引線間互感對接地電阻測量結(jié)果的影響分析

李秀英 王輝

摘 要：在實際的測量過程中，引線間的互感很大，造成的測量誤差有可能超過100%，因此課題對接地電阻和引線間互感值進(jìn)行分析，探究了影響測量誤差的三個主要因素——土壤電阻率、接地網(wǎng)的面積以及測量引線間距對測量接地電阻時結(jié)果的影響。

關(guān)鍵詞：接地電阻;引線間互感;測量誤差

電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，入地電流為交流電流，決定接地網(wǎng)電位升高的參數(shù)值即接地電阻的表達(dá)式為Z=R+jωL，其中Z為接地阻抗值的直流分量，L為感性分量，ω為注入電流角頻率。而測量值為Z=R+jωL+jωM，其中M為測量引線之間的互感。對于大型的接地網(wǎng)，如果在土壤電阻率低的地區(qū)，R值一般都很小，而接地網(wǎng)的尺寸較大時，最大對角線很長，測量引線也需要較長，所以在實際的測量過程中，引線間的互感很大，造成的測量誤差有可能超過100%。曾經(jīng)在某個500KV變電站的接地電阻測量時，出現(xiàn)接地阻抗的感性分量時阻性分量的2.7倍的情況。

課題將會根據(jù)計算所得接地電阻和引線間互感值進(jìn)行分析，探究影響測量誤差的三個主要因素——土壤電阻率，接地網(wǎng)的面積以及測量引線間距對測量接地電阻時結(jié)果的影響。

1 引線間互感對接地電阻測量結(jié)果的影響分析

1.1 土壤電阻率對測量誤差的影響

土壤是一種復(fù)雜的復(fù)合物質(zhì)，正土壤中含有水分、鹽分、氣體、以及沙粒等物質(zhì)。自然界中有機(jī)物的腐敗、和一些在動植物尸體、風(fēng)化后的沙粒還有一些難以分解的垃圾顆粒會組成土壤中的固體部分，土壤中還含有一部分水以及水分溶解后的鹽溶液，土壤間隙之間也存在空氣氣體成分。了解土壤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對于了解土壤的沖擊特性具有良好的輔助作用。根據(jù)研究表明，土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的空氣間隙形狀規(guī)則大小不一，土壤內(nèi)部固體顆粒表面的粗糙度相差甚別，這也導(dǎo)致了土壤內(nèi)部顆粒之間的氣隙電場強(qiáng)度較高。

接地網(wǎng)的接地阻抗是指當(dāng)電流由接地網(wǎng)流入大地時，接地網(wǎng)周圍的土壤形成了阻抗，等于注入電流點相對于零電位的電壓與注入電流大小的比值。利用COMSOL建立接地網(wǎng)模型從而計算接地網(wǎng)電阻的方法，在地網(wǎng)的中心放置點電流源，模擬注入接地網(wǎng)短路電流，即可測得該點的電位升高值，由歐姆定理，即可計算出接地阻抗的直流分量R的大小。

對于一個尺寸大小已知的接地網(wǎng)，測量接地電阻時，隨著土壤電阻率的增大，接地電阻會越來越大。因此，通過對比不同土壤電阻率情況下的接地電阻值，分析接地電阻隨土壤電阻率的變化而變化的折線圖，就可以驗證前面的結(jié)論。

考慮到實際情況，接地網(wǎng)的邊長尺寸一般不會超過100m，仿真時采用邊長為50m的田字形接地網(wǎng)，材料為電阻率為1.7×10-7Ω.m的扁鋼，尺寸為50×0.05×0.005m，間距10m。

接地電阻和引線間互感在接地網(wǎng)的邊長為50m時，與土壤電阻率的變化關(guān)系如折線圖1。

通過仿真實驗，在已知接地網(wǎng)尺寸大小的情況下，改變土壤電阻率的大小，可得圖1，可計算得出不同土壤電阻率的情況下的測量誤差。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：對于已知尺寸大小的接地網(wǎng)，接地電阻隨著土壤電阻率的增大而增大。由Rogers法的推導(dǎo)過程可知，土壤電阻率對互感的大小影響不大，需要經(jīng)過一次開方和對數(shù)運算，而由仿真數(shù)據(jù)可知土壤電阻率對接地電阻的影響很大。對于土壤電阻率較大的地區(qū)，接地電阻較大，引線間互感變化不大，呈略微上升趨勢。因為隨著土壤電阻率的增大，接地電阻的變化趨勢明顯高于引線間互感的大小，所以接地阻抗中感性分量將會隨著土壤電阻率的增大越來越小。所以對于土壤電阻率較大的地區(qū)，引線間互感對測量誤差的影響較小，為了減少不必要的工作量，可以不用考慮引線間互感對測量結(jié)果的影響，然而對于土壤電阻率較小的地區(qū)，必須采取措施消除互感。

