引线间互感对接地电阻测量结果的影响分析

李秀英 王辉

摘 要：在实际的测量过程中，引线间的互感很大，造成的测量误差有可能超过100%，因此课题对接地电阻和引线间互感值进行分析，探究了影响测量误差的三个主要因素——土壤电阻率、接地网的面积以及测量引线间距对测量接地电阻时结果的影响。

关键词：接地电阻;引线间互感;测量误差

电力系统发生接地故障时，入地电流为交流电流，决定接地网电位升高的参数值即接地电阻的表达式为Z=R+jωL，其中Z为接地阻抗值的直流分量，L为感性分量，ω为注入电流角频率。而测量值为Z=R+jωL+jωM，其中M为测量引线之间的互感。对于大型的接地网，如果在土壤电阻率低的地区，R值一般都很小，而接地网的尺寸较大时，最大对角线很长，测量引线也需要较长，所以在实际的测量过程中，引线间的互感很大，造成的测量误差有可能超过100%。曾经在某个500KV变电站的接地电阻测量时，出现接地阻抗的感性分量时阻性分量的2.7倍的情况。

课题将会根据计算所得接地电阻和引线间互感值进行分析，探究影响测量误差的三个主要因素——土壤电阻率，接地网的面积以及测量引线间距对测量接地电阻时结果的影响。

1 引线间互感对接地电阻测量结果的影响分析

1.1 土壤电阻率对测量误差的影响

土壤是一种复杂的复合物质，正土壤中含有水分、盐分、气体、以及沙粒等物质。自然界中有机物的腐败、和一些在动植物尸体、风化后的沙粒还有一些难以分解的垃圾颗粒会组成土壤中的固体部分，土壤中还含有一部分水以及水分溶解后的盐溶液，土壤间隙之间也存在空气气体成分。了解土壤的内部结构，对于了解土壤的冲击特性具有良好的辅助作用。根据研究表明，土壤内部结构之间的空气间隙形状规则大小不一，土壤内部固体颗粒表面的粗糙度相差甚别，这也导致了土壤内部颗粒之间的气隙电场强度较高。

接地网的接地阻抗是指当电流由接地网流入大地时，接地网周围的土壤形成了阻抗，等于注入电流点相对于零电位的电压与注入电流大小的比值。利用COMSOL建立接地网模型从而计算接地网电阻的方法，在地网的中心放置点电流源，模拟注入接地网短路电流，即可测得该点的电位升高值，由欧姆定理，即可计算出接地阻抗的直流分量R的大小。

对于一个尺寸大小已知的接地网，测量接地电阻时，随着土壤电阻率的增大，接地电阻会越来越大。因此，通过对比不同土壤电阻率情况下的接地电阻值，分析接地电阻随土壤电阻率的变化而变化的折线图，就可以验证前面的结论。

考虑到实际情况，接地网的边长尺寸一般不会超过100m，仿真时采用边长为50m的田字形接地网，材料为电阻率为1.7×10-7Ω.m的扁钢，尺寸为50×0.05×0.005m，间距10m。

接地电阻和引线间互感在接地网的边长为50m时，与土壤电阻率的变化关系如折线图1。

通过仿真实验，在已知接地网尺寸大小的情况下，改变土壤电阻率的大小，可得图1，可计算得出不同土壤电阻率的情况下的测量误差。通过对比可以发现：对于已知尺寸大小的接地网，接地电阻随着土壤电阻率的增大而增大。由Rogers法的推导过程可知，土壤电阻率对互感的大小影响不大，需要经过一次开方和对数运算，而由仿真数据可知土壤电阻率对接地电阻的影响很大。对于土壤电阻率较大的地区，接地电阻较大，引线间互感变化不大，呈略微上升趋势。因为随着土壤电阻率的增大，接地电阻的变化趋势明显高于引线间互感的大小，所以接地阻抗中感性分量将会随着土壤电阻率的增大越来越小。所以对于土壤电阻率较大的地区，引线间互感对测量误差的影响较小，为了减少不必要的工作量，可以不用考虑引线间互感对测量结果的影响，然而对于土壤电阻率较小的地区，必须采取措施消除互感。

1.2 接地网面积对测量误差的影响

对于一个土壤电阻率已知的接地网，测量接地电阻时，随着接地网尺寸的增大，接地电阻会越来越小。因此，通过对比不同大小的接地网的接地电阻值，分析接地电阻随接地网尺寸的变化而变化的折线图，就可以验证前面的结论，接地电阻及引线间互感与接地网边长的变化关系如图2。

考虑到实际情况，取土壤电阻率为80Ω.m时为例进行分析，接地电阻随着地网尺寸的变化而变化的數据，根据仿真实验，在已知土壤电阻率的情况下，改变接地网尺寸大小，可计算得出不同土壤电阻率情况下的测量误差。所以对于尺寸较小的接地网，引线间互感对测量误差的影响较小，为了减少不必要的工作量，可以不用考虑引线间互感对测量结果的影响，然而对于尺寸较大的接地网，必须采取措施消除互感。根据数据可知，接地网边长大小对互感的大小影响较大，并且可以看出接地网尺寸对接地电阻的影响也很大。对于边长较大的接地网，接地电阻小，引线间互感较大，随着边长的增大呈上升趋势。通过对比可以发现：对于已知土壤电阻率的接地网，接地电阻随着接地网的尺寸的增大而减小。因为随着接地网边长的增大，接地电阻的变化呈下降趋势，而引线间互感在减小，所以接地阻抗中感性分量将会随着土壤电阻率的增大越来越大。

1.3 需要考虑引线间互感与否的界限的确定

根据Rogers法可以计算出测量接地电阻时各种引线间互感的大小，结合仿真实验所得出的接地电阻值，即可计算出接地阻抗的大小。比较分析不同的接地网尺寸时，随着土壤电阻率的变化，感性分量在接地阻抗测量过程中造成的测量误差小于5%时，可以忽略引线间互感对测量结果的影响，有效地减少了不必要的工作量，提高了科学研究和实际工程中的工作效率。图3为引线间距1m时测量误差为5%的曲线。

当测量引线之间的距离为1m时，不同情况下的测量误差进行仿真。通过可以发现：当引线间距较小，并且土壤电阻率较小的地区，随着接地网面积的增大，感性分量造成的测量误差很可能超过5%，感性分量甚至可以达到阻性分量的50多倍，这时必须要考虑采用合适的测量方法来消除互感的影响减小误差。然而对于土壤电阻率较大的地区，如果接地网的边长较小，引线间互感较小，感性分量所占比重较小，造成的测量误差小于5%，这时为了减少不必要的工作量，提高工作效率，可以不考虑测量引线之间互感对接地电阻测量过程所造成的影响。

2 结论

对接地电阻和引线间互感值进行分析，探究了影响测量误差的三个主要因素——土壤电阻率，接地网的面积以及测量引线间距对测量接地电阻时结果的影响。由仿真计算所得数据可知，当接地网的尺寸一定时，随着土壤电阻率的增大，接地电阻会越来越大;当土壤电阻率一定时，随着接地网尺寸的增大，接地电阻会越来越小;随着测量引线间距增大，测量互感会越来越小。当进行接地电阻的测量时，为了减少不必要的工作量，当感性分量在接地阻抗测量时造成的误差低于5%时，不必考虑互感的影响，通过对仿真数据的分析，课题得出了测量时需要考虑互感影响的范围。

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