電力系統接地特性研究

王榮印，劉建勛

（山東理工大學，山東 淄博 255000）

電力系統接地特性研究

王榮印，劉建勛

（山東理工大學，山東 淄博 255000）

隨著輸電線路的電壓等級以及人們對供電可靠性越來越高，接地技術的發展面臨諸多挑戰，研究其接地特性的任務越來越緊迫。本文分別介紹了目前工頻電流的接地研究現狀和雷電流下的沖擊特性研究，并提出接地存在的突出問題。

電力系統；接地；沖擊特性

0 引言

隨著電力系統向著高電壓、智能化、高可靠性的方向發展，對接地裝置性能的要求越來越高［1］，為了滿足電力系統的快速發展，研究電力系統的接地特性成為了必須。接地裝置是指在電力系統發生故障或雷擊時，能夠將故障電流或雷電流迅速散流，限制地電位的升高，保證人身和設備安全，所以為了確保電力系統安全穩定運行，合格的接地裝置是十分必要的，其可靠性及安全性能一直受到設計和生產運行部門的高度重視［1］。電力系統接地就其目的可分三種：工作接地、防雷接地和保護接地［2］。工作接地是為了滿足電力系統和電氣設備的運行要求將系統或設備的某一點接地，如我國在110kv及以上的電力系統中采用中性點接地的運行方式。防雷接地是為了將雷電流引入地下，防止過電壓對人或者設備的危害，保護接地是將電力設備在正常情況下不帶電的部分通過接地裝置和大地連接起來，防止在故障時帶電對人產生危害。目前電力系統接地研究包括兩個方面：工頻電流流經接地裝置時的接地特性和雷電流流經接地裝置時的沖擊特性。

1 工頻接地電阻、接觸電位差、跨步電位差

接地電阻是接地裝置是否合格的重要指標，減小接地電阻能有效的把電流散流到地下，保障供電的安全穩定。接地電阻的定量定義是∶假設在某個電極上流入接地電流I，而接地極的電位比周圍大地無窮遠處高出U時，則接地極電位U對接地電流I的比值U/I稱為接地電阻［2］。接地電阻值與土壤電導率、接地體形狀、尺寸和布置方式、電流頻率等因素有關。目前測量接地電阻的方法有很多，三極電流電壓表法、三極示波器相位法、三極接地搖表法、鉗表法、鉗表測試回路等效阻抗測試等。隨著高電壓輸電線路的發展，接地電阻的要求越來越高，降低接地電阻的方法有：增大地網面積，接地網的接地電阻值R=0.5p/√S，在土壤電阻率p一定時，面積S越大，電阻R越小；利用自然接地體，設計變電站的接地結構時，充分利用、水電站的進水口攔污柵、閘門、引水管等必須的設施來作為部分接地體流散電流，節約了成本；深井接地，當地下較深處的土壤電阻率比上層的低很多時，可以把接地體設在設在土壤較深處，也可避免由于天氣原因導致的土壤電阻率的變化，這種方式接地電阻較為穩定；爆破接地，當土壤的電阻率較高時，利用爆破技術，使土壤產生裂縫，然后用壓力機將降阻材料打到土壤裂縫中，打到降低土壤電阻率的目的；局部換土，當土壤電阻率較高時，可將埋設接地裝置的土壤移走，在把電阻率較低的土壤埋設接地體，這種方法成本較高特別在交通不便的山區。在實際的接地工程中，一種降阻方法無法滿足接地電阻的要求，一般都是幾種降阻方法組合。接觸電位差是指人站在發生接地短路故障設備旁邊，距設備水平距離0.8米，人手觸及設備時，手和腳兩點之間呈現的電位差［3］。跨步電位差是指當發生接地短路故障時，人站在故障設備旁邊，兩腳之間的電位差。以前我國不太重視這個兩個指標的要求，一直誤認為當接地電阻滿足要求時接觸電位差和跨步電位差也就滿足要求了，但接觸電位差和跨步電位差與接地網格的稀疏程度有關。

