一種接地電阻測量和控制系統(tǒng)模型的設計研究

史 貴 風

[上海電器科學研究所(集團)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

在每個電氣系統(tǒng)中,如何保證設備和人員的安全都是首先需要考慮的問題。日常生活中最常見的建筑電氣安全(火災)事故起因包括漏電觸電、短路、過載、接觸電阻過大、雷擊等。在這些起因中,漏電觸電和雷擊事故可以通過對系統(tǒng)進行有效的接地來降低發(fā)生概率,甚至避免其發(fā)生。接地電阻值是評估接地系統(tǒng)的重要技術指標,是衡量接地系統(tǒng)有效性、連續(xù)性、安全性以及鑒定接地系統(tǒng)是否符合設計要求的重要參數(shù)[1]。由于土壤電阻率的各向異性及復雜的地形因素,接地系統(tǒng)的接地電阻設計值與實際值有可能相差甚遠;此外,接地電網(wǎng)和接電極每年都會有不同程度的腐蝕,使接地網(wǎng)的接地電阻發(fā)生變化[1]。因此,接地電阻的測量是接地系統(tǒng)驗收和運行過程中檢查其是否合格的重要手段。如何簡便、準確地測量接地系統(tǒng)的真實接地電阻,是長期困擾電力工作者的一大難題[1]。

本文通過模擬理想試驗的形式,設計了一種可自動反饋調節(jié)的接地電阻測量和控制系統(tǒng)模型,探討了如何避免接地電阻真實值與設計值之間出現(xiàn)巨大差異的問題。

1 接地電阻概述

接地電阻是電流在流經(jīng)接地部件到大地過程所感測到的接地電極的電阻。該電阻受接地電極表面(金屬表面的氧化物)和靠近接地電極的大部分地面的電阻(接觸電阻)的影響[2]。接地電極示意圖如圖1所示。

1.1 接地電阻分類及限值

接地是通過接地裝置實現(xiàn)的,而接地裝置是接地線和接地電極的總和。接地的作用主要是:防止人身遭受電擊,防止設備和線路遭受損壞,預防火災,防止雷擊、靜電損害,保障電力系統(tǒng)正常運行。從本質上講,接地電阻是在正常和事故以及雷擊的情況下,利用大地作為接地電流回路的一個元件,從而將設備接地處固定為所允許的接地電位。

由以上接地的作用可以看出,電氣系統(tǒng)的接地按其目的的不同可分為如下幾種[3-5]:

(1) 保護接地。其目的是為了保護人身的安全,例如電氣設備的金屬外殼、底座等由于絕緣損壞而有可能帶電的部分應進行接地,以免觸電危險。

(2) 工作接地。其目的是為了保證電力系統(tǒng)的正常運行,例如電力變壓器中性點的接地。

(3) 防雷接地。其目的是為了把雷電流引入地中,以消除過電壓的危險影響。常見于建筑物上,尤其是高層建筑上,例如避雷針、避雷器,向地泄放雷電流而設的接地。

GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》、GB/T 21431—2015《建筑物防雷裝置檢測技術規(guī)范》中均對不同條件下獨立接地電阻的限值做了相應的規(guī)定,如表1所示。

表1 不同條件下獨立接地電阻的限值

1.2 接地電阻測量方法

現(xiàn)有的接地電阻測量方法主要有以下幾種:

(1) 兩點法或直接法。

(2) 使用一個三端子和兩個四端子儀器的三點式電位下降法。

(3) 鉗表法。

(4) 四極接地電阻測量法。

2 接地電阻測控系統(tǒng)模型設計

接地電極與土壤之間接觸示意圖如圖2所示。

圖2 接地電極與土壤之間接觸示意圖

從圖1可以看出,接地電極與土壤之間的接觸不是面接觸,而是類似于圖2所示的點接觸[6],表現(xiàn)為整個接觸層是由土壤顆粒和氣隙無規(guī)則排列組成的,減少實際接觸面積,造成收縮電阻的存在[7]。為了保證接地系統(tǒng)安全有效,接地電極表面的接觸電阻必須非常小,整個接地電阻的限值要求詳見表1。地面接觸電阻會隨氣候變化而變化,其中氣候變化帶來土壤濕度的變化是影響接觸電阻變化的主要因素,如在高溫下地面濕度降低會導致接觸電阻增加。此時,如果能夠監(jiān)測土壤濕度的變化情況,并根據(jù)監(jiān)測結果來自動判別是否需要調節(jié)土壤濕度,則可以達到調節(jié)接觸電阻值的目的。

