接地裝置動態沖擊電阻影響因素的試驗研究

曾卿卿，劉三偉，余德均，王海軍

（1.重慶能源職業學院，重慶 402247；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410000）

接地裝置動態沖擊電阻影響因素的試驗研究

曾卿卿1，劉三偉2，余德均1，王海軍1

（1.重慶能源職業學院，重慶 402247；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410000）

針對接地裝置沖擊散流過程中的動態沖擊電阻及其影響因素展開研究，采用同一時刻的沖擊電壓與沖擊電流的比值來模擬接地裝置的動態沖擊電阻，通過模擬試驗得到了土壤含水量、含鹽量以及土壤種類等關鍵參數對動態沖擊電阻的影響規律。結果表明：隨含水量、含鹽量的增加，動態沖擊電阻的起始值減小、最小值增大、衰減時間減??；黏土與沙土相比，動態沖擊電阻的起始值較小、最小值較大、衰減時間較小。

接地裝置；動態沖擊電阻；土壤含水量；土壤含鹽量；土壤種類；模擬試驗

0 引言

接地裝置的性能與高幅值的沖擊電流在土壤中的散流特性［1］有極為緊密的聯系，接地裝置的沖擊接地電阻是衡量電力系統防雷性能好壞的重要參數之一。在沖擊電流進入土壤時，由于土壤不是理想的導體，土壤會發生電離，呈現相應大小的電場。隨著土壤中的電場增強，土壤的電阻率會隨之減小并呈現非線性變化特性［2］，在土壤中靠近接地電極附近會出現表征土壤電離的火花放電，并出現一個極不均勻的放電區域；當沖擊電流繼續增加時，火花放電會在土壤顆粒的表面發展成為電弧放電，在此過程中土壤的沖擊電阻也呈現相應的非線性特性。

從19世紀20年代開始，國內外就有大量的專家學者開始研究土壤放電的沖擊電阻。王建國等人通過實驗室模擬試驗提出沖擊電阻的大小約等于接地電阻乘對應的沖擊系數［3］；EEOttle對接地裝置的沖擊特性進行模擬試驗，提出了沖擊電阻的經驗公式和特征曲線［4］。何金良通過模擬試驗，得出了沖擊系數的經驗公式和沖擊接地電阻的經驗公式［5］。關于接地裝置的沖擊電阻，一般認為是接地裝置的沖擊電阻是沖擊電壓與注入土壤中的沖擊電流幅值之比。實際上，由于電壓幅值和電流幅值并不一定在同一時刻出現，因此采用幅值相比計算得到的沖擊電阻來模擬的方法是不準確的。

由于接地裝置的散流性能直接決定于沖擊電阻的大小，因此保證較低的沖擊電阻值是保證接地裝置良好性能的關鍵。關于土壤沖擊電阻影響因素方面的研究，國外Nelson等對不同初始電阻率的土壤進行沖擊試驗，發現土壤的電離區存在相對土壤電離前一定比例大小的剩余電阻率，并隨著注入電流的增大而減小［6］。陳名銘等對不同含水量情況下的土壤的沖擊特性進行研究發現：隨著土壤含水量的提高，它的電阻率逐漸減小，同時放電時延也隨之減?。?］。何金良等采用模擬試驗，對接地電極尺寸、沖擊電流幅值、土壤初始電阻率等因素對接地裝置的沖擊接地電阻的影響規律進行研究［8］。綜合來看，現有的研究提出了土壤含水量、含鹽量等影響土壤沖擊電阻的關鍵因素，但是研究的角度一般都是從穩態的沖擊電阻值來分析，鮮有從動態沖擊電阻角度來分析關鍵影響的研究。

從國內外的研究現狀來看，對于接地裝置沖擊電阻的研究基本采用的是幅值之比的定值研究方法，而由于沖擊電壓、沖擊電流幅值并非同時出現，導致了這種處理方式是不夠準確的。因此，從動態沖擊電阻的角度出發，考慮沖擊電阻的時變性，采用模擬試驗，對沖擊電阻的非線性特性進行研究。并且，通過試驗研究土壤含水量、含鹽量及土壤種類對土壤動態沖擊阻抗的影響規律。

