接地装置雷电冲击特性的研究分析

杨财伟

（国网重庆市电力公司 检修分公司，重庆 400039）

接地装置雷电冲击特性的研究分析

杨财伟

（国网重庆市电力公司 检修分公司，重庆 400039）

以土壤电离现象为基础，总结评析目前关于接地装置雷电冲击特性的研究进展，并对研究接地装置暂态特性的建模进行分类，评析目前接地装置的暂态建模方法。

接地装置；土壤电离；放电区域；暂态特性

接地装置雷电冲击特性主要指雷电流沿着接地体在土壤里流散的过程中，引起的周围暂态电位的抬升。当冲击电流作用下的接地阻抗较大时，会造成暂态电位急剧上升，引起较大的跨步电压和接触电压，危及人身与设备的安全。此外，冲击接地阻抗较大时，会导致杆塔塔顶电位较高，从而容易引起反击闪络。因此，对于接地装置雷电冲击特性的准确评估，改善和保证接地装置良好的冲击接地性能，具有十分重要的意义。

高幅值雷电流入地散流时，当土壤中局部场强超过临界击穿场强会发生土壤电离现象。早在1928年，Towne等［1］就已经通过实验证实，高幅值雷电流作用下的接地阻抗明显要比工频电流下的小。Bellaschi等［2］通过实验发现，冲击电流作用下的土壤电阻率会发生下降的现象。冲击电流作用下的土壤电离效应被证实是有助于降低接地阻抗、减小暂态地电位升高的重要因素。

如何准确地分析评估接地装置的冲击特性是防雷设计的重要基础。近些年来，巴西的Visacro等［3］通过考虑土壤参数的频变特性来研究入地电流频率变化对接地装置冲击特性的影响；国内何金良、张波等［4］则以土壤电离现象为主，对接地装置的雷电冲击特性进行了研究。实际上，从20世纪20年代开始，大量的学者通过实验和仿真对接地装置暂态特性进行研究，并且获得了丰富的研究成果。本文在总结已有成果的基础上，从土壤电离区域成像、电离区域的剩余电阻率、临界击穿场强、土壤冲击击穿时延以及土壤击穿机理等方面对已有的研究成果进行了分析总结，并且对研究接地装置暂态特性的建模进行了分类，评析了目前接地装置的暂态建模方法。

1 土壤放电区域的成像

因为土壤的放电主要集中在接地导体附近，所以发生在土壤介质内部的放电过程缺乏有效、直观的观测方式。尽管如此，国内外许多专家学者还是利用一些方法对土壤电离区域进行观测研究。如图1所示，Liew A C等［5］观测到高幅值冲击电流作用下，高电阻率湿沙表面的离散放电通道，但实际上他们观测到的是沿着土壤和空气分界面的沿面闪络。如图2所示，一些学者通过将X射线胶片埋于土壤中［6］，来记录土壤放电的通道，最后将多张局部成像结果结合在一起，从而获得整体的成像结果。最新的研究进展显示，已有学者利用独立的X射线源来拍摄土壤放电通道［7］。如图3所示，对于简单垂直接地极来说，随着所加的冲击电流幅值的增大，放电影响区域变化明显，呈增大趋势，在某些幅值电流作用下，出现了明显的分支情况。X射线胶片的方式是通过放电电弧自身产生的X射线作用于胶片上来成像。而文献［7］中，则是通过外加的X射线源来拍摄土壤放电区域，对比两种方法可以看出，文献［7］中提出的方法成像效率更高，且成像结果更加清晰。

图1 垂直桩顶端土壤的表面火花放电图像

图2 冲击电流作用下的接地极附近的火花放电和电弧放电图像

图3 不同幅值冲击电流作用下的垂直极附件放电通道的灰度图像

实验研究表明，潮湿的黏土中土壤放电区域要比干沙中的区域大很多。在细沙中，沙粒是很均匀的，沙粒之间的空气间隙会很小，因此，干沙中的电离现象会很弱。而在潮湿的黏土中，黏土颗粒的大小变化很大，颗粒之间的空气隙会较大，导致放电区域会得到大幅度增加。一般来说，火花放电和电弧放电更容易发生在不均匀的土壤中，因为不均匀土壤中的电流更容易集中在若干的放电通道中。在不均匀土壤中，放电通道非常细小，尤其是对于实际中的极不均匀土壤，土壤放电通道会更少，并且最终以火花放电和电弧放电的形式出现。

如图4所示，土壤电离沿着土壤颗粒之间的空气间隙发展。土壤电离区域以蒸汽的形式从接地极周围向外不断传播。传播的速度和最终蒸汽的长度主要取决于注入电流或者电压的大小、土壤电阻率和土壤的均匀程度。

通过实验可以发现，土壤放电通道趋向于沿着低电阻率的区域发展，从而进一步降低接地电阻。这说明，在计算接地装置雷电冲击特性时，一般将土壤放电区域作为均匀区域的假设是不对的。相比于均匀放电区域，这种长电弧通道会大大降低接地装置的接地电阻。这一点将会是与接地装置雷电冲击特性相关的重要研究课题。

