杆塔接地体冲击特性试验研究

孙西宁，高振国，李冠华

（1.沈阳工程学院a.研究生部；b.电力学院，辽宁 沈阳 110136；2.辽宁省电力科学研究院 设备状态评价中心，辽宁 沈阳 110006）

1 测试原理

1.1 工频电阻测试原理

接地电阻表示由接地极至无穷远距离的所有土壤中的电阻总和。测量阶段引线难以实现向无穷远处延伸，然而将辅助电极引入测量回路内会导致土壤中散流的变化从而影响地电位分布[1-2]。实际测量阶段要将辅助电极产生的干扰考虑在内，辅助电极对地网外地面电位的影响与其和接地网的距离有直接关系。因此，在设计电流电极距离时，长度越长，效果越好。

三极法是目前最常用的工频接地电阻测量方法[3]，接线方式如图1 所示。三极法在测量接地电阻时，首先假定被测接地网为半球形电极，测量时引入电流极和电压极，把二者当作点电极，a表示选择半球形接地电极G 的半径值，以ac为半径的半球代替电流极C，由G位置流入电流I，由C位置流出，按照叠加原理，位于CG连线任一点x的电位表示为

图1 三极法测接地电阻接线

在CG 连线上，当DxG=DxC时，Vx=0；当DxG＜DxC时，Vx的值为正，若DxG值降低则相应的Vx值升高，x降低至靠近表面位置后，也就是DxG=a，DxC=DGC-a时，VG值可以达到最高值，可表示为

式中，R0=ρ/2πa。

在DxG＞DxC的情况下，Vx是负值，会随着DxG的增大而减小。当DxG=DGC-ac，DxC=ac时，VG可达负的最大值，可表示为

电压极P 沿GC 连线的方向移动，此时接地电极G的电流I使GP两点间出现的电位差为

而电流极C 的电流使GP 两点间出现的电位差为

因此，用电压表量出的GP间的电压将为

由此测得的电阻值R为

但半球形接地电阻的实际值为

可见，要使测得的接地电阻R符合R0，必须使

1.2 冲击接地电阻测试原理

利用冲击电流发生器生成波头较陡的冲击电流，该电流通过地网向大地流入，使用采集装置对接地网中的电压与电流数据进行采集，再采用计算机软件直接处理已采集的数据即可计算出电阻值。冲击电流中具有多个不同高频电流分量，计算接地电阻时可以在多个不同频率下完成，可降低工频干扰问题[4]。

接地体的冲击接地电阻测试同样需要采用工频接地电阻测试的测试回路，布线方法和基本原理与工频接地电阻测试相同。它们之间的区别是在冲击接地电阻测试时需要将工频测试电源替换为冲击电源，通过采集注入接地体的响应电压与冲击电流形成波形信息，经过计算后获得接地体冲击接地电阻值。

由于当前测试条件的限制，国内学者提出一种基于卷积计算的接地体冲击接地电阻折算方法。该方法基于接地体冲击特性测试的现场数据，利用接地体的等效网络不变性得到标准雷电流作用下的响应电压波形，进而得到标准雷电流作用下的冲击接地电阻值[5]。

2 工频接地阻抗测试

2.1 测试方案

选取某220 kV 输电线路杆塔进行测试，接地体为方形带射线结构，如图2所示。

图2 杆塔接地体测试的布线走向

2.2 工频接地电阻测试结果

根据测量方案分别对220 kV 线路的1#杆塔、2#杆塔以及3#杆塔和4#杆塔的接地体装置进行工频接地电阻测试。摇表型号为ZC-8，布线方式d12=20 m，d13=40 m。为了使地中电流分布均匀，测试布线方向与塔底基座垂直，即α=0°。为降低测量误差，对单基杆塔共进行了3 次测试，取其平均值作为本次测量的结果。杆塔接地体的工频接地电阻测量结果如表1所示。

表1 杆塔接地装置接地阻抗测量结果

3 冲击特性测试

3.1 现场测试方案

杆塔接地体的冲击接地电阻测试的现场布置如图3 所示。在场地一端将4 根圆钢以垂直方式接地，进入深度为1 m，圆钢直径为50 mm，作为本实验内的电流回流装置，4 根垂直接地极以4 边为1 m的正方形排列。

图3 冲击试验现场布置

杆塔接地网冲击接地电阻的测试回路如图4所示。选取地网中心点作为冲击注流点，回流点在变电站边缘150 m 处。电压参考点选取距离场地300 m处的远方，作为公共参考地。整个冲击回路除与注流极、回流极连接外，其余全部浮地。冲击电流发生器无其他连接线，这时可以看作向回流极与被测接地体注入的冲击电流幅值相同，差异在于相位相反。

图4 冲击回路布线

对各测量设备进行校准，分压器以电阻分压器为主，采用200 kV额定电压与1 195.35的分压比，选择灵敏度为101.416 A/V 的Rogowski 线圈，安装两个示波器，使用200 MHz带宽对电压与电流值测量。

采用便携式冲击发生器，可产生波头为2.6 μs的标准流波形。由蓄电池配合逆变器对发生器电容进行充电，试验电压等级依次为30 kV、45 kV和60 kV。

3.2 冲击接地电阻测试结果

对1#杆塔进行冲击接地电阻测量所得输电线路杆塔接地装置冲击电压波形和冲击电流波形分别如图5～图7 所示。1#～4#杆塔接地装置的测试结果如表2所示。

图5 充电电压30 kV测试结果

图6 充电电压45 kV测试结果

图7 充电电压60 kV测试结果

表2 杆塔接地装置冲击阻抗测量值

表2 （续）

4 结论

对比不同幅值冲击电压、冲击电流下的冲击系数的变化，可以发现：

1）在本文测试条件下，输电线路杆塔接地体的冲击接地电阻均大于工频接地电阻，即冲击系数均大于1。这是因为杆塔接地体在冲击电流作用下表现出了较强的电感效应，从而使得冲击电流作用下的电位高于工频电流。

2）输出电路杆塔接地体的冲击系数整体上随冲击电流幅值的增加而略微减小。这说明所测试的杆塔接地体在冲击电流作用下产生了部分电离，从而在一定程度上使冲击接地电阻减小。

3）为了更深入地研究这一性质，后续的研究需要利用大型冲击发生器来开展，以突破便携式冲击发生器的输出功率限制，从而更全面地反映接地装置在冲击电流作用下的响应特性。