接地装置动态冲击电阻影响因素的试验研究

曾卿卿，刘三伟，余德均，王海军

（1.重庆能源职业学院，重庆 402247；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410000）

接地装置动态冲击电阻影响因素的试验研究

曾卿卿1，刘三伟2，余德均1，王海军1

（1.重庆能源职业学院，重庆 402247；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410000）

针对接地装置冲击散流过程中的动态冲击电阻及其影响因素展开研究，采用同一时刻的冲击电压与冲击电流的比值来模拟接地装置的动态冲击电阻，通过模拟试验得到了土壤含水量、含盐量以及土壤种类等关键参数对动态冲击电阻的影响规律。结果表明：随含水量、含盐量的增加，动态冲击电阻的起始值减小、最小值增大、衰减时间减小；黏土与沙土相比，动态冲击电阻的起始值较小、最小值较大、衰减时间较小。

接地装置；动态冲击电阻；土壤含水量；土壤含盐量；土壤种类；模拟试验

0 引言

接地装置的性能与高幅值的冲击电流在土壤中的散流特性［1］有极为紧密的联系，接地装置的冲击接地电阻是衡量电力系统防雷性能好坏的重要参数之一。在冲击电流进入土壤时，由于土壤不是理想的导体，土壤会发生电离，呈现相应大小的电场。随着土壤中的电场增强，土壤的电阻率会随之减小并呈现非线性变化特性［2］，在土壤中靠近接地电极附近会出现表征土壤电离的火花放电，并出现一个极不均匀的放电区域；当冲击电流继续增加时，火花放电会在土壤颗粒的表面发展成为电弧放电，在此过程中土壤的冲击电阻也呈现相应的非线性特性。

从19世纪20年代开始，国内外就有大量的专家学者开始研究土壤放电的冲击电阻。王建国等人通过实验室模拟试验提出冲击电阻的大小约等于接地电阻乘对应的冲击系数［3］；EEOttle对接地装置的冲击特性进行模拟试验，提出了冲击电阻的经验公式和特征曲线［4］。何金良通过模拟试验，得出了冲击系数的经验公式和冲击接地电阻的经验公式［5］。关于接地装置的冲击电阻，一般认为是接地装置的冲击电阻是冲击电压与注入土壤中的冲击电流幅值之比。实际上，由于电压幅值和电流幅值并不一定在同一时刻出现，因此采用幅值相比计算得到的冲击电阻来模拟的方法是不准确的。

由于接地装置的散流性能直接决定于冲击电阻的大小，因此保证较低的冲击电阻值是保证接地装置良好性能的关键。关于土壤冲击电阻影响因素方面的研究，国外Nelson等对不同初始电阻率的土壤进行冲击试验，发现土壤的电离区存在相对土壤电离前一定比例大小的剩余电阻率，并随着注入电流的增大而减小［6］。陈名铭等对不同含水量情况下的土壤的冲击特性进行研究发现：随着土壤含水量的提高，它的电阻率逐渐减小，同时放电时延也随之减小［7］。何金良等采用模拟试验，对接地电极尺寸、冲击电流幅值、土壤初始电阻率等因素对接地装置的冲击接地电阻的影响规律进行研究［8］。综合来看，现有的研究提出了土壤含水量、含盐量等影响土壤冲击电阻的关键因素，但是研究的角度一般都是从稳态的冲击电阻值来分析，鲜有从动态冲击电阻角度来分析关键影响的研究。

从国内外的研究现状来看，对于接地装置冲击电阻的研究基本采用的是幅值之比的定值研究方法，而由于冲击电压、冲击电流幅值并非同时出现，导致了这种处理方式是不够准确的。因此，从动态冲击电阻的角度出发，考虑冲击电阻的时变性，采用模拟试验，对冲击电阻的非线性特性进行研究。并且，通过试验研究土壤含水量、含盐量及土壤种类对土壤动态冲击阻抗的影响规律。

1 试验过程

1.1 试验装置

在冲击电流作用下的土壤的动态冲击电阻的原理如图1所示。可分为两个主要部分，即冲击电流发生器和数据图像采集系统。

图1 接地装置冲击散流模拟试验原理

其中T1是额定容量为3 kVA的调压器；T2是升压比为380 V／45 kV的升压变压器；D为最大允许电流1 A的高压整流器；r1为保护水阻；充电电容器组C由10台0.3 μF的脉冲电容器圆环式排列并联组成；G为点火球隙；L和R分别为调波电感和调波电阻；F为电阻分压器；H为管式分流器；S为试品；P为直径为50 cm的半球形沙槽；砂池内用细纱来模拟土壤，可以分别通过晾晒细砂和在砂池中加水或加盐来改变含水和含盐量。CT为穿芯式PERSON电流传感器，DSO（digital storage oscilloscope）为高压数字示波器。

