高速与重载铁路综合接地系统散流监测技术

王鑫

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350）

0 引言

随着我国高速与重载电气化铁路的发展，高压输电线路的建设密度越来越大，接触网支柱也不可避免地设置于人口密集区域。由于接触网线路的电压等级较高，入地故障电流幅值较大，且入地电流在地表、地下无规则窜动，杆塔周围的电气安全问题日益突出。近年来因雷击或其他原因引起的接触网输电线路短路情况时有发生，地中产生的冲击或工频电流可能引起诸多故障[1-2]。例如，邻近站内的接触网线路杆塔的接地装置运行出现故障，地表暂态电位升会造成跨步电压、接触电压超过人体可承受的安全电压，同时高压窜入信号通信设备，引发弱电设备故障。

根据国内外学者的研究及电力系统故障原因的统计分析，引起高压输电线路雷击跳闸的主要原因之一为杆塔的冲击接地电阻过高[3-5]。近年来国内外学者对雷电流作用下杆塔接地冲击特性展开大量研究[6-11]。武汉大学徐华等[6]利用数值分析方法，并结合最优理论研究了接地导体冲击接地电阻的计算公式；日本的 H Motoyama[7-9]利用Pearson线圈准确测量接地装置各点轴向电流的幅值和波形，旨在研究冲击散流规律；重庆大学司马文霞等[10]研究了考虑土壤动态电离情况下杆塔接地装置的散流规律，并提出不同杆塔接地结构对地表冲击跨步电压和冲击接触电压的影响；清华大学何金良等[11]研究了考虑火花放电条件下杆塔冲击接地特性的计算方法并提出相应的降阻方法。在实际工程中，对接地装置安全性能检测往往只针对某个参数，通常是接地装置的接地阻抗，围绕其准确测量值与安全范围进行评价。然而仅用接地阻抗进行评价是不全面的，并没有切入接地装置安全性问题的要害，其实用价值也就无法体现。

目前对于杆塔地中散流，一般采用仿真分析为设计提供依据，接地装置建成后的验收工作一直是薄弱环节。根据GB 50150—2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》要求，衡量接地装置设计和安装质量的唯一指标就是接地阻抗，很少针对地中散流、地表电位分布、跨步电压等综合反映接地装置的安全性能，对接地装置的安全评估不够全面。由于缺乏检测监测手段，导致工程验收方法缺失，故障与分析缺乏依据。针对上述问题，研发了地中散流监测系统，并通过仿真试验进行验证，同时，未监测点的散流可通过已获数据进行推算。该散流监测方法可应用于接地装置安全评估，为电力系统安全稳定运行提供技术支持。

1 散流测量原理

在此模拟的雷电冲击电流信号频谱主要集中在1 Hz~1 MHz，雷电流幅值高达几十千安，要测量宽频带下的电流信号，需要选取精度高、有良好抗电磁干扰能力和长期稳定性能的高品质电流测量器。为了对接地装置周边冲击散流分布进行准确监测，采用了罗戈夫斯基（Rogowski）线圈与数字存储示波器组成的检测系统对散流进行实时监测[12]，测量原理见图1，其中c为线圈宽，h为线圈厚，rc为线圈的平均半径。Rogowski线圈电路模型见图2，其中L、R、C0分别为线圈的自感、内阻和杂散电容，Rs为负荷电阻，M为互感系数，u1（t）为输出电压，i1（t）为输入电流，i（t）为感应电流。

Rogowski线圈感应电势可通过法拉第电磁感应定律描述为：

式中：e（t）为线圈两端的感应电压；Φ为线圈电动势；t为时间；N为线圈匝数；μ0为真空磁导率；a、b分别为线圈的内外直径；r0为制线圈所用导线的直径；i1为输入电流。

设：

图1 Rogowski线圈测量原理

图2 Rogowski线圈电路模型

则：

Rogowski线圈测量值与线圈本身性质（材料、尺寸、制线圈所用导线的直径、线圈的平均半径与线圈匝数）有关，某个确定规格的线圈其感应电动势与被测电流的微分值成正比。对式（3）取积分得到被测电流i1的值为：

