CN102435854A - 一种改进的电力系统冲击接地电阻的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力系统冲击接地电阻的测量方法，具体涉及一种改进的电力系统冲击接地电阻的测量方法，用于研究不同结构集中接地极的冲击特性。暂稳态冲击接地电阻的定义是接地体在冲击电流半峰值时刻的电阻。其步骤是：先通过冲击电流发生器产生一个冲击电流注入大地，以冲击分压器和电流传感器作为转换装置，利用数字存储示波器采集不同结构集中接地极和电压极两端的电压和电流注入点的电流，并将采集的数据通过MATLAB软件处理便可得到接地极在某一冲击电流下的暂稳态冲击接地电阻。本发明提出的暂稳态冲击接地电阻可真实的反映接地体在冲击电流下的散流能力，并较真实的描述接地体在冲击电流幅值下的最大电位升。

Description

一种改进的电力系统冲击接地电阻的测量方法

所属技术领域

本发明涉及一种电力系统冲击接地电阻的测量方法，具体涉及一种改进的电力系统冲击接地电阻的测量方法，用于研究不同结构集中接地极的冲击特性。

背景技术

接地电阻是指在工频或直流电流流过时的电阻，通常叫做工频(或直流)接地电阻；而对于防雷接地雷电冲击电流流过时的电阻，叫做冲击接地电阻。

为研究雷电流经接地体泄散时的冲击特性，人们一直致力于通过获取冲击接地电阻的方法来评估，其具体方法有如下几种：

A.对具体接地装置建立数学物理模型，通过数值计算求出该接地装置的冲击接地电阻瞬时值。这种方法一般都要进行数学物理的简化处理，往往偏离事实，并无法验证其正确性。

B.利用工频接地电阻乘以冲击系数，求出冲击接地电阻，由于影响冲击系数的因素多，冲击系数本身的准确性就有待确认，故该方法的可靠性较差。

C.根据经验公式进行估算，虽然计算简单方便，但其缺点是准确性低，参考价值不大。

D.进行模拟试验，通过采集接地体两端的电压和电流分量，分离出电压和电流的峰值，计算该接地装置的冲击接地电阻。其计算结果最接近真实值，但往往由于试验场地和试验设备的限制，工程上并不适用。

以上方法都是采用等值冲击接地电阻来衡量接地体的冲击特性。但该方法只有在忽略接地体的电感效应的前提下，才可近似的用于估计在冲击电流峰值条件下接地体可能产生的最大电位升。

电力系统实际的接地体由于尺寸大、结构非单一，并且雷电流的频率高，电感效应显著，因此采用通常意义的冲击接地电阻评估接地体的冲击特性与实际情况有一定差异。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的衡量电力系统接地极的冲击特性的方法，利用一种新的冲击接地电阻参数——暂稳态冲击接地电阻，真实地描述接地体在冲击电流幅值下可能达到的最大电位升，为研究不同结构集中接地极的冲击特性提供更精准的参数。

暂稳态冲击接地电阻的定义如下：

按照冲击接地电阻瞬时值的定义公式R_z＝u(t)/i(t)，u(t)是冲击电压的瞬时值，i(t)是冲击电流的瞬时值。如图1所示，由于冲击接地电阻瞬时值随着时间的增加迅速衰减，最终趋于某一定值。因为这一定值持续的时间较长，该区间还包含了冲击电流的半峰值时刻，所以本发明将接地体在冲击电流半峰值时刻的电阻定义为暂稳态冲击接地电阻。其物理意义可表示如下：当冲击电流经接地体泄散时，接地体泄散电流的能力主要由瞬时电阻值决定，虽然在起始时间内的瞬时电阻可能上升至某一危险值，但由于其时间极其短暂并且电力系统承受冲击的能力远高于稳态值，如果忽略这一时间段，后期短暂的稳定区域，即暂稳态接地电阻，能够最大程度地反映接地体在冲击电流作用下的电阻特性，据此估算在冲击电流幅值下接地体上产生的暂态电位升更准确。