本文在模擬試驗室環(huán)境下建立一種接地系統(tǒng)模型,通過使用土壤濕度傳感器,接地電極和地下供水系統(tǒng)來測量和控制接地電阻。模型中采用直接法來測量接地電阻,施加于接地電極的電壓產(chǎn)生電流流過地面,從而計算出接地電阻值。如果接地電阻值不超過參考值(如防雷接地中10 Ω的參考限值),系統(tǒng)將繼續(xù)測量,否則系統(tǒng)將自動控制并啟動地下供水系統(tǒng),以增加土壤濕度,降低接地電阻。

2.1 模型建立

假設在一個無干擾的敞開式實驗室的環(huán)境下,對不同地區(qū)的地面情況,如濕度和溫度進行監(jiān)測分析。土壤電阻率計算公式[8]:

ρ=2πrx

(1)

式中:ρ——土壤電阻率,Ω·m;

r——實測電阻值,Ω;

x——鉆孔深度,m。

當有設置多個監(jiān)測點時,應對所有的測量參數(shù)進行相同的計算,并引入季節(jié)系數(shù)進行接地電阻測試。季節(jié)系數(shù)如表2所示。平均土壤電阻率計算:

(2)

式中:ρavg——平均土壤電阻率,Ω·m;

k——季節(jié)系數(shù);

n——監(jiān)測點數(shù)量。

表2 季節(jié)系數(shù)

接地電阻值計算式如下[9]:

R1=(ρ/1.915L)[ln(96L/d)-1]

(3)

式中:L——接地電極長度,m;

d——接地電極直徑,m。

當有多個監(jiān)測點時,式(3)中ρavg代替ρ。

理論計算接地極直徑[10]:

(4)

式中:D——接地極直徑,m;

A——試驗區(qū)域面積,m2。

分別在接地極附近土壤水平、垂直方向進行接地電阻監(jiān)測、測量。水平接地電阻計算[10]:

(5)

垂直接地電阻計算:

(6)

綜合式(5)、式(6),得到等效接地電阻計算式:

(7)

2.2 模型結構

通過對試驗區(qū)接地極相關參數(shù)的測量、計算,模型中控制終端根據(jù)系統(tǒng)設置的接地電阻限值條件(10 Ω)來判斷是否需要對土壤濕度進行調節(jié)。模型結構如圖3所示[11]?？紤]到水的電阻特性和經(jīng)濟性,模型中調節(jié)土壤濕度通過在電極附近土壤釋放自來水來實現(xiàn)。通過控制信號驅動自動水閥2的開啟來釋放蓄水池中的水,進行土壤補水操作;蓄水池中的水通過自動水閥1的連接,直接來自市政自來水管。模型系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測接地電阻變化情況,及時控制調節(jié)信號輸出,并在整個過程中把相關信息傳遞到人機交互界面(HMI)。

圖3 模型結構

2.3 模型運行流程

模型運行流程如圖4所示。該模型流程實現(xiàn)閉環(huán)控制,一旦開啟,可實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行,實時監(jiān)測接地電阻變化,并根據(jù)與設置值的匹配比較,反饋輸出控制信號,實現(xiàn)自動調節(jié)土壤濕度及間接調節(jié)接地電阻值,以避免當前實際接地電阻值與當初設計值之間的巨大差異。模型系統(tǒng)在運行時,如果增加接地電阻報警功能,還可通過HMI的信息進行及時預警。

3 結 語

通過在實際檢測工作中對接地電阻相關知識的了解,選取接地電極表面接觸電阻與附近土壤濕度之間的影響關系作為模型設計出發(fā)點,在理想實驗室環(huán)境下,模擬設計接地電阻測量控制系統(tǒng)。當氣候季節(jié)變化時(主要影響因素為土壤濕度變化),接地電阻會發(fā)生較大改變,模型設計的自動控制系統(tǒng)給接地電極附近土壤補水,以減小接地極接觸電阻。在實際工程應用中,人們常常會通過一些措施來減小接觸電阻,如采用細土或降阻材料回填,并適量澆水夯實;增大導體截面,用扁平導體代替圓柱導體等。

圖4 模型運行流程