1 試驗過程

1.1 試驗裝置

在沖擊電流作用下的土壤的動態沖擊電阻的原理如圖1所示。可分為兩個主要部分，即沖擊電流發生器和數據圖像采集系統。

圖1 接地裝置沖擊散流模擬試驗原理

其中T1是額定容量為3 kVA的調壓器；T2是升壓比為380 V／45 kV的升壓變壓器；D為最大允許電流1 A的高壓整流器；r1為保護水阻；充電電容器組C由10臺0.3 μF的脈沖電容器圓環式排列并聯組成；G為點火球隙；L和R分別為調波電感和調波電阻；F為電阻分壓器；H為管式分流器；S為試品；P為直徑為50 cm的半球形沙槽；砂池內用細紗來模擬土壤，可以分別通過晾曬細砂和在砂池中加水或加鹽來改變含水和含鹽量。CT為穿芯式PERSON電流傳感器，DSO（digital storage oscilloscope）為高壓數字示波器。

1.2 試驗原理

試驗時，首先幅值為380 V的交流電壓通過調壓器進行調壓得到所需要的低電壓，然后再把得到的低電壓通過變壓器升壓得到需要的高等級電壓。然后再通過硅堆整流元件得到直流電壓，再向并聯的多個電容同時充電。充電結束后通過點火球隙觸發使并聯的多個電容幾乎同時放電，通過土壤形成一個完整的回路；放電時可以通過電流傳感器測量土壤放電時的放電電流波形，通過電容分壓器測量電壓波形，統一通過示波器顯示；最后再根據試驗數據和圖像得到動態沖擊阻抗的曲線圖，并進行分析得出結論。

試驗中的沖擊電流短路波形為8／20 μs，注入的典型雷電流波形如圖2所示，施加的沖擊電流幅值為2.5 kA。試驗土壤樣品為細砂（主要成分SiO2）構成的模擬土壤，在研究過程中含水量有8種，分別為3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%、18%； 含鹽量有5種，分別為 0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1%；按照國際土壤分類標準，選取了典型土壤沙土和黏土兩種類型的土壤。由于每一次放電后，土壤的電氣特性都已經發生改變，為了保證準確性，每一次放電完成后均對試驗土壤進行重新均勻混合處理。

圖2 試驗采用的短路雷電流波形

2 結果與分析

2.1 試驗結果

通常所說的接地裝置的沖擊電阻都是指沖擊電壓幅值和注入沖擊電流幅值之比，采用時變動態沖擊電阻的方法，認為某一時刻的沖擊電阻值是這一時刻的沖擊電壓值與沖擊電流的比值，沖擊電阻呈現的是非線性時變的特性，其表達式為

式中：Ut和It分別為t時刻的沖擊電壓值與電流值。

由于在t=0時刻（沖擊電流進入土壤樣品的瞬間）以前土壤中沒有電流，土壤的電阻是固定不變的，因此可以不考慮0時刻以前的沖擊電阻。另外，由于土壤顆粒之間存在的空隙導致土壤顆粒之間存在一定大小的電容，因此在放電即將結束時土壤中的電容對放電的影響相對較大，存在一定的電容放電現象，導致在電流電壓波形的波尾處會出現負的情況，從而計算出來的沖擊電阻值出現負值。本文主要是研究放電過程中沖擊電阻的動態變化，在電流和電壓波尾處的值相對于各自的幅值而言都比較小，可以忽略，因此不考慮沖擊放電結束時的電容放電對沖擊電阻值的影響。以含鹽量為0.5%的沙土為例，根據模擬試驗結果，當含水量在3%~18%變化時，通過計算得到了時變非線性沖擊電阻，結果如圖3所示。