为了实现上述目的，首先需通过模拟试验方法采集电压和电流分量，据此本发明提供的试验方案包括如下步骤：

通过冲击电流发生器产生一个冲击电流注入大地，以冲击分压器作为转换装置，利用数字存储示波器采集接地极和电压极两端的电压，以电流传感器作为转换装置，利用数字存储示波器采集电流注入点的电流，将采集的数据通过MATLAB软件处理便可得到接地极在冲击电流下的冲击接地电阻瞬时值随时间变化的曲线，该冲击接地电阻瞬时值随着时间的增加迅速衰减，最终趋于某一定值，此定值即为所述接地极的暂稳态冲击接地电阻。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。利用MATLAB软件处理数据的具体原理如下：

如图2(a)所示，由于干扰信号的影响，数字存储示波器采集的冲击波形有振荡，而示波器采集的数据又是一系列离散的点，据此首先利用取平均值的方法对采集的数据去“毛刺”处理，处理后的结果如图2(b)所示。根据冲击接地电阻瞬时值的定义可知，电流瞬时值作为分母不能为零，故而进行计算时还需将电压和电流数据等时间间隔延迟，躲过电流值为零的点，最后按照定义式R_z＝u(t)/i(t)计算出冲击接地电阻的瞬时值，绘出接地极在某一冲击电流下的冲击接地电阻瞬时值随时间变化的曲线，如图1所示，由此确定暂稳态冲击接地电阻值。

本发明方法与现有方法相比，其优越性可总结如下：当冲击电流经接地体泄散时，接地体泄散电流的能力主要由瞬时电阻值决定，虽然在起始时间内的瞬时电阻可能上升至某一危险值，但由于其时间极其短暂并且电力系统承受冲击的能力远高于稳态值，可以忽略这一时间段，故暂稳态冲击接地电阻能真实的反映接地体泄散电流能力；对于尺寸较大的实际接地体，雷电流经其泄散时电感效应非常明显，电压的相位一般会超前电流，即电压的幅值会超前电流的幅值，故利用暂稳态冲击接地电阻才能真实地描述接地体在冲击电流幅值下可能达到的最大电位升。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1是本发明分析的冲击接地电阻瞬时值随时间变化的曲线；

图2(a)、(b)是本发明中波形处理前后对比图，其中图2(a)是本发明数字存储示波器采集的冲击波形曲线，图2(b)是本发明MATLAB软件去“毛刺”处理后的冲击波形曲线；

图3是本发明的接地冲击试验原理示意图，图3中，G为接地极，P为电压极，C为电流极，DSO为数字存储式示波器，数字存储式示波器2通过同轴屏蔽电缆分别接于电流传感器1和冲击分压器3的信号输出端，冲击电流发生器4输出的电流经接地极G注入，并由电流极返回。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

如图3所示，整个试验回路由电流传感器1、数字存储示波器2、冲击分压器3、冲击电流发生器4、载流导线5、接地极G、电压极P和电流极C组成。通过设置冲击电流发生器的充电电压调节输出冲击电流的大小，电流传感器套在载流导线上，冲击分压器的高压端与接地极的电流注入点相连，其低压端与电压极相连，数字存储式示波器通过同轴屏蔽电缆分别接于电流传感器和冲击分压器的信号输出端，以采集电流传感器和冲击分压器的信号，冲击电流经接地极流入，从电流极返回冲击电流发生器。

本发明所采用的电流传感器频带宽(几十Hz至几百kHz)、铁芯饱和时引起的波形畸变小，对波头长度大于1μs的冲击电流波形具有较好的还原能力，由此计算出的暂稳态冲击接地电阻准确。

本发明所采用的数字存储示波器采样的持续时间必须超过冲击电流的半峰值时刻，否则无法计算暂稳态冲击接地电阻。

本发明所采用的冲击分压器额定电压大于100kV，因为本发明采用的冲击电流发生器的最大充电电压为100kV，此外，由于热容量的限制不能选择电阻分压器。

本发明所采用的接地极G与所述冲击分压器3、电流极C与冲击电流发生器4的电气连接应以焊接或螺丝的方式加固，否则回路电流太大，由之产生的电动力可能引起接触不良。

本发明所采用的冲击电流发生器，输出的短路电流幅值可达100kA，并能输出8/20μs的冲击电流波形。为尽可能地增大输出冲击电流的幅值，且保证接地极附近土壤的性质不变的前提下，采用了增加电流极垂直接地体的数量或人工降低电流极附近土壤电阻率(如在电流极附近加盐水)的方式，达到降低试验回路电阻的目的。

