接地網(wǎng)沖擊接地特性的試驗分析

李 峰，趙志浩，馬愛清

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

電氣接地是電氣設(shè)備使用過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，其目的是在正常情況和遭遇雷電、電磁干擾時，通過接地裝置將電氣設(shè)備的電位限制在允許范圍內(nèi).由于雷電電磁脈沖的幅值極大，存在時間短，不良的接地會造成電子產(chǎn)品中的元件受到嚴(yán)重?fù)p毀.如今微電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，對設(shè)備的接地提出了更高的要求.如何妥善處理雷電沖擊電流，屏蔽電磁干擾的影響變得越來越重要.

目前，城市中心的大型建筑物或變電站幾乎都使用接地網(wǎng)來接地.工頻電流下，接地網(wǎng)的接地電阻基本不受注入點位置的影響.[1]而在脈沖電流下，由于電感效應(yīng)等因素的影響，隨著注入點的不同，沖擊接地電阻也會不同.[2]本文在試驗場地埋設(shè)接地網(wǎng)，研究電磁脈沖(EMP)電流泄流到接地網(wǎng)不同注入點時接地網(wǎng)的沖擊特性，包括不同波前時間的脈沖電流下的沖擊接地電阻和注入點位置的影響規(guī)律.

1 沖擊接地電阻的測量和電壓參考點的選取

測量接地體沖擊接地電阻的方式采用了三極法，測量接線示意圖如圖1所示.

圖1 沖擊接地特性試驗現(xiàn)場接線示意

脈沖電流發(fā)生器正極接被測接地極，負(fù)極接電流回流極C.為了找到合適的電壓參考點，并減少沖擊測量中電流極和電位極之間的干擾，脈沖電流注入水平接地極末端時，選擇 IEEE Std 81.2—1991的測量方法，使電流極和電位極引線之間垂直.同時，為使接地電阻的誤差小于5%，將電流極C和電位極P的引線充分拉長，引出的電流極接地，距離接地體150 m.另放置一電位極，同樣距離接地體150 m.采用九宮格狀金屬網(wǎng)作為接地體，規(guī)格為15 m×15 m，埋深0.5 m.本試驗場地的平均土壤電阻率為300 Ω·m.在測量接地體的沖擊特性前，需先測量接地體的工頻接地電阻，通過61.8%法[3]測量的接地網(wǎng)工頻接地電阻為9.2 Ω.

2 電流極和電位極的水平布置方式

由于接地網(wǎng)注入點較多，因此進行了4種電流注入方式的試驗.試驗中選取了4個不同的脈沖電流注入點，目的是考察在4種注入方式下，電感效應(yīng)對沖擊接地特性的影響.由脈沖電流發(fā)生器發(fā)出相同波形、幅值的脈沖電流，測取不同注入點情況下的沖擊接地電阻.在選取不同的注入點時，為了使電流極和電位極引線之間垂直，電流極和電位極的水平布置方式也有所改變，如圖2所示.

圖2 電流極和電位極的布置示意

3 測量結(jié)果及分析

3.1 不同注入點的電壓和電流波形

為了測試不同電流注入點的接地電阻特性，測取了15 m×15 m接地網(wǎng)4個注入點的電壓和電流隨時間變化的波形，如圖3所示.脈沖電流峰值均為10 A，波前時間約為7 μs.點1，點2，點3的電壓波形相近，點3的電壓幅值相對點1，點2較小，點4的電壓幅值最小.

圖3 各脈沖電流注入點的電流和電壓波形

從注入點在接地網(wǎng)上的位置看，點1位于接地體的頂點，脈沖電流在導(dǎo)體內(nèi)只能沿著兩根導(dǎo)體分散，接地網(wǎng)的等效感抗較大，使得注入點電位升高.點2和點3位于接地網(wǎng)的邊線，有3條散流支路，泄流效果更好.

在布置注入點3時，電位極P在接地網(wǎng)上存在一段長度，使測得的電位值比實際值略小，因此其電壓幅值相對點2略小.而注入點4位于接地網(wǎng)的內(nèi)部，此點脈沖電流有4條散流支路，泄流效果最優(yōu)，注入點電位最低.

3.2 接地網(wǎng)的有效面積

接地導(dǎo)體在脈沖電流下會表現(xiàn)出電感效應(yīng)，阻礙電流向遠(yuǎn)方導(dǎo)體傳播，削弱了導(dǎo)體的散流作用，通常使用有效長度這一概念對單根接地體的接地效果進行測算和評估.[4]

同樣，可以由這一概念引申出接地網(wǎng)的有效接地面積，即當(dāng)接地網(wǎng)的水平面積小于或等于有效面積時，接地網(wǎng)的接地效果與它的大小有直接關(guān)系.但當(dāng)接地網(wǎng)的面積超出有效面積后，繼續(xù)增大接地網(wǎng)的面積大小就無法有效地增加接地效果.[5-6]不同注入點的沖擊接地有效面積如圖4所示.

