电力系统接地特性研究

王荣印，刘建勋

（山东理工大学，山东 淄博 255000）

电力系统接地特性研究

王荣印，刘建勋

（山东理工大学，山东 淄博 255000）

随着输电线路的电压等级以及人们对供电可靠性越来越高，接地技术的发展面临诸多挑战，研究其接地特性的任务越来越紧迫。本文分别介绍了目前工频电流的接地研究现状和雷电流下的冲击特性研究，并提出接地存在的突出问题。

电力系统；接地；冲击特性

0 引言

随着电力系统向着高电压、智能化、高可靠性的方向发展，对接地装置性能的要求越来越高［1］，为了满足电力系统的快速发展，研究电力系统的接地特性成为了必须。接地装置是指在电力系统发生故障或雷击时，能够将故障电流或雷电流迅速散流，限制地电位的升高，保证人身和设备安全，所以为了确保电力系统安全稳定运行，合格的接地装置是十分必要的，其可靠性及安全性能一直受到设计和生产运行部门的高度重视［1］。电力系统接地就其目的可分三种：工作接地、防雷接地和保护接地［2］。工作接地是为了满足电力系统和电气设备的运行要求将系统或设备的某一点接地，如我国在110kv及以上的电力系统中采用中性点接地的运行方式。防雷接地是为了将雷电流引入地下，防止过电压对人或者设备的危害，保护接地是将电力设备在正常情况下不带电的部分通过接地装置和大地连接起来，防止在故障时带电对人产生危害。目前电力系统接地研究包括两个方面：工频电流流经接地装置时的接地特性和雷电流流经接地装置时的冲击特性。

1 工频接地电阻、接触电位差、跨步电位差

接地电阻是接地装置是否合格的重要指标，减小接地电阻能有效的把电流散流到地下，保障供电的安全稳定。接地电阻的定量定义是∶假设在某个电极上流入接地电流I，而接地极的电位比周围大地无穷远处高出U时，则接地极电位U对接地电流I的比值U/I称为接地电阻［2］。接地电阻值与土壤电导率、接地体形状、尺寸和布置方式、电流频率等因素有关。目前测量接地电阻的方法有很多，三极电流电压表法、三极示波器相位法、三极接地摇表法、钳表法、钳表测试回路等效阻抗测试等。随着高电压输电线路的发展，接地电阻的要求越来越高，降低接地电阻的方法有：增大地网面积，接地网的接地电阻值R=0.5p/√S，在土壤电阻率p一定时，面积S越大，电阻R越小；利用自然接地体，设计变电站的接地结构时，充分利用、水电站的进水口拦污栅、闸门、引水管等必须的设施来作为部分接地体流散电流，节约了成本；深井接地，当地下较深处的土壤电阻率比上层的低很多时，可以把接地体设在设在土壤较深处，也可避免由于天气原因导致的土壤电阻率的变化，这种方式接地电阻较为稳定；爆破接地，当土壤的电阻率较高时，利用爆破技术，使土壤产生裂缝，然后用压力机将降阻材料打到土壤裂缝中，打到降低土壤电阻率的目的；局部换土，当土壤电阻率较高时，可将埋设接地装置的土壤移走，在把电阻率较低的土壤埋设接地体，这种方法成本较高特别在交通不便的山区。在实际的接地工程中，一种降阻方法无法满足接地电阻的要求，一般都是几种降阻方法组合。接触电位差是指人站在发生接地短路故障设备旁边，距设备水平距离0.8米，人手触及设备时，手和脚两点之间呈现的电位差［3］。跨步电位差是指当发生接地短路故障时，人站在故障设备旁边，两脚之间的电位差。以前我国不太重视这个两个指标的要求，一直误认为当接地电阻满足要求时接触电位差和跨步电位差也就满足要求了，但接触电位差和跨步电位差与接地网格的稀疏程度有关。

2 冲击接地特性

冲击接地特性是指当雷击输电杆塔时接地装置流散雷电流时的暂态特性。雷电流具有高幅值、高频率的特点，呈现出的冲击接地阻抗和工频接地电阻有很大不同，主要表现在冲击接地阻抗有明显的电感效应和火花效应，电感效应会使接地电阻增大，相反，火花效应可以减小接地电阻。随着输电线路的雷击事故的增多，接地装置的防雷性能成为供电可靠性的主要因素之一。国内外的运行经验和理论分析表明，减小冲击接地阻抗可以有效的提高防雷性能，而冲击接地阻抗和杆塔塔身结构和尺寸、接地极结构和尺寸、雷电流参数、避雷线参数以及土壤电阻率等诸多因素有关，目前国内外在土壤放电特性和接地冲击特性方面做了很多的研究，对提高防雷性能具有重要的指导意义。

目前国内外研究冲击接地特性的方法有三种：电路理论，传输线理论、电磁场理论和有限元法。基于电路和传输线理论的方法实际上是将地网导体进行分段处理，每段导体均用π型等效电路代替来模拟计算接地导体暂态特性的一种直接的、有效的方法［4］。在建立电路计算模型的过程中做过了人为地一些假设和简化处理之后，将土壤中放电的非线性特性考虑了进去。20世纪90年代，Geri 等人在 Liew 模型的基础上，对雷电流下的接地体的非线性性能做了比较细致的研究［5-7］，提出的新的计算模型，这种模型考虑了土壤非线性电击穿的影响，但仅仅比较了形状简单的接地体，例如：垂直接地体、水平接地体等，而且该模型没有考虑各段导体附近土壤火花放电程度的不同以及导体各段泄漏的电流密度，而是简单的认为呈圆柱形的火花放电区域的半径是不变的以及接地体周围土壤的火花放电是均匀的，同时忽略了导体电感与对地电容。

3 总结与展望

根据以上分析笔者认为以下方面还需重点研究：（1）目前由于实验条件的不允许真型实验难度较大，而模拟实验和真型实验的放电特性还有一定的区别，所以模拟实验的结果还有待验证。（2）随着电力系统向高电压、高可靠性的方向发展，在设计发、变电站的接地网时要更加注重接触电位差和跨步电位差。（3）由于雷击事故的日益增多，降低接地电阻要寻找新的方向，比如研究新的接地材料。

［1］张波，何金良，曾嵘.电力系统接地技术现状及展望［J］.高电压技术，2015，41（08）：2569-2582 .

［2］冯乔春.电网接地技术工程应用研究［D］.昆明：昆明理工大学，2009.

［3］黄昌威，安韵竹.变电站接地网不同接地材料接地特性研究［J］.陕西电力，2014，42（11）：9-13.

［4］Velazquez R and Mukhedkar D. Analytical modeling of grounding electrodes transient behavior［J］.IEEE Trans. On PAS， 1984，103（5）： 1314-1322.

［5］Liew A C， Darveniza M. Dynamic model of impulse characteristics of concentrated earth［J］. Proceedings of IEE， 1974， 121（2）： 123-135.

［6］Geri A， Garbagnati E， Veca G M， et al. Non-linear behaviour of ground electrodes under lightning surge currents：computer modeling and comparison with experimental results［J］. IEEE Transactions on Magnetics， 1992，28（2）： 1442-1445.

［7］Xiong W， Dawalibi F. Transient performance of substation grounding systems subjected to lightning and similar surge currents［J］. IEEE Transactions on Power Delivery， 1994，9（03）：1412-1417.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.144

王荣印，男，山东聊城人，在读硕士，研究方向：电力系统防雷与接地技术。