图4 土壤电离传播模型

2 电离区域的剩余电阻率

2.1 土壤电离过程

当雷电冲击电流注入接地极时，接地极附近的土壤区域会发生电离现象。土壤中空气间隙的击穿导致了电离区域的电阻率下降到一个较低的值。图5所示为土壤电阻率随着注入电流的增大而不断减小的过程。此图是何金良等人在A.C.Liew和M. Darveniza［8］的模型的基础上改进得到的。冲击电流作用下的土壤结构可以分为4个区域。

（1）非电离区域：此区域的土壤电阻率保持为初始电阻率ρ0，直到电流密度超过临界电流密度值，此区域如图5中的a曲线所示。

（2）电离区域：当电流密度超过临界电流密度时，开始产生土壤电离现象。随着电流密度不断地增大，电离从接地导体附件的土壤开始持续向外发展，直到电场强度衰减到临界点。与此同时，沿着土壤颗粒的不规则表面出现了放电通道。这些通道随着电流密度的增大而生长。

土壤电阻率呈现出随时间变化的特点，电阻率沿着曲线b（见图5）不断减小。究其原因，是因为土壤中发生的击穿过程。假设其中的电离区域发生了随时间变化的增大过程,就会导致土壤电阻率的减小。

当电流达到其峰值点P时，电流仍能提供能量用于土壤电离过程的能量消耗，直到电流密度小于临界值，电离区域的剩余电阻率沿着路线2持续减小至ρi。

表1 文献中的不同条件下的起始击穿场强［9］

4 土壤冲击击穿时延

接地装置雷电冲击特性的另一个重要现象就是土壤冲击击穿时延。图7所示为土壤发生击穿时典型的电压和电流波形。当在土壤样品中施加冲击电压时，的电流随着电压的增大而增大，经过一个延迟时间td后发生击穿，电流急剧增大而电压却急剧下降；当冲击电压幅值较高时，击穿发生在波头阶段；幅值较低时，击穿发生在波尾阶段。由于击穿后的土壤剩余电阻率较小，导致了击穿后的电压保持在一个较低值。

图7 土壤击穿时典型的电压和电流波形

试验证明，0.5 m的棒-板电极注入冲击电流时，其中的湿黄土的冲击击穿时延时间在3～20μs之间变化。击穿时延是一个以土壤类型、接地极材料、接地极种类和电场强度为因变量的复杂函数。击穿时延受施加电压的影响较大，而这种现象对于实际中的雷电来说又可能会不同，这是因为雷电的电压太高，这一点还需要未来用更多的研究来证明。

5 土壤击穿机理

5.1 电击穿理论

在电击穿理论中，认为击穿的起始过程是一个电过程。土壤击穿过程被认为是由土壤颗粒之间的空气间隙产生的雪崩击穿引起的。一般来说，土壤颗粒的大小变化较大，而空气间隙的平均尺寸取决于土壤颗粒的大小。土壤中的空气间隙形状一般是不均匀的，特别是当土壤颗粒有细小、锋利的边缘时，这种情况更加明显。由于空气间隙的不规则形状的电场加强作用，土壤中空气间隙击穿时的电场强度要比等值的空气隙的击穿场强小很多。这就是所谓的“电场加强机制”，是土壤初始电离过程的原因。

相关实验表明，土壤分子的电离引起的土壤颗粒与电子之间发生高速碰撞时，引起了土壤击穿。电击穿理论认为，土壤击穿是由外加电场作用，造成的束缚电荷的非弹性位移而引起的。

5.2 热击穿理论

另一个土壤击穿的起始机理认为，击穿主要是由土壤中水分的热过程引起的。土壤是由非导电的土壤颗粒、颗粒表面的水分和盐分及矿物质组成的。土壤颗粒表面的水分形成了一系列的水通道，电流则是沿着这些通道流散的，击穿也发生在这些通道过程中。

热击穿理论认为，当施加冲击电流后，电流首先沿着这些水通道流动。电流的加热作用导致通道中的水分温度上升，水的电阻率下降。土壤的局部不均匀性会导致热不稳定，从而使电流汇集到更高温度处。最终，电流汇集到一个狭窄的通道，导致水分蒸发，土壤击穿沿着这一通道产生。

5.3 可能的土壤击穿机理

Leadon等［10］在空气中和SF6气体中分别对土壤的冲击击穿特性进行了试验。填满气体的土壤其击穿阈值比填满空气的要高2.5倍。Kirkici等［11］通过在真空中模拟月球土壤对其施加高压进行击穿的试验中发现，土壤的起始击穿场强达到60 kV/cm。此外，由前述可知，土壤颗粒的大小对于起始击穿场强值大小有很大的影响。上述研究结果极大地支持了土壤电击穿理论。由此可以认为，土壤的击穿是由于电子高速运动碰撞土壤颗粒间的空气间隙的气体分子，从而引起气体分子的电离造成的。