雷电流入地后地中电磁场十分复杂，若采用裸露的金属棒或导线进行引流，会对侧面电流有引流的作用而对测量结果造成较大影响，且无法确定Rogowski线圈测量出的电流究竟属于土壤中某点还是某个面上的电流值。文献[13] 在半球形试验槽中进行单根接地极冲击特性规律的研究中，采用了在铜质引流针之外包裹1 mm厚环氧树脂的方式，既不影响周围电场情况，又能确定针尖引入的电流密度。在此选择外层包裹1 mm厚环氧树脂的直径0.6 mm铜芯引流针作为接地装置周边土壤散流的测量汇流。引流针的结构见图3。

在工频电流作用下土壤无电离现象而主要呈现纯阻性，工频电流将会朝向发变电站的主网流散。而当冲击电流通过接地引下线注入地中时，其散流方式十分复杂，土壤会发生电离，若上升至雷电流水平还会产生火花放电现象，但仍可近似认为其向远处辐射流散。引流针的布置方式见图4，引流针靠近接地装置的一端通过中心的铜芯汇流，引流针径向方向需要指向接地装置，由近端引流至远端。在此过程中电流产生的磁场与Rogowski线圈产生交链，感应出的信号通过同轴电缆传输至示波器得到测量结果。在试验过程中，应保证引流针远端位置处于近似为0的低电位，通过多点布置引流针位置，利用测得的电流除以引流针的截面积来估测该处的电流密度。

2 地中散流监测系统设计与实现

2.1 系统构成

系统采用Rogowksi线圈作为测量雷电流信号的传感器，用泰克（Tektronix）数字存储示波器进行数据同步采集，然后采用Labview编制的软件进行数据处理与分析，给出风险评估报告。系统主要由冲击电流发生器、Rogowksi线圈、信号调理单元、数字示波器、便携式室外独立可充电电源、分析软件、存储单元等组成（见图5）。Rogowksi线圈表面镀上一层绝缘漆以防止雷电冲击电流放电时烧蚀传感器。泰克TDS-2012C示波器带宽为200 MHz，采样率为2GS/s，能准确地捕获高频脉冲信号。试验时冲击放电部分与数据采集分析部分需要隔离供电，以避免对设备造成影响。

图3 引流针结构

图4 引流针布置方式

图5 系统构成

2.2 工作原理

冲击电流发生器的输入端通过导线与220 V独立电源供电端口连接；输出端口分别与模拟接地装置的电流注入点和收流网编织铜线连接；模拟接地装置按要求埋入地下，同时等间距等深度多点布置引流针与待测Rogowksi线圈电流互感器，其铜针与模拟接地极轴向垂直；电流互感器阵列的信号输出端通过同轴屏蔽电缆与数字示波器的输入端连接，示波器存储监测数据，同时将数据传输至基于Labview编制的软件进行数据处理及分析，给出风险评估报告。

模拟接地装置为基于220 kV罗丹乙线的杆塔典型接地装置KR-1G型（见图6），其镀锌圆钢接地导体长为10 m，直径Φ=14 mm，地中埋深0.8 m；接地引下线由地面立柱处引入，导体长为4 m，直径Φ=14 mm。基于量纲相似原理，试验取比例尺n=10进行模拟试验。模拟试验的接地装置尺寸及其埋深是真型试验的1/n倍，模拟试验注入的冲击电流幅值缩减为实际雷电流幅值的1/n2倍。沿接地引下线端部注入波头时间为8 μs且半波长时间为 20 μs的30 A电流进行地中散流测试。

图6 接地装置（KR-1G型）及传感器布置

2.3 评估软件

基于Labview软件和Matlab软件混合编程开发了雷击杆塔入地散流评估软件，由Microsoft Office Access软件作为后台数据库，Excel软件作为报表模板。评估软件的工作流程见图7。本软件可实现以下功能：