冲击电流经接地体泄散时，接地体附近产生较高的暂态地电位升，因此测量现场必须做好绝缘保护，现将注意事项总结如下：

载流导线穿过电流传感器必须通过绝缘层加强保护，防止空气间隙击穿高电位窜入传感器，对传感器和示波器造成损害。由于接地极附近大地具有很高的冲击暂态电位升，因此必须使隔离变压器外壳接地端远离接地极，防止烧坏隔离变压器；另外，示波器经过隔离变压器接入供电，保证示波器三线式电源线的接地线是悬浮的，防止与地之间形成电位差被击穿，示波器还需远离接地极，防止地电位升高对设备和测量人员造成危害；试验现场所有线路对地0.5m距离左右，防止地电位升高对线路造成反击。

本发明涉及电压和电流信号的采集，为了减小测量误差，还需注意一些测量技巧，现总结如下：

载流导线尽量与传感器轴线重合，以减小测量误差；冲击分压器3接地端利用空气绝缘，通过绝缘铜导线在离地0.5m距离接至所述电压极P，避免地电位升高抬高电压极P的电位，带来测量误差；为保证测量精度，需采用同一型号数字存储示波器或同一数字存储示波器的不同通道采集电压和电流信号；示波器的时间刻度必须一致，如此采集的电压和电流数据的时间间隔才一致，方便后期数据处理。

本发明采用测量工频接地电阻的方法——三极法或补偿法进行布线，前者采用等间距直线布置的方法，要求接地极和电压极的距离DGP与接地极和电流极的距离DGC尽量远，以减小测量误差，但一般受试验场地的限制；对于后者满足D_GP＝αD_GC，α为补偿系数，为了补偿由于零位面移近带来的固有误差，令α＝0.618即可，但其在土壤不均匀的条件下却难以收到理想的效果。电流极的接地结构简单、尺寸较小，一般选择其几何中心为参考点C，对于结构复杂、尺寸较大的接地极，若将其视为一等势体，则应选其最接近电流极的点为参考点G，然后根据参考点G、C确定的D_GC计算出电压极P的位置。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种改进的电力系统冲击接地电阻的测量方法，其特征在于包括以下步骤：通过冲击电流发生器产生一个冲击电流注入大地，以冲击分压器作为转换装置，利用数字存储示波器采集接地极和电压极两端的电压；以电流传感器作为转换装置，利用数字存储示波器采集电流注入点的电流，将采集的数据通过MATLAB软件处理便可得到接地极在冲击电流下的冲击接地电阻瞬时值随时间变化的曲线，该冲击接地电阻瞬时值随着时间的增加迅速衰减，最终趋于某一定值，此定值即为所述接地极的暂稳态冲击接地电阻。

2.一种用权利要求1所述方法测量暂稳态冲击接地电阻的装置，其特征在于：该装置包括电流传感器、数字存储示波器、冲击分压器、冲击电流发生器、载流导线、接地极、电压极和电流极，所述电流传感器套在所述载流导线上，所述冲击分压器的高压端与所述接地极的电流注入点相连，其低压端与所述电压极相连，所述数字存储式示波器通过同轴屏蔽电缆分别接于所述电流传感器和所述冲击分压器的信号输出端，以采集电流传感器和冲击分压器的信号；冲击电流经所述接地极流入，从电流极返回冲击电流发生器。

3.根据权利要求2所述测量暂稳态冲击接地电阻的装置，其特征在于：所述冲击分压器额定电压大于100kV。

4.根据权利要求2所述测量暂稳态冲击接地电阻的装置，其特征在于：所述接地极与所述冲击分压器、电流极与所述冲击电流发生器的电气连接以焊接或螺丝的方式加固。

5.根据权利要求2所述测量暂稳态冲击接地电阻的装置，其特征在于：所述冲击电流发生器输出的短路电流幅值为100kA，并能输出8/20μs的冲击电流波形。

6.根据权利要求2所述测量暂稳态冲击接地电阻的装置，其特征在于：所述载流导线穿过所述电流传感器通过绝缘层加强保护。

7.根据权利要求2所述测量暂稳态冲击接地电阻的装置，其特征在于：所述冲击分压器接地端利用空气绝缘，通过绝缘铜导线在离地0.5m距离接至所述电压极。

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