而另一方面，冲击击穿时延现象可以帮助解释土壤电击穿理论。比如说，在临界击穿电压值附件的电压稍微增大时，会引起土壤击穿时延大幅度减小。若从热击穿角度分析，是不会出现这种情况的。此外，试验结果表明水分含量越高，土壤击穿时延越长。这种现象也是热击穿理论解释不了的。根据热击穿理论，水分含量越高时，其土壤电阻率越低，那么电流就会越大，热击穿过程就会更容易发生，这显然和试验结果相反。

因此，可以得出这样一个结论，雷电流作用下的土壤击穿主要是由电击穿引起的。此外，在支持热击穿理论的文献中，它们报道了一个1 500 μs的击穿时延。而实际上，雷电流波形总时间少于100 μs，热击穿过程是很难在这么短的时间里面发生的。

6 接地装置暂态特性的建模

6.1 暂态特性分析方法

冲击电流作用下的接地装置冲击特性主要应该考虑的是两种物理过程，即取决于频率变化的电感效应和土壤非线性电离效应。在高频电流作用下的电感效应阻碍电流沿接地极流动，增大了接地装置的接地阻抗；而土壤非线性电离则可以看做是对接地导体半径的等效增大，从而减小了接地阻抗。针对接地装置暂态特性所包含的这两个物理过程，学者们提出了各种分析方法，大致可以分为以下四类。

（1）经验公式法：由于对接地装置中的雷电流散流过程不清楚，在最早的暂态特性研究中，人们提出了用经验公式法来计算接地装置的暂态特性。很显然，这些简化公式无法考虑电感效应和电离效应。

（2）电路法和传输线法：传统的建模方法主要基于电路理论或者传输线理论，这两种理论很难同时考虑土壤电离和电感效应。

（3）电磁场法：基于电磁场理论建立的暂态分析模型完全是从场的角度来分析物理过程，精确度高但是计算量非常大。包括矩量法、时域有限差分方法和有限元法。

（4）场路结合法：将电路法和电磁场法结合在一起，充分发挥两种方法的优点，在同时考虑电感效应和电离效应的基础上，减少了计算量。

6.2 建议的分析方法

为了准确地分析接地装置的雷电冲击特性，必须同时考虑接地装置的电感效应和土壤电离效应。同时，接地导体之间的耦合效应也应该考虑进来。那么，最佳的方法就是场路结合法，可以通过以下的思路来实现。

（1）在土壤电离区域的电压降是可以忽略的，假设土壤电离区域与接地导体是同轴的，其半径由电离区域的边界决定。纵向的电流沿着导体流动。

（2）基于矩量法建立接地装置的等效电路模型，考虑接地导体频域下的互耦作用。因此，这个等效电路是由几个频变元件组成的。

（3）这几个频变元件可以通过矢量拟合将原等效电路转换为与频率无关的电路。

（4）通过时域分析来计算电压和电流的分布情况。

（5）判断接地极周围的某一点土壤是否发生电离。如果是电离的话，则可以将接地导体的半径等效增大，重复步骤（2）至步骤（4）直至达到收敛条件。

（6）移动到下一个时间分段，并进行一轮新的计算。

更多的推导过程细节，包括迭代过程参考文献［12］。图8所示为通过上述方法得到的计算结果，相比于文献［13］中Geri的计算结果，可以发现使用此方法得到的计算结果与试验结果更加吻合。

图8 本文推荐方法与Geri的方法的比较

7 结束语

本文从土壤放电区域成像、电离区域的剩余电阻率、临界击穿场强、土壤冲击击穿时延以及土壤击穿机理等方面对已有的研究进行了分析总结，并提出使用基于场路结合理论的方法来对接地装置雷电冲击特性进行建模计算。

实际上，接地装置冲击特性研究领域还存在一些未知的或存在争议的有待于深入研究的问题。未来应该着重于提高对土壤放电机理的认知水平，获取更准确的理论建模方法、冲击特性的经验计算式，以指导工程实践。

［1］ Towne H M.Impulse characteristics of driven grounds［M］. General Electric Review，1929：605-609.

［2］ Bellaschi P L.Impulse and 60-cycle characteristics of driven ground –II［J］.AIEE Transactions，1942，61（3）：349-363.

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［12］ Wu Jingpeng，Zhang Bo，He Jinliang，et al.A comprehensive approach for transient performance of grounding system in the time domain［J］.IEEE Transactions on Electromagn，2015，57（2）：250-256.

［13］ Geri A.Behaviour of grounding systems excited by high impulse currents： the model and its validation［J］. IEEE Transactions on Power Delivery，1999，14（3）： 1008-1017.

A Study on the Characteristics of the Lightning Impulse of the Grounding Device

YANG Cai-wei
（Maintenance Branch of Chongqing Electric Power Corporation of SGCC，Chongqing400039，China）

Based on the soil ionization phenomenon，this article summarizes and analyzes the current development of researches on the characteristics of the lightning impulse of the grounding device，classifies the modeling methods of transient characteristics of the grounding device，and evaluates the current transient modeling methods．

grounding device；soil ionization；discharge area；transient characteristics

TM862

A

1008-8032（2015）06-0024-06

2015-08-26

杨财伟（1984-），工程师，研究方向为电力系统变电运维技术管理。