CN105445559A - 一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法 - Google Patents

Abstract

一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，采用冲击接地电阻随冲击电流峰值的变化率来描述冲击接地电阻受火花效应等的影响程度，并命名为冲击特性变化率，且冲击特性变化率的符号表示火花效应等电磁暂态效应对冲击接地电阻的影响方向，冲击特性变化率的绝对值反应火花效应变化的快慢。由于冲击特性变化率定量描述了冲击接地电阻受火花效应强弱变化的影响，即定量描述了接地装置的冲击特性，故一切应用或涉及到接地装置冲击特性的地方都可以随之量化，为工程实际的规划、建设提供了准确依据。

Description

一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法

技术领域

本发明一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，用来定量描述冲击接地电阻受火花效应等电磁暂态效应的影响程度。

背景技术

接地装置冲击接地电阻被人为定义为接地装置在冲击大电流的作用下承受的冲击电压峰值与冲击电流峰值之比(实际中并没有该电阻的存在)，用于描述接地体流散雷电流的难易程度。冲击接地电阻越小，散流越易。

冲击接地电阻与土壤环境，接地体材料、几何外形、以及雷电流陡度，峰值等因素有关，但由于土壤结构复杂，雷电流峰值巨大且放电时间短而不易模拟，故冲击接地电阻十分不易由实验测量，也没有计算公式。为准确评估接地装置的防雷性能造成困难。然而，由于强大的雷电流入地时，接地体附近的土壤被击穿，形成火花放电，增强了雷电流的流散，这种现象被称为火花效应。火花效应降低冲击接地电阻；同时，由于接地装置的尺寸一般较大，等效为电感，可阻碍高频冲击电流流向接地体远端，在冲击初期形成较高的地电位升。这种现象被称为电感效应。电感效应增大冲击接地电阻。对火花效应和电感效应的描述一定程度上揭示了雷电流，接地体尺寸和土壤结构对接地装置冲击特性的影响。二者综合作用使冲击接地电阻随冲击电流的变化而变化。

冲击接地电阻是衡量接地装置电气性能优劣的重要指标，但由于受到火花效应，电感效应等电磁暂态效应的影响，冲击接地电阻会随着冲击电流的变化而变化。至今为止，国内外还没有较好的手段来定量描述冲击接地电阻受火花效应等电磁暂态效应的影响程度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，采用冲击接地电阻随冲击电流峰值的变化率来描述冲击接地电阻受火花效应等的影响程度，并命名为冲击特性变化率，且冲击特性变化率的符号表示火花效应等电磁暂态效应对冲击接地电阻的影响方向，冲击特性变化率的绝对值反应火花效应等电磁暂态效应变化的快慢。

本发明所采用的技术方案是：

一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，首先，通过冲击特性试验，测得冲击接地电阻与冲击电流峰值的数据，可按以下公式计算：

近似计算公式： $P=\frac{1}{n}\underset{i=2}{\overset{n}{\Σ}}\frac{(R_i-R_{i-1})}{(I_i-I_{i-1})}---\left(1\right)$

其中：(试验测得n组数据)

R表示冲击接地电阻，单位：Ω；

I表示冲击电流峰值，单位：kA；

P表示冲击特性变化率，单位：Ω/kA；

Ri表示实验测得的第i组数据中的冲击接地电阻值，单位：Ω；

Ri-1表示试验测得的第i-1组数据中的冲击接地电阻值，单位：Ω；

Ii表示试验测得的第i组数据中的冲击电流峰值，单位：kA；

Ii-1表示试验测得的第i-1组数据中的冲击电流峰值，单位：kA。

一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，

精确计算公式： $P=\lim \frac{R+\mathrm{\Δ}R}{I+\mathrm{\Δ}I}=\frac{dR}{dI}---\left(2\right)$

其中：

冲击特性变化率P，单位：Ω/kA；

R表示任意点处冲击接地电阻值；

I表示任意点处冲击电流峰值；

△R表示任意点i处的冲击接地电阻的微元变化量；

△I表示任意点i处的冲击电流峰值的微元变化量。

冲击特性变化率P的符号表示火花效应的变化趋势，冲击特性变化率P为负表示火花效应增强，冲击特性变化率P为正，表示火花效应减弱。

冲击特性变化率P的绝对值表示火花效应变化的幅度，冲击特性变化率P的绝对值越大，

变化幅度越大；冲击特性变化率P的绝对值越小，变化的幅度越小。

本发明一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，技术效果如下：

1)、本发明可定量计算特定土壤条件下火花效应对接地装置冲击接地电阻的影响，从而指导风电场，变电站等的选址。

2)通过对隔段时间同一接地装置冲击特性变化率的求取与分析，可定量确定接地体腐蚀情况对其冲击特性的影响。

3)、本发明给出了具体公式来计算火花效应对接地装置冲击接地电阻的影响程度，从而使专业人士能更客观的研究冲击接地电阻的理论规律。

4)、本发明可定量计算火花效应对特定接地装置冲击接地电阻的影响，从而指导设计人员对接地装置的形状和材料做更精细的设计和选择。

由于冲击特性变化率定量描述了冲击接地电阻受火花效应强弱变化的影响，即定量描述了接地装置的冲击特性，故一切应用或涉及到接地装置冲击特性的地方都可以随之量化，为工程实际的规划、建设提供了准确依据。