圖3 不同含水量下的動態沖擊電阻（沙土）

以沙土為例，在相同的土壤含鹽量以及相同的電流幅值條件下，土壤的動態沖擊電阻都會呈現先減小后增加的非線性變化情況：在沖擊電流注入的起始階段動態沖擊電阻衰減的速率小，隨后速率變大，會衰減到一個最小值（出現在沖擊電壓和沖擊電流的波尾部分），最后再逐漸回升。分析其原因，可能是因為在土壤中注入沖擊電流時，土壤會逐漸電離甚至擊穿，因此土壤的電阻會逐漸減小，隨著電流的消散，電阻又慢慢回升。由于在最開始時電離程度發展緩慢，導致土壤電阻下降速率小，在土壤擊穿的時候土壤電阻會急劇減小，但是隨著含水量的增加前后速率的變化變小。

2.2 結果分析

為了對接地裝置時變動態沖擊電阻進行分析，根據非線性電阻的特點，取動態電阻的初始值、最小值、衰減時間作為其特征參量。某一條件下的動態電阻初始值的大小代表著土壤未電離前的介電性能，最小值則代表著該條件下的最大電離程度，而衰減時間說明了電離速率的快慢。

2.2.1 含水量的影響規律

在含鹽量保持為0.5%、沖擊電流幅值2.5 kA不變的條件下，對所選取的典型土壤沙土和黏土，分別進行不同含水量下的沖擊放電試驗，并計算了其動態沖擊電阻，考慮所提出的3個特征值，比較不同含水量對于沖擊電阻的影響，其計算結果如圖4、圖5所示。

圖4 含水量對動態沖擊電阻特征參數的影響規律（沙土）

圖5 含水量對動態沖擊電阻特征參數的影響規律（黏土）

由圖4和圖5中各個參數在不同含水量下的變化曲線可以發現，無論是沙土還是黏土，在相同的土壤含鹽量以及沖擊電流幅值下，當土壤的含水量增加時，土壤動態沖擊電阻的初始值減小，土壤的動態沖擊電阻的初始值逐漸減小，越有利于沖擊電流的流散，提高接地裝置散流性能；但是最小值增加，動態沖擊電阻的衰減時間逐漸減??；而且幾乎各個參數變化的速率都逐漸減慢。

2.2.2 含鹽量的影響規律

在含水量保持為5%、沖擊電流幅值2.5 kA不變的條件下，對所選取的典型土壤沙土和黏土，分別進行不同含水量下的沖擊放電試驗，并計算了其動態沖擊電阻，考慮所提出的3個特征值，比較了不同含水量對于沖擊電阻的影響，其計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 含鹽量對動態沖擊電阻特征參數的影響規律（沙土）

由圖6和圖7中各個參數在不同含鹽量下的變化曲線可以發現，無論是沙土還是黏土，在相同的土壤含水量以及沖擊電流幅值下，隨著土壤含鹽量的增加，土壤動態沖擊電阻的初始值減小，但是最小值增加，動態沖擊電阻的衰減時間逐漸減?。欢腋鱾€參數變化的速率幾乎都逐漸減慢土壤的動態沖擊電阻的初始值逐漸減小，越有利于沖擊電流的流散，提高接地裝置散流性能。

圖7 含鹽量對動態沖擊電阻特征參數的影響規律（黏土）

2.2.3 土壤種類的影響規律

采用控制變量法研究單一因素的影響，保持含鹽量和含水量相同的情況下，施加相同的雷電流，對沙土和黏土的沖擊電阻非線性特性進行了對比研究，結果如圖8所示。

圖8 土壤種類對動態沖擊電阻特征參數的影響規律

由圖8中各個參數在不同土壤種類下的變化曲線可以發現，在其余條件相同的情況下，黏土的動態沖擊電阻的初始值、最小值、衰減時間都要比沙土對應的各個參數小，其中動態沖擊電阻的初始值和衰減時間差別較小。原因分析：由于黏土的吸水性和保水性都較沙土的強，在相同的情況下黏土顆粒吸水后其土壤間的空氣間隙相對沙土較大，導致黏土的導電性較沙土強，因此相同情況下黏土的動態沖擊電阻的初始值、最小值、衰減時間都要比沙土對應的各個參數小，黏土越有利于沖擊電流的流散，提高接地裝置散流性能。

