输电线路杆塔冲击接地电阻测量的研究

沈华靖，熊亚丹

1.景德镇陶瓷学院机械电子工程学院，江西 景德镇 333403 2.景德镇陶瓷学院工商学院，江西 景德镇 333403

1 雷电流形成过程

雷鸣电闪是大气中巨大的静电放电现象，雷电以闪电的方式对地面建筑、设备进行放电并造成危害。雷雨前天空中有一些带电的乌云（雷云），是产生雷电的根源。由于静电感应的作用，雷云和临近的乌云及地面、地面上的物体之间就会产生静电场。当电场强度足以击穿大气绝缘体时立即放电，放电产生耀眼的闪光，同时水气在电火花的作用下分解，产生气体爆炸，形成了自然界中的雷鸣电闪。雷电的放电过程分为先驱放电和主放电。先驱放电不能直达地面，通过若干次先驱放电形成先驱闪电路径后，开始主放电。主放电沿先驱闪电路径把雷云中聚集的负电荷（或正电荷）与大地正电荷（或负电荷）迅速中和。防雷装置一旦受到雷击，将会承受巨大的雷电流，造成设备人员伤亡。因此，准确计算防雷接地电阻值，对于设计防雷系统，提高防雷装置的防雷效果是至关重要的。

2 目前冲击接地电阻值求解方法

对与冲击接地电阻的研究目前主要局限在理论分析和数值计算上，其中主要方法有4种：

1）进行模拟实验，主要针对集中接地[1]；

2）根据经验公式进行计算；

3）在理论分析的基础上对具体接地装置建立数学、物理模型，通过解偏微分方程或者差分方程，从而计算求出该接地装置的冲击接地电阻[2]，但费尽心思建立起来的数学、物理模型通用性很差；

4）利用测量得到的工频接地电阻乘以冲击系数[3]，求出冲击接地电阻。

这4种方法除了第一种都不是实验直接测量的结果，都是通过间接手段求出冲击接地电阻，其结果的可靠性、准确性无法保证。因此需要寻求一种计算与模拟相结合的测量方法，既可以模拟雷电流对防雷接地体产生作用的过程，更准确的反映冲击接电阻的真实值，又可以通过计算仪器，在现场直接得到冲击接地电阻的阻值。

3 理论分析

在冲击接地电阻的测量中，由于接地电极与电流极之间距离较远，回路连线较长，而且冲击接地电阻的数值都在几欧姆到几百欧姆，这样整个回路中电感和电阻都很大，要产生波头很陡，幅值很大的雷电流波形，需要极高的电压，这在现场是无法实现的。如果我们可以利用波头较缓，幅值较低的入射电流通过变换计算的方法，求出接地装置在波头较陡、幅值较大的雷电流作用下的电压响应，从而求得冲击接地电阻，这样就可实现在现场直接测量冲击接地电阻。

在工程上冲击接地电阻定义为：

将接地装置等效为一个由电阻、电感、对地电容和电导组成的分布参数网络如图：

图1 接地系统等效模型

如果不考虑火花放电，那么接地系统可以等效为一个线性非时变系统。所谓线性非时变系统就是指具有叠加性、齐次性，并且系统参数不随时间变化的系统。零状态下系统函数定义为：

其中E（s）、R（s）分别为时域下，响应象函数和激励象函数的拉氏变换式。当系统函数表示为阻抗时（1）式可表示为：

对于线性非时变系统，在频域中其系统函数是唯一的。即有下式成立：

将（3）式进行反拉氏变换，变上下限积分，以及单位时间离散化，便有下式成立：

式中I1（n）、U1（n）、I2 （n）均为时域中的采样值序列。

这样，首先可以先产生一个波头较缓的冲击电流I1（n）及其响应电压U1（n），经过（4）式计算就可以得到，在标准雷电流I2(n)作用下，接地电阻的响应电压U2（n），冲击接地电阻Rch就等于U2（n）的最大值与I2（n）最大值相比。

4 Matlab 仿真

将标准的雷电流（波头时间12.5μs、波尾时间为60μs，峰值为5000A）作用下的响应电压波形，与波头较缓、幅值较低的入射电流（波头时间为20μs、波尾时间为100μs，峰值为2A）进行卷积变换计算得到的电压波形进行比较。如图2所示：

图2 电压波形比较

从电压对比图中可以看出，通过卷积计算的雷电压波形与标准的雷电流作用下的响应电压波形完全吻合，从而在Matlab仿真[4]上证明了卷积变换计算理论的可行性。

5 测量的数据比较

测量山石土壤（雷击区）、水田土壤、水田沙石混合型土壤的输电线路杆塔冲击接地电阻。比较工频电阻仪的测量值与运用卷积理论所得测量出的冲击接地电阻值，显然，通过模拟冲击电流注入大地，再运用卷积计算方法，所测量出的接地电阻值更有效。测量数据列表如下：

6 结论

从实验结果中可以看出，在水田土壤以及水田沙石混合型土壤中，用模拟雷电流及转换计算法所测冲击接地电阻值都小于工频接地电阻值，大体上是工频接地电阻的0.2～0.6倍,小于工频电阻转换成冲击接地电阻的转换系数，这与水田土壤导电性强的实际情况一致。在山石土壤（雷击区）中，冲击电阻值都超量程（此测量电阻仪的量程为0Ω～45Ω），可以判断山石土壤由于土壤电阻率太高，而导致冲击接地电阻的过大，这一结果也正好与这里的电线塔跳闸频繁的实际情况相吻合。用模拟冲击电流注入大地，经过卷积计算，现场直接测量的冲击接地电阻是有效的，测量的结果和工频接地电阻相比，更符合实际情况，为杆塔输电线路的防雷，提供了真实可靠的数据依据。

[1]何金良，曾嵘，陈水明.输电线路杆塔冲击接地电阻特性的模拟实验研究.清华大学电机工程与应用电子技术系.

[2]夏长征，文习山，王建国.伸长接地体冲击接地电阻计算[M].武汉大学电气工程学院.

[3]穆明，辛立敏.防雷装置冲击接地电阻值的确认哈尔滨市计量检定测试所.

[4]陈亚勇，等.MATLAB信号处理详解[M].北京：人民邮电出版社，2001.