1.2 试验原理

试验时，首先幅值为380 V的交流电压通过调压器进行调压得到所需要的低电压，然后再把得到的低电压通过变压器升压得到需要的高等级电压。然后再通过硅堆整流元件得到直流电压，再向并联的多个电容同时充电。充电结束后通过点火球隙触发使并联的多个电容几乎同时放电，通过土壤形成一个完整的回路；放电时可以通过电流传感器测量土壤放电时的放电电流波形，通过电容分压器测量电压波形，统一通过示波器显示；最后再根据试验数据和图像得到动态冲击阻抗的曲线图，并进行分析得出结论。

试验中的冲击电流短路波形为8／20 μs，注入的典型雷电流波形如图2所示，施加的冲击电流幅值为2.5 kA。试验土壤样品为细砂（主要成分SiO2）构成的模拟土壤，在研究过程中含水量有8种，分别为3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%、18%； 含盐量有5种，分别为 0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1%；按照国际土壤分类标准，选取了典型土壤沙土和黏土两种类型的土壤。由于每一次放电后，土壤的电气特性都已经发生改变，为了保证准确性，每一次放电完成后均对试验土壤进行重新均匀混合处理。

图2 试验采用的短路雷电流波形

2 结果与分析

2.1 试验结果

通常所说的接地装置的冲击电阻都是指冲击电压幅值和注入冲击电流幅值之比，采用时变动态冲击电阻的方法，认为某一时刻的冲击电阻值是这一时刻的冲击电压值与冲击电流的比值，冲击电阻呈现的是非线性时变的特性，其表达式为

式中：Ut和It分别为t时刻的冲击电压值与电流值。

由于在t=0时刻（冲击电流进入土壤样品的瞬间）以前土壤中没有电流，土壤的电阻是固定不变的，因此可以不考虑0时刻以前的冲击电阻。另外，由于土壤颗粒之间存在的空隙导致土壤颗粒之间存在一定大小的电容，因此在放电即将结束时土壤中的电容对放电的影响相对较大，存在一定的电容放电现象，导致在电流电压波形的波尾处会出现负的情况，从而计算出来的冲击电阻值出现负值。本文主要是研究放电过程中冲击电阻的动态变化，在电流和电压波尾处的值相对于各自的幅值而言都比较小，可以忽略，因此不考虑冲击放电结束时的电容放电对冲击电阻值的影响。以含盐量为0.5%的沙土为例，根据模拟试验结果，当含水量在3%~18%变化时，通过计算得到了时变非线性冲击电阻，结果如图3所示。

图3 不同含水量下的动态冲击电阻（沙土）

以沙土为例，在相同的土壤含盐量以及相同的电流幅值条件下，土壤的动态冲击电阻都会呈现先减小后增加的非线性变化情况：在冲击电流注入的起始阶段动态冲击电阻衰减的速率小，随后速率变大，会衰减到一个最小值（出现在冲击电压和冲击电流的波尾部分），最后再逐渐回升。分析其原因，可能是因为在土壤中注入冲击电流时，土壤会逐渐电离甚至击穿，因此土壤的电阻会逐渐减小，随着电流的消散，电阻又慢慢回升。由于在最开始时电离程度发展缓慢，导致土壤电阻下降速率小，在土壤击穿的时候土壤电阻会急剧减小，但是随着含水量的增加前后速率的变化变小。

2.2 结果分析

为了对接地装置时变动态冲击电阻进行分析，根据非线性电阻的特点，取动态电阻的初始值、最小值、衰减时间作为其特征参量。某一条件下的动态电阻初始值的大小代表着土壤未电离前的介电性能，最小值则代表着该条件下的最大电离程度，而衰减时间说明了电离速率的快慢。

2.2.1 含水量的影响规律

在含盐量保持为0.5%、冲击电流幅值2.5 kA不变的条件下，对所选取的典型土壤沙土和黏土，分别进行不同含水量下的冲击放电试验，并计算了其动态冲击电阻，考虑所提出的3个特征值，比较不同含水量对于冲击电阻的影响，其计算结果如图4、图5所示。