圖4 不同注入點的沖擊接地有效面積

對于注入點1，其位于接地網(wǎng)的一角，因此其等效接地面積較小，在脈沖電流下的沖擊電阻較高.4個不同的注入點中，位于接地網(wǎng)中央?yún)^(qū)域的注入點4與點1位置差別最大，它的有效面積最大，沖擊接地電阻最小.

3.3 沖擊接地電阻的計算

沖擊阻抗Zt定義為瞬時沖擊電壓Ut與沖擊電流It之比，即Zt=Ut/It.[7-9]通過所測得的波形分別讀出沖擊電壓Ut和脈沖電流It.計算得出沖擊接地電阻隨時間變化曲線，如圖5所示.

圖5 各脈沖電流注入點的沖擊電阻曲線

由圖5可知，點2和點3的注入位置相似，它們的沖擊阻抗暫態(tài)變化過程近似，沖擊接地電阻的變化曲線貼合.點1和點4注入位置相差較大，它們的波形有較大區(qū)別.點1的電阻變化曲線變化較緩，脈沖電流達(dá)到峰值前，沖擊接地電阻的數(shù)值與其他組相比偏大，電感效應(yīng)十分明顯.而點4的電阻波形較陡，電阻迅速達(dá)到最小值，而后上升.20 μs之后，各注入點的沖擊接地電阻趨于相同.

將圖5中0～5 μs時間段波形放大，如圖6所示.

圖6 沖擊接地電阻曲線上升部分放大波形

由圖6可以清晰地看到?jīng)_擊接地電阻瞬間的變化情況:在0.5 μs之前，點 1，點 2，點 3 的沖擊電阻均超過16 Ω;點4的沖擊接地電阻在脈沖電流發(fā)出的瞬間值小于 12 Ω，明顯低于其他注入點.

此處定義沖擊接地電阻為沖擊電壓峰值Um與沖擊電流峰值Im之比，即R=Um/Im，分別對接地網(wǎng)每個注入點施加不同的脈沖電流，通過對測出的不同波前時間下的沖擊接地電阻進行曲線擬合，得到了波前時間-沖擊接地電阻特性曲線，如圖7所示.

圖7 各注入點在不同脈沖電流下的沖擊接地電阻曲線

改變脈沖電流的波前時間，對試驗中4個注入點的沖擊接地電阻均會造成影響，但不同的注入點影響程度不同.波前時間小于10 μs時，沖擊接地電阻注入點1最大，注入點4最小，波前時間越短，不同注入點間沖擊接地電阻的差別越大;電流的波前時間大于20 μs后，各注入點的沖擊接地電阻幾乎相同.體現(xiàn)了電感作用對沖擊接地電阻的影響.

4 結(jié)語

本試驗采用三極法測量沖擊接地電阻，電極位置的布置參考了IEEE Std 81.2—1991，從而避免了脈沖電流對于電位測量的影響，提高了測量結(jié)果的精確度.通過試驗發(fā)現(xiàn)，脈沖電流從接地網(wǎng)的中心注入相比于從邊角注入，更能有效降低接地點的電位;對于波前時間較小的脈沖電流，從接地網(wǎng)的中心注入可明顯改善沖擊接地電阻暫態(tài)值，降低接地點電位，提高接地設(shè)備的安全系數(shù).

[1]連春雨，應(yīng)朝龍，石永山.接地體的沖擊電阻的分析與計算[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2006，21(4):497-500.

[2]司馬文霞，李曉麗，袁濤，等.不同結(jié)構(gòu)土壤中接地網(wǎng)沖擊特性的測量與分析[J].高電壓技術(shù)，2008，34(7):1 342-1 346.

[3]徐程，龐亮.直線三極法接地電阻測試原理與方法[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2010(10):177-179.

[4]楊琳，吳廣寧，曹曉斌，等.接地體雷電暫態(tài)響應(yīng)建模分析[J].中國電機工程學(xué)報，2011，31(13):142-146.

[5]高延慶，何金良，曾嶸.接地網(wǎng)格的雷電沖擊特性[J].電工技術(shù)雜志，2002(12):9-12.

[6]ZENG Rong，GONG Xuehai，HE Jinliang，et al.Lightning impulse performances ofgrounding grids for substations considering soil ionization[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23(2):667-675.

[7]夏長征，陳慈萱，文習(xí)山.伸長接地體沖擊特性的研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2003，36(1):54-58.

[8]鄧長征，楊迎建，童雪芳，等.接地裝置沖擊特性研究分析[J].高電壓技術(shù)，2012，38(9):2 447-2 454.

[9]楊琳，田曉菲，李建明.接地裝置暫態(tài)特性分析[J].四川電力技術(shù)，2010，33(3):1-2.