輸電線路桿塔沖擊接地電阻測量的研究

沈華靖，熊亞丹

1.景德鎮陶瓷學院機械電子工程學院，江西 景德鎮 333403 2.景德鎮陶瓷學院工商學院，江西 景德鎮 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象，雷電以閃電的方式對地面建筑、設備進行放電并造成危害。雷雨前天空中有一些帶電的烏云（雷云），是產生雷電的根源。由于靜電感應的作用，雷云和臨近的烏云及地面、地面上的物體之間就會產生靜電場。當電場強度足以擊穿大氣絕緣體時立即放電，放電產生耀眼的閃光，同時水氣在電火花的作用下分解，產生氣體爆炸，形成了自然界中的雷鳴電閃。雷電的放電過程分為先驅放電和主放電。先驅放電不能直達地面，通過若干次先驅放電形成先驅閃電路徑后，開始主放電。主放電沿先驅閃電路徑把雷云中聚集的負電荷（或正電荷）與大地正電荷（或負電荷）迅速中和。防雷裝置一旦受到雷擊，將會承受巨大的雷電流，造成設備人員傷亡。因此，準確計算防雷接地電阻值，對于設計防雷系統，提高防雷裝置的防雷效果是至關重要的。

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值計算上，其中主要方法有4種：

1）進行模擬實驗，主要針對集中接地[1]；

2）根據經驗公式進行計算；

3）在理論分析的基礎上對具體接地裝置建立數學、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]，但費盡心思建立起來的數學、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[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果，都是通過間接手段求出沖擊接地電阻，其結果的可靠性、準確性無法保證。因此需要尋求一種計算與模擬相結合的測量方法，既可以模擬雷電流對防雷接地體產生作用的過程，更準確的反映沖擊接電阻的真實值，又可以通過計算儀器，在現場直接得到沖擊接地電阻的阻值。

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，回路連線較長，而且沖擊接地電阻的數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，這在現場是無法實現的。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，從而求得沖擊接地電阻，這樣就可實現在現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、對地電容和電導組成的分布參數網絡如圖：

圖1 接地系統等效模型

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

其中E（s）、R（s）分別為時域下，響應象函數和激勵象函數的拉氏變換式。當系統函數表示為阻抗時（1）式可表示為：

對于線性非時變系統，在頻域中其系統函數是唯一的。即有下式成立：

將（3）式進行反拉氏變換，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，首先可以先產生一個波頭較緩的沖擊電流I1（n）及其響應電壓U1（n），經過（4）式計算就可以得到，在標準雷電流I2(n)作用下，接地電阻的響應電壓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

將標準的雷電流（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）進行卷積變換計算得到的電壓波形進行比較。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準的雷電流作用下的響應電壓波形完全吻合，從而在Matlab仿真[4]上證明了卷積變換計算理論的可行性。

5 測量的數據比較

測量山石土壤（雷擊區）、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，再運用卷積計算方法，所測量出的接地電阻值更有效。測量數據列表如下：

6 結論

從實驗結果中可以看出，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,小于工頻電阻轉換成沖擊接地電阻的轉換系數，這與水田土壤導電性強的實際情況一致。在山石土壤（雷擊區）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，而導致沖擊接地電阻的過大，這一結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，經過卷積計算，現場直接測量的沖擊接地電阻是有效的，測量的結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據依據。

[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.清華大學電機工程與應用電子技術系.

[2]夏長征，文習山，王建國.伸長接地體沖擊接地電阻計算[M].武漢大學電氣工程學院.

[3]穆明，辛立敏.防雷裝置沖擊接地電阻值的確認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.