图7 评估软件的工作流程

（1）下位机通信：通过标准接口连接示波器下位机，实现上位机对测评系统的通信与控制。

（2）波形显示：接收示波器的数据并给出显示，同时提供波形数据存储与提取功能。

（3）雷击杆塔入地电流散流风险评估：通过输入必要的结构参数，通过后台的数值计算与处理，实现对地中散流的风险评估。软件界面见图8。

图8 风险评估软件界面

（4）数据库：通过数据库实现数据的存储、查询、调用及删除，同时提供数据导入报表生成功能。报表程序设计见图9。

图9 报表程序设计

3 地中散流采集与仿真验证

3.1 地中散流采集

220 kV某输电线杆塔附近土壤电阻率约为150 Ω·m，因此模拟试验在某一土壤电阻率为120 Ω·m的开阔地带进行。由于工频电流频率低，对于工频散流采集方法与冲击散流类似。试验时，采用冲击电流发生器向杆塔的接地引下线处注入10 A与20 A的冲击电流，在接地引下线某一侧0°和45°方向上每间隔20 cm放置1个电流传感器，用以测量冲击电流信号[14]（见图6）。电流传感器与示波器相连，对示波器设置好触发的幅值，用以记录冲击电流波形。0°方向和45°方向土壤中不同监测点的冲击散流分别见表1、表2。

表1 0°方向土壤中不同监测点的冲击散流 A/m2

表2 45°方向土壤中不同监测点的冲击散流 A/m2

3.2 仿真验证

使用有限元软件进行入地散流的建模计算，采用Geometry模块对接地装置以及土壤环境形状、尺寸、位置进行几何建模。杆塔接地装置承受雷电流时的入地散流通过软件的电流场和磁场耦合进行分析并计算，配合使用其中的研究模块，可以得到任何时刻、位置的暂态电流和电位值。

模型中接地装置的尺寸按模拟试验时的尺寸确定，土壤电阻率取120 Ω·m，土壤环境采用单层均匀土壤模型。注入10 A与20 A的冲击电流，将仿真得到不同监测点的电流密度幅值与试验实测值进行对比（见图10、图11）。由此可知，离接地装置越远，电流密度下降越快。0°方向的散流实际测量值与仿真计算值十分吻合，而45°方向的散流实际测量值大约为仿真计算值和0°方向时实测值的一半，说明对输电线杆塔地中散流监测时需要将引流针正对电流注入点，即可得到待测点的实际电流密度。

图10 冲击电流为10 A的散流实测值与仿真值对比

图11 冲击电流为20 A的散流实测值与仿真值对比

4 风险评估

数据处理模块接收工况数据后，将数据进行整合，在已有仿真结果的基础上，结合获得的仿真数据进行数据的拟合与插值运算，找出符合特定工况下的数据，同时未监测点的散流可通过已获数据进行推算。地表电位、跨步电压可通过已有仿真数据获得。相关记录表明，当跨步电压达到40~50 V时，人员将有触电危险，特别是跨步电压会使人摔倒进而增加人体的触电电压，甚至使人触电死亡。因此需要对不同工况下接地装置附近范围内的跨步电压值进行风险评估，以保护人身安全，提前做出预防。

当注入20 A的冲击电流，监测点到冲击电流注入点的距离为20 cm时，上位机实时显示采集到的电流波见图12，在软件界面中，可以调节探头衰减倍数、幅值、频率，并对数据进行实时保存。输入的信息都会在数据处理模块进行初步处理，将非数值型数据转化为数值型数据，利用Matlab script节点将数据送入后台运行的Matlab软件中，借助其强大的处理能力，经过一系列算法计算后将结果输出。

图12 上位机监测波形

5 结束语

地中散流监测的关键技术在于电流的捕捉、放大以及消除外部环境干扰。大量试验表明，研发的地中散流监测系统能有效、可靠地对雷电及工频电流进行在线监测，实时记录、监测地中多点电流波形，并利用上位机进行处理与分析。该监测方法对输电线杆塔散流测试及监测技术的发展具有积极作用，可有效控制并防范电网中人身、设备的安全问题。