chǎn)生作用的過程，更準(zhǔn)確的反映沖擊接電阻的真實值，又可以通過計算儀器，在現(xiàn)場直接得到?jīng)_擊接地電阻的阻值。

3 理論分析

在沖擊接地電阻的測量中，由于接地電極與電流極之間距離較遠(yuǎn)，回路連線較長，而且沖擊接地電阻的數(shù)值都在幾歐姆到幾百歐姆，這樣整個回路中電感和電阻都很大，要產(chǎn)生波頭很陡，幅值很大的雷電流波形，需要極高的電壓，這在現(xiàn)場是無法實現(xiàn)的。如果我們可以利用波頭較緩，幅值較低的入射電流通過變換計算的方法，求出接地裝置在波頭較陡、幅值較大的雷電流作用下的電壓響應(yīng)，從而求得沖擊接地電阻，這樣就可實現(xiàn)在現(xiàn)場直接測量沖擊接地電阻。

在工程上沖擊接地電阻定義為：

將接地裝置等效為一個由電阻、電感、對地電容和電導(dǎo)組成的分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)如圖：

圖1 接地系統(tǒng)等效模型

如果不考慮火花放電，那么接地系統(tǒng)可以等效為一個線性非時變系統(tǒng)。所謂線性非時變系統(tǒng)就是指具有疊加性、齊次性，并且系統(tǒng)參數(shù)不隨時間變化的系統(tǒng)。零狀態(tài)下系統(tǒng)函數(shù)定義為：

其中E（s）、R（s）分別為時域下，響應(yīng)象函數(shù)和激勵象函數(shù)的拉氏變換式。當(dāng)系統(tǒng)函數(shù)表示為阻抗時（1）式可表示為：

對于線性非時變系統(tǒng)，在頻域中其系統(tǒng)函數(shù)是唯一的。即有下式成立：

將（3）式進(jìn)行反拉氏變換，變上下限積分，以及單位時間離散化，便有下式成立：

式中I1（n）、U1（n）、I2 （n）均為時域中的采樣值序列。

這樣，首先可以先產(chǎn)生一個波頭較緩的沖擊電流I1（n）及其響應(yīng)電壓U1（n），經(jīng)過（4）式計算就可以得到，在標(biāo)準(zhǔn)雷電流I2(n)作用下，接地電阻的響應(yīng)電壓U2（n），沖擊接地電阻Rch就等于U2（n）的最大值與I2（n）最大值相比。

4 Matlab 仿真

將標(biāo)準(zhǔn)的雷電流（波頭時間12.5μs、波尾時間為60μs，峰值為5000A）作用下的響應(yīng)電壓波形，與波頭較緩、幅值較低的入射電流（波頭時間為20μs、波尾時間為100μs，峰值為2A）進(jìn)行卷積變換計算得到的電壓波形進(jìn)行比較。如圖2所示：

圖2 電壓波形比較

從電壓對比圖中可以看出，通過卷積計算的雷電壓波形與標(biāo)準(zhǔn)的雷電流作用下的響應(yīng)電壓波形完全吻合，從而在Matlab仿真[4]上證明了卷積變換計算理論的可行性。

5 測量的數(shù)據(jù)比較

測量山石土壤（雷擊區(qū)）、水田土壤、水田沙石混合型土壤的輸電線路桿塔沖擊接地電阻。比較工頻電阻儀的測量值與運(yùn)用卷積理論所得測量出的沖擊接地電阻值，顯然，通過模擬沖擊電流注入大地，再運(yùn)用卷積計算方法，所測量出的接地電阻值更有效。測量數(shù)據(jù)列表如下：

6 結(jié)論

從實驗結(jié)果中可以看出，在水田土壤以及水田沙石混合型土壤中，用模擬雷電流及轉(zhuǎn)換計算法所測沖擊接地電阻值都小于工頻接地電阻值，大體上是工頻接地電阻的0.2～0.6倍,小于工頻電阻轉(zhuǎn)換成沖擊接地電阻的轉(zhuǎn)換系數(shù)，這與水田土壤導(dǎo)電性強(qiáng)的實際情況一致。在山石土壤（雷擊區(qū)）中，沖擊電阻值都超量程（此測量電阻儀的量程為0Ω～45Ω），可以判斷山石土壤由于土壤電阻率太高，而導(dǎo)致沖擊接地電阻的過大，這一結(jié)果也正好與這里的電線塔跳閘頻繁的實際情況相吻合。用模擬沖擊電流注入大地，經(jīng)過卷積計算，現(xiàn)場直接測量的沖擊接地電阻是有效的，測量的結(jié)果和工頻接地電阻相比，更符合實際情況，為桿塔輸電線路的防雷，提供了真實可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

[1]何金良，曾嶸，陳水明.輸電線路桿塔沖擊接地電阻特性的模擬實驗研究.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系.

[2]夏長征，文習(xí)山，王建國.伸長接地體沖擊接地電阻計算[M].武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院.

[3]穆明，辛立敏.防雷裝置沖擊接地電阻值的確認(rèn)哈爾濱市計量檢定測試所.

[4]陳亞勇，等.MATLAB信號處理詳解[M].北京：人民郵電出版社，2001.