接地网冲击接地特性的试验分析

李 峰，赵志浩，马爱清

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

电气接地是电气设备使用过程中非常重要的一个环节，其目的是在正常情况和遭遇雷电、电磁干扰时，通过接地装置将电气设备的电位限制在允许范围内.由于雷电电磁脉冲的幅值极大，存在时间短，不良的接地会造成电子产品中的元件受到严重损毁.如今微电子产品的快速发展，对设备的接地提出了更高的要求.如何妥善处理雷电冲击电流，屏蔽电磁干扰的影响变得越来越重要.

目前，城市中心的大型建筑物或变电站几乎都使用接地网来接地.工频电流下，接地网的接地电阻基本不受注入点位置的影响.[1]而在脉冲电流下，由于电感效应等因素的影响，随着注入点的不同，冲击接地电阻也会不同.[2]本文在试验场地埋设接地网，研究电磁脉冲(EMP)电流泄流到接地网不同注入点时接地网的冲击特性，包括不同波前时间的脉冲电流下的冲击接地电阻和注入点位置的影响规律.

1 冲击接地电阻的测量和电压参考点的选取

测量接地体冲击接地电阻的方式采用了三极法，测量接线示意图如图1所示.

图1 冲击接地特性试验现场接线示意

脉冲电流发生器正极接被测接地极，负极接电流回流极C.为了找到合适的电压参考点，并减少冲击测量中电流极和电位极之间的干扰，脉冲电流注入水平接地极末端时，选择 IEEE Std 81.2—1991的测量方法，使电流极和电位极引线之间垂直.同时，为使接地电阻的误差小于5%，将电流极C和电位极P的引线充分拉长，引出的电流极接地，距离接地体150 m.另放置一电位极，同样距离接地体150 m.采用九宫格状金属网作为接地体，规格为15 m×15 m，埋深0.5 m.本试验场地的平均土壤电阻率为300 Ω·m.在测量接地体的冲击特性前，需先测量接地体的工频接地电阻，通过61.8%法[3]测量的接地网工频接地电阻为9.2 Ω.

2 电流极和电位极的水平布置方式

由于接地网注入点较多，因此进行了4种电流注入方式的试验.试验中选取了4个不同的脉冲电流注入点，目的是考察在4种注入方式下，电感效应对冲击接地特性的影响.由脉冲电流发生器发出相同波形、幅值的脉冲电流，测取不同注入点情况下的冲击接地电阻.在选取不同的注入点时，为了使电流极和电位极引线之间垂直，电流极和电位极的水平布置方式也有所改变，如图2所示.

图2 电流极和电位极的布置示意

3 测量结果及分析

3.1 不同注入点的电压和电流波形

为了测试不同电流注入点的接地电阻特性，测取了15 m×15 m接地网4个注入点的电压和电流随时间变化的波形，如图3所示.脉冲电流峰值均为10 A，波前时间约为7 μs.点1，点2，点3的电压波形相近，点3的电压幅值相对点1，点2较小，点4的电压幅值最小.

图3 各脉冲电流注入点的电流和电压波形

从注入点在接地网上的位置看，点1位于接地体的顶点，脉冲电流在导体内只能沿着两根导体分散，接地网的等效感抗较大，使得注入点电位升高.点2和点3位于接地网的边线，有3条散流支路，泄流效果更好.

在布置注入点3时，电位极P在接地网上存在一段长度，使测得的电位值比实际值略小，因此其电压幅值相对点2略小.而注入点4位于接地网的内部，此点脉冲电流有4条散流支路，泄流效果最优，注入点电位最低.

3.2 接地网的有效面积

接地导体在脉冲电流下会表现出电感效应，阻碍电流向远方导体传播，削弱了导体的散流作用，通常使用有效长度这一概念对单根接地体的接地效果进行测算和评估.[4]

同样，可以由这一概念引申出接地网的有效接地面积，即当接地网的水平面积小于或等于有效面积时，接地网的接地效果与它的大小有直接关系.但当接地网的面积超出有效面积后，继续增大接地网的面积大小就无法有效地增加接地效果.[5-6]不同注入点的冲击接地有效面积如图4所示.

图4 不同注入点的冲击接地有效面积

对于注入点1，其位于接地网的一角，因此其等效接地面积较小，在脉冲电流下的冲击电阻较高.4个不同的注入点中，位于接地网中央区域的注入点4与点1位置差别最大，它的有效面积最大，冲击接地电阻最小.

3.3 冲击接地电阻的计算

冲击阻抗Zt定义为瞬时冲击电压Ut与冲击电流It之比，即Zt=Ut/It.[7-9]通过所测得的波形分别读出冲击电压Ut和脉冲电流It.计算得出冲击接地电阻随时间变化曲线，如图5所示.

图5 各脉冲电流注入点的冲击电阻曲线

由图5可知，点2和点3的注入位置相似，它们的冲击阻抗暂态变化过程近似，冲击接地电阻的变化曲线贴合.点1和点4注入位置相差较大，它们的波形有较大区别.点1的电阻变化曲线变化较缓，脉冲电流达到峰值前，冲击接地电阻的数值与其他组相比偏大，电感效应十分明显.而点4的电阻波形较陡，电阻迅速达到最小值，而后上升.20 μs之后，各注入点的冲击接地电阻趋于相同.

将图5中0～5 μs时间段波形放大，如图6所示.

图6 冲击接地电阻曲线上升部分放大波形

由图6可以清晰地看到冲击接地电阻瞬间的变化情况:在0.5 μs之前，点 1，点 2，点 3 的冲击电阻均超过16 Ω;点4的冲击接地电阻在脉冲电流发出的瞬间值小于 12 Ω，明显低于其他注入点.

此处定义冲击接地电阻为冲击电压峰值Um与冲击电流峰值Im之比，即R=Um/Im，分别对接地网每个注入点施加不同的脉冲电流，通过对测出的不同波前时间下的冲击接地电阻进行曲线拟合，得到了波前时间-冲击接地电阻特性曲线，如图7所示.

图7 各注入点在不同脉冲电流下的冲击接地电阻曲线

改变脉冲电流的波前时间，对试验中4个注入点的冲击接地电阻均会造成影响，但不同的注入点影响程度不同.波前时间小于10 μs时，冲击接地电阻注入点1最大，注入点4最小，波前时间越短，不同注入点间冲击接地电阻的差别越大;电流的波前时间大于20 μs后，各注入点的冲击接地电阻几乎相同.体现了电感作用对冲击接地电阻的影响.

4 结语

本试验采用三极法测量冲击接地电阻，电极位置的布置参考了IEEE Std 81.2—1991，从而避免了脉冲电流对于电位测量的影响，提高了测量结果的精确度.通过试验发现，脉冲电流从接地网的中心注入相比于从边角注入，更能有效降低接地点的电位;对于波前时间较小的脉冲电流，从接地网的中心注入可明显改善冲击接地电阻暂态值，降低接地点电位，提高接地设备的安全系数.

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