2 沖擊接地特性

沖擊接地特性是指當雷擊輸電桿塔時接地裝置流散雷電流時的暫態特性。雷電流具有高幅值、高頻率的特點，呈現出的沖擊接地阻抗和工頻接地電阻有很大不同，主要表現在沖擊接地阻抗有明顯的電感效應和火花效應，電感效應會使接地電阻增大，相反，火花效應可以減小接地電阻。隨著輸電線路的雷擊事故的增多，接地裝置的防雷性能成為供電可靠性的主要因素之一。國內外的運行經驗和理論分析表明，減小沖擊接地阻抗可以有效的提高防雷性能，而沖擊接地阻抗和桿塔塔身結構和尺寸、接地極結構和尺寸、雷電流參數、避雷線參數以及土壤電阻率等諸多因素有關，目前國內外在土壤放電特性和接地沖擊特性方面做了很多的研究，對提高防雷性能具有重要的指導意義。

目前國內外研究沖擊接地特性的方法有三種：電路理論，傳輸線理論、電磁場理論和有限元法。基于電路和傳輸線理論的方法實際上是將地網導體進行分段處理，每段導體均用π型等效電路代替來模擬計算接地導體暫態特性的一種直接的、有效的方法［4］。在建立電路計算模型的過程中做過了人為地一些假設和簡化處理之后，將土壤中放電的非線性特性考慮了進去。20世紀90年代，Geri 等人在 Liew 模型的基礎上，對雷電流下的接地體的非線性性能做了比較細致的研究［5-7］，提出的新的計算模型，這種模型考慮了土壤非線性電擊穿的影響，但僅僅比較了形狀簡單的接地體，例如：垂直接地體、水平接地體等，而且該模型沒有考慮各段導體附近土壤火花放電程度的不同以及導體各段泄漏的電流密度，而是簡單的認為呈圓柱形的火花放電區域的半徑是不變的以及接地體周圍土壤的火花放電是均勻的，同時忽略了導體電感與對地電容。

3 總結與展望

根據以上分析筆者認為以下方面還需重點研究：（1）目前由于實驗條件的不允許真型實驗難度較大，而模擬實驗和真型實驗的放電特性還有一定的區別，所以模擬實驗的結果還有待驗證。（2）隨著電力系統向高電壓、高可靠性的方向發展，在設計發、變電站的接地網時要更加注重接觸電位差和跨步電位差。（3）由于雷擊事故的日益增多，降低接地電阻要尋找新的方向，比如研究新的接地材料。

［1］張波，何金良，曾嶸.電力系統接地技術現狀及展望［J］.高電壓技術，2015，41（08）：2569-2582 .

［2］馮喬春.電網接地技術工程應用研究［D］.昆明：昆明理工大學，2009.

［3］黃昌威，安韻竹.變電站接地網不同接地材料接地特性研究［J］.陜西電力，2014，42（11）：9-13.

［4］Velazquez R and Mukhedkar D. Analytical modeling of grounding electrodes transient behavior［J］.IEEE Trans. On PAS， 1984，103（5）： 1314-1322.

［5］Liew A C， Darveniza M. Dynamic model of impulse characteristics of concentrated earth［J］. Proceedings of IEE， 1974， 121（2）： 123-135.

［6］Geri A， Garbagnati E， Veca G M， et al. Non-linear behaviour of ground electrodes under lightning surge currents：computer modeling and comparison with experimental results［J］. IEEE Transactions on Magnetics， 1992，28（2）： 1442-1445.

［7］Xiong W， Dawalibi F. Transient performance of substation grounding systems subjected to lightning and similar surge currents［J］. IEEE Transactions on Power Delivery， 1994，9（03）：1412-1417.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.144

王榮印，男，山東聊城人，在讀碩士，研究方向：電力系統防雷與接地技術。