1.2 接地網(wǎng)面積對測量誤差的影響

對于一個土壤電阻率已知的接地網(wǎng)，測量接地電阻時，隨著接地網(wǎng)尺寸的增大，接地電阻會越來越小。因此，通過對比不同大小的接地網(wǎng)的接地電阻值，分析接地電阻隨接地網(wǎng)尺寸的變化而變化的折線圖，就可以驗證前面的結(jié)論，接地電阻及引線間互感與接地網(wǎng)邊長的變化關(guān)系如圖2。

考慮到實際情況，取土壤電阻率為80Ω.m時為例進(jìn)行分析，接地電阻隨著地網(wǎng)尺寸的變化而變化的數(shù)據(jù)，根據(jù)仿真實驗，在已知土壤電阻率的情況下，改變接地網(wǎng)尺寸大小，可計算得出不同土壤電阻率情況下的測量誤差。所以對于尺寸較小的接地網(wǎng)，引線間互感對測量誤差的影響較小，為了減少不必要的工作量，可以不用考慮引線間互感對測量結(jié)果的影響，然而對于尺寸較大的接地網(wǎng)，必須采取措施消除互感。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，接地網(wǎng)邊長大小對互感的大小影響較大，并且可以看出接地網(wǎng)尺寸對接地電阻的影響也很大。對于邊長較大的接地網(wǎng)，接地電阻小，引線間互感較大，隨著邊長的增大呈上升趨勢。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：對于已知土壤電阻率的接地網(wǎng)，接地電阻隨著接地網(wǎng)的尺寸的增大而減小。因為隨著接地網(wǎng)邊長的增大，接地電阻的變化呈下降趨勢，而引線間互感在減小，所以接地阻抗中感性分量將會隨著土壤電阻率的增大越來越大。

1.3 需要考慮引線間互感與否的界限的確定

根據(jù)Rogers法可以計算出測量接地電阻時各種引線間互感的大小，結(jié)合仿真實驗所得出的接地電阻值，即可計算出接地阻抗的大小。比較分析不同的接地網(wǎng)尺寸時，隨著土壤電阻率的變化，感性分量在接地阻抗測量過程中造成的測量誤差小于5%時，可以忽略引線間互感對測量結(jié)果的影響，有效地減少了不必要的工作量，提高了科學(xué)研究和實際工程中的工作效率。圖3為引線間距1m時測量誤差為5%的曲線。

當(dāng)測量引線之間的距離為1m時，不同情況下的測量誤差進(jìn)行仿真。通過可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)引線間距較小，并且土壤電阻率較小的地區(qū)，隨著接地網(wǎng)面積的增大，感性分量造成的測量誤差很可能超過5%，感性分量甚至可以達(dá)到阻性分量的50多倍，這時必須要考慮采用合適的測量方法來消除互感的影響減小誤差。然而對于土壤電阻率較大的地區(qū)，如果接地網(wǎng)的邊長較小，引線間互感較小，感性分量所占比重較小，造成的測量誤差小于5%，這時為了減少不必要的工作量，提高工作效率，可以不考慮測量引線之間互感對接地電阻測量過程所造成的影響。

2 結(jié)論

對接地電阻和引線間互感值進(jìn)行分析，探究了影響測量誤差的三個主要因素——土壤電阻率，接地網(wǎng)的面積以及測量引線間距對測量接地電阻時結(jié)果的影響。由仿真計算所得數(shù)據(jù)可知，當(dāng)接地網(wǎng)的尺寸一定時，隨著土壤電阻率的增大，接地電阻會越來越大;當(dāng)土壤電阻率一定時，隨著接地網(wǎng)尺寸的增大，接地電阻會越來越小;隨著測量引線間距增大，測量互感會越來越小。當(dāng)進(jìn)行接地電阻的測量時，為了減少不必要的工作量，當(dāng)感性分量在接地阻抗測量時造成的誤差低于5%時，不必考慮互感的影響，通過對仿真數(shù)據(jù)的分析，課題得出了測量時需要考慮互感影響的范圍。

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