具体实施方式

原理分析：冲击特性变化率P是冲击接地电阻随冲击电流的变化率。由于在冲击接地电阻随着冲击电流的变化的过程中，电感效应几乎不变，主要是火花效应的变化导致冲击接地电阻的变化，故用冲击特性变化率P来衡量火花效应的强弱变化是合理的。且冲击特性变化率P为正，表示火花效应减弱，冲击特性变化率为负表示火花效应增强，冲击特性变化率P的绝对值反应火花效应变化的快慢。

实施例1：

近似求法：

一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，首先，通过冲击特性试验，测得冲击接地电阻与冲击电流峰值的数据，可按以下公式计算：

$P=\frac{1}{n}\underset{i=2}{\overset{n}{\Σ}}\frac{(R_i-R_{i-1})}{(I_i-I_{i-1})}---\left(1\right)$

其中：(试验测得n组数据)

R表示冲击接地电阻，单位：Ω；

I表示冲击电流峰值，单位：kA；

P表示冲击特性变化率，单位：Ω/kA；

Ri表示实验测得的第i组数据中的冲击接地电阻值，单位：Ω；

Ri-1表示试验测得的第i-1组数据中的冲击接地电阻值，单位：Ω；

Ii表示试验测得的第i组数据中的冲击电流峰值，单位：kA；

Ii-1表示试验测得的第i-1组数据中的冲击电流峰值，单位：kA。

近似计算例：某试验基地，土壤电阻率365Ω·m，接地装置为直径4.8m环形电极，经变压器给冲击电流发生器中并联的能量电容器组(共6级)充电，完成后，由能量电容器组经球隙点火形成串联通路模拟雷电流对试验电极放电，再经环形接地体形成回流。试验回路图见图1。对电容器充电电压从25kV按每次5kV递增到75kV，由电容器组放电，给接地装置注入冲击电流。由试验测得冲击接地电阻与冲击电流峰值的数据见表1。

表1冲击接地电阻与冲击电流峰值

	充电电压	放电电压	冲击电流峰值	冲击接地电阻
					1	25	150	3.84	18.04
2	30	180	4.615	17.84
					3	35	210	5.423	17.53
4	40	240	6.225	17.10
					5	45	270	7.066	16.56
6	50	300	7.933	16.03
					7	55	330	8.522	15.93
8	60	360	9.266	15.86
					9	65	390	9.923	15.46
10	70	420	9.966	15.39
					11	75	450	10.65	15.36

冲击特性变化率

$P=\frac{1}{n}\underset{i=2}{\overset{n}{\Σ}}\frac{(R_i-R_{i-1})}{(I_i-I_{i-1})}=\frac{1}{11}(\frac{17.84-18.04}{4.615-3.84}+\mathrm{...}+\frac{15.39-15.36}{10.65-9.966})=-0.38\mathrm{\Ω}/kA$

此时公式中的n取值为11，冲击特性变化率P＝-0.38，其中负号说明火花效应在增强，0.38是增强的速率。(假设该地为A地)

应用1：风电场选址：

若在另一土壤电阻率也为365Ω·m的场地(场地B)，对同样的装置做冲击特性试验，得到的冲击特性变化率为-0.5，则可以判断在断场地B，火花效应随冲击电流峰值增大而增强的速率更快。故若在A,B两地选址建风电场，应选B地。

应用2：腐蚀程度判断：

若上述装置经过一个月时间后，再次进行冲击特性，计算得到其冲击特性变化率为-0.28，则表明该装置由于埋于地下，经过一段时间的生锈和腐蚀后，其冲击特性变差，火花效应随冲击电流的变化速率变慢，此时，可利用冲击特性变化率的差值来衡量接地装置的腐蚀情况；冲击特性变化率之差为0表示无腐蚀，冲击特性变化率之差越大，腐蚀越严重。

实施例2：

精确求法：

一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，

$P=\lim \frac{R+\mathrm{\Δ}R}{I+\mathrm{\Δ}I}=\frac{dR}{dI}---\left(2\right)$

其中：

冲击特性变化率P，单位：Ω/kA；

R表示任意点处冲击接地电阻值；

I表示任意点处冲击电流峰值；

△R表示任意点i处的冲击接地电阻的微元变化量；

△I表示任意点i处的冲击电流峰值的微元变化量。

精确计算例：假设某地土壤电阻率为ρ，在8/20μs标准雷电波形条件下(冲击电流峰值>1kA)，直径的环形接地装置冲击接地电阻R随冲击电流峰值I变化规律满足函数关系：R＝clnI，其中