图4 含水量对动态冲击电阻特征参数的影响规律（沙土）

图5 含水量对动态冲击电阻特征参数的影响规律（黏土）

由图4和图5中各个参数在不同含水量下的变化曲线可以发现，无论是沙土还是黏土，在相同的土壤含盐量以及冲击电流幅值下，当土壤的含水量增加时，土壤动态冲击电阻的初始值减小，土壤的动态冲击电阻的初始值逐渐减小，越有利于冲击电流的流散，提高接地装置散流性能；但是最小值增加，动态冲击电阻的衰减时间逐渐减小；而且几乎各个参数变化的速率都逐渐减慢。

2.2.2 含盐量的影响规律

在含水量保持为5%、冲击电流幅值2.5 kA不变的条件下，对所选取的典型土壤沙土和黏土，分别进行不同含水量下的冲击放电试验，并计算了其动态冲击电阻，考虑所提出的3个特征值，比较了不同含水量对于冲击电阻的影响，其计算结果如图6、图7所示。

图6 含盐量对动态冲击电阻特征参数的影响规律（沙土）

由图6和图7中各个参数在不同含盐量下的变化曲线可以发现，无论是沙土还是黏土，在相同的土壤含水量以及冲击电流幅值下，随着土壤含盐量的增加，土壤动态冲击电阻的初始值减小，但是最小值增加，动态冲击电阻的衰减时间逐渐减小；而且各个参数变化的速率几乎都逐渐减慢土壤的动态冲击电阻的初始值逐渐减小，越有利于冲击电流的流散，提高接地装置散流性能。

图7 含盐量对动态冲击电阻特征参数的影响规律（黏土）

2.2.3 土壤种类的影响规律

采用控制变量法研究单一因素的影响，保持含盐量和含水量相同的情况下，施加相同的雷电流，对沙土和黏土的冲击电阻非线性特性进行了对比研究，结果如图8所示。

图8 土壤种类对动态冲击电阻特征参数的影响规律

由图8中各个参数在不同土壤种类下的变化曲线可以发现，在其余条件相同的情况下，黏土的动态冲击电阻的初始值、最小值、衰减时间都要比沙土对应的各个参数小，其中动态冲击电阻的初始值和衰减时间差别较小。原因分析：由于黏土的吸水性和保水性都较沙土的强，在相同的情况下黏土颗粒吸水后其土壤间的空气间隙相对沙土较大，导致黏土的导电性较沙土强，因此相同情况下黏土的动态冲击电阻的初始值、最小值、衰减时间都要比沙土对应的各个参数小，黏土越有利于冲击电流的流散，提高接地装置散流性能。

3 结语

针对接地装置冲击散流过程中的动态冲击电阻及其影响因素展开了研究，采用同一时刻的冲击电压与冲击电流的比值来模拟接地装置的动态冲击电阻，通过模拟试验得到了土壤含水量、含盐量以及土壤种类等关键参数对动态冲击电阻的影响规律。

同一土壤在相同的含盐量、冲击电流幅值时，随着土壤含水量的增加，土壤的动态冲击电阻的初始值逐渐减小、最小值逐渐增大、衰减时间逐渐减小；由于饱和现象，各参数的变化速率都会减小。

同一土壤在相同的含水量、冲击电流幅值时，随着土壤含盐量的增加，土壤的动态冲击电阻的初始值逐渐减小、最小值逐渐增大、衰减时间逐渐减小；由于饱和现象，各参数的变化速率都会减小。

同一含水量、含盐量、冲击电流幅值情况下，黏土与沙土相比，动态冲击电阻的初始值、最小值、衰减时间、冲击电阻都相对较小，黏土更有利于冲击电流的流散，提高接地装置散流性能。但动态冲击电阻的初始值和衰减时间减小得并不明显。

［1］朱时阳，袁涛，朱彬.分层土壤中接地装置冲击散流特性的有限元分析模型［J］.电网技术，2014，38 （8）：2 304-2 309.

［2］李景丽，袁涛，杨庆，等.考虑土壤电离动态过程的接地体有限元模型［J］.中国电机工程学报，2011，31（22）：149-157.

［3］王建国，夏长征，文习山，等.垂直接地体冲击电流作用下接地电阻的测量［J］.高电压技术，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，陈先禄.输电线路杆塔接地装置冲击特性的模拟原理［J］.清华大学学报（自然科学版） ，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］陈名铭，曹晓斌，杨琳，等.同轴圆柱形电极下土壤冲击特性的试验研究［J］.电网技术，2013，37（8）：2 291-2 296.

［8］何金良，曾嵘，陈水明，等.输电线路杆塔冲击接地电阻特性的模拟试验研究［J］.清华大学学报（自然科学版），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，讲师，从事电力系统过电压保护工作。