3 結語

針對接地裝置沖擊散流過程中的動態沖擊電阻及其影響因素展開了研究，采用同一時刻的沖擊電壓與沖擊電流的比值來模擬接地裝置的動態沖擊電阻，通過模擬試驗得到了土壤含水量、含鹽量以及土壤種類等關鍵參數對動態沖擊電阻的影響規律。

同一土壤在相同的含鹽量、沖擊電流幅值時，隨著土壤含水量的增加，土壤的動態沖擊電阻的初始值逐漸減小、最小值逐漸增大、衰減時間逐漸減小；由于飽和現象，各參數的變化速率都會減小。

同一土壤在相同的含水量、沖擊電流幅值時，隨著土壤含鹽量的增加，土壤的動態沖擊電阻的初始值逐漸減小、最小值逐漸增大、衰減時間逐漸減??；由于飽和現象，各參數的變化速率都會減小。

同一含水量、含鹽量、沖擊電流幅值情況下，黏土與沙土相比，動態沖擊電阻的初始值、最小值、衰減時間、沖擊電阻都相對較小，黏土更有利于沖擊電流的流散，提高接地裝置散流性能。但動態沖擊電阻的初始值和衰減時間減小得并不明顯。

［1］朱時陽，袁濤，朱彬.分層土壤中接地裝置沖擊散流特性的有限元分析模型［J］.電網技術，2014，38 （8）：2 304-2 309.

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［3］王建國，夏長征，文習山，等.垂直接地體沖擊電流作用下接地電阻的測量［J］.高電壓技術，2000，26（5）：45-47.

［4］OETTLE E E.A new general estimation curve for predicting the impulse impedance of concentrated earth electrodes ［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1988，3（4）：2 020-2 029.

［5］何金良，陳先祿.輸電線路桿塔接地裝置沖擊特性的模擬原理［J］.清華大學學報（自然科學版） ，1994，34（4）：38-43.

［6］LIU Y，THEETHAYI N，GONZALEZ R M，et al.The residual resistivity in soil ionization region around grounding system for different experimental results［C］∥IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility.IEEE，2003：794-799.

［7］陳名銘，曹曉斌，楊琳，等.同軸圓柱形電極下土壤沖擊特性的試驗研究［J］.電網技術，2013，37（8）：2 291-2 296.

［8］何金良，曾嶸，陳水明，等.輸電線路桿塔沖擊接地電阻特性的模擬試驗研究［J］.清華大學學報（自然科學版），1999，39（5）：5-8.

Experimental Study on Influence Factors of Dynamic Impulse Resistance of Grounding Devices

ZENG Qingqing1，LIU Sanwei2，YU Dejun1，WANG Haijun1
（1.Chongqing Energy College，Chongqing 402247，China；2.State Grid Hunan Electric Power Research Institute，Changsha 410000，China）

This research focuses on the dynamic impulse resistance of the grounding device and its influence factors.The dynamic impulse resistance of grounding device is calculated by the ratio of the sampled instantaneous impulse voltage and current.Influences of soil’s water content，salt content and type on the dynamic impulse resistance are obtained by environment controlled experiment.The results show that the initial value and fall time of dynamic impulse resistance decreases，while the minimum value increase with the soil’s water and salt content.Comparing with sandy soil，the initial value and fall time of dynamic impulse resistance of normal soil is smaller，while the minimum value is larger.

grounding device；dynamic impulse resistance；soil water content；soil salt content；soil type；simulating experiment

TM934.1

B

1007－9904（2017）11－0028－06

2017-06-08

曾卿卿（1983），男，講師，從事電力系統過電壓保護工作。