此时该接地装置在该条件下的冲击特性变化率

$P=\lim \frac{R+\mathrm{\Δ}R}{I+\mathrm{\Δ}I}=\frac{dR}{dI}=\frac{cd\ln I}{dI}=\frac{c}{I}$

故，该接地装置在该条件下的冲击特性变化率进一步的，可求取当冲击接地电流I为具体值(假设3kA)时的冲击特性变化率P_I＝3＝ce³；

其中，表示的是该接地装置在该条件下冲击特性变化率的变化函数，通过该函数，可计算出任意点的冲击特性变化率。

应用3：理论分析：

通过求出的公式可以明显看出，冲击特性变化率与冲击电流峰值成反比，由于c一般小于0，随着冲击电流峰值的增大，冲击特性变化率的值随之增大，但由于c小于0，故P的绝对值越来越小，即火花效应随冲击电流峰值增大而增强的速率减小。这与实际情况是相符的。

应用4：指导接地装置精确设计：

对上述环形接地装置而言，公式中的其中ρ表示土壤电阻率，表示圆环直径；对公式变形，可得到该公式揭示了冲击特性变化率随圆环接地体直径的变化规律，通过对函数求极值，可得到最优直径的圆环。

上述实施例1、实施例2中，利用冲击特性变化率P可定量描述火花效应。

利用冲击特性变化率P的正负号表示火花效应的变化趋势。冲击特性变化率P为负表示火花效应增强；为正表示火花效应减弱。

冲击特性变化率的绝对值表示火花效应变化的幅度。冲击特性变化率的绝对值越大，变化速率越大，冲击特性变化率的绝对值越小，变化的速率越小。

上述实施例1中，计算数据来源于接地装置的冲击特性试验，由于任一接地装置都有其个体差异性，且其冲击接地电阻与试验土壤的电阻率密切相关，故由试验测得数据计算得到的冲击特性变化率只适用于被试接地装置和试验土壤环境。当同样的接地装置应用到不同的土壤环境时，由于其土壤电阻率，含水量，微生物环境等土壤条件不同，其冲击特性变化率未必相同。所以对于不同的接地装置在不同的土壤环境都需要现场试验测得其对应的冲击特性变化率，即可认为冲击特性变化率是接地装置的特性参数。

上述实施例2中，精确求法是通过对冲击接地电阻随冲击电流峰值变化过程中任意点的微元变化求极限，从而求得该点的冲击特性变化率。此精确求法更适合用于理论分析。在已知冲击接地电阻随冲击电流峰值的变化规律以后，对其冲击特性进行求解，以及具体位置冲击特性变化率的求取。进而满足理论推导与深入研究的需求。

Claims (6)

1.一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，其特征在于，首先，通过接地装置冲击特性试验，测得其冲击接地电阻与冲击电流峰值的数据，按以下公式计算：

$P=\frac{1}{n}\underset{i=2}{\overset{n}{\Σ}}\frac{\left(R_i-R_{i-1}\right)}{(I_i-I_{i-1})}---\left(1\right)$

其中：试验测得n组数据；

冲击接地电阻R，单位：Ω；

冲击电流峰值I，单位：kA；

冲击特性变化率P，单位：Ω/kA；

Ri表示实验测得的第i组数据中的冲击接地电阻值，单位：Ω；

Ri-1表示试验测得的第i-1组数据中的冲击接地电阻值，单位：Ω；

Ii表示试验测得的第i组数据中的冲击电流峰值，单位：kA；

Ii-1表示试验测得的第i-1组数据中的冲击电流峰值，单位：kA。

2.一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，其特征在于，

$P=\lim \frac{R+\mathrm{\Δ}R}{I+\mathrm{\Δ}I}=\frac{dR}{dI}---\left(2\right)$

其中：

冲击特性变化率P，单位：Ω/kA；

R表示任意点处冲击接地电阻值；

I表示任意点处冲击电流峰值；

△R表示任意点i处的冲击接地电阻的微元变化量；

△I表示任意点i处的冲击电流峰值的微元变化量。

3.根据权利要求1或2所述一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，其特征在于，冲击特性变化率P的符号表示火花效应的变化对冲击接地电阻影响的趋势，冲击特性变化率P为负表示火花效应增强，冲击特性变化率P为正，表示火花效应减弱。

4.根据权利要求1或2所述一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，其特征在于，冲击特性变化率P的绝对值表示火花效应变化的速率，冲击特性变化率P的绝对值越大，变化速率越快；冲击特性变化率P的绝对值越小，变化的速率越小。

5.如权利要求1或2所述一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，其特征在于，在风电场选址中的应用。

6.如权利要求1或2所述一种定量描述冲击接地电阻受火花效应强弱变化影响的方法，其特征在于，在接地装置的腐蚀情况判断中的应用；冲击特性变化率之差为0表示无腐蚀，冲击特性变化率之差越大，腐蚀越严重。