CN109470928A - 在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法，包括计算水平接地体周围磁感应强度分布；以水平接地体为有限长直流导线模型，计算土壤表面磁感应强度，磁感应强度幅值最大点所处位置为水平接地体中点所在位置，确定水平接地体的埋设方位；用四级法测量土壤电阻率；设定实际杆塔接地电阻模型；塔基内布极测量杆塔接地电阻，确定布极方位，布置电流极及补偿点；测量接地电阻。本发明具有在不断开接地引线且布极较少的情况下，可完成接地电阻精确、短距离测量，适用性好的特点。

Description

在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种可很大程度减小电流引线长度的在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法。

背景技术

接地电阻测量是对水平接地体进行腐蚀诊断，校核接地装置是否达到规程要求的一种必要手段。准确测量接地电阻可以验证接地系统的安全性，及时发现接地系统的变化或缺陷，避免由于接地不合格而可能造成的经济损失或事故。

在平原地区，由于土壤状况普遍良好，土壤电阻率较低，杆塔基础一般有足够良好的接地效果，可以减少接地装置的规模，通常有些射线只有几米到十几米，有些甚至可以不要人工接地装置就能保证一定的耐雷水平，杆塔接地电阻测量布线比较容易满足要求。

而山区线路的接地装置就和平原地区存在很大的不同，如土壤电阻率高、接地射线长、伸展范围大及地形复杂等，给接地测试带来很多的问题，最主要的问题是接地测量引线不能达到规程要求的长度。此外在走廊密集地区、城市里的输电线路接地装置也常常存在互连互通、布线受到交通或建筑密集的限制，无法布置满足规程要求的测量引线长度，为水平接地体的腐蚀诊断带来了困难。

目前测量接地电阻的方法仍为塔基外布极，主要有以下几种方法：①电位降法，其原理是测量水平接地体和电压极之间的电位降曲线，将曲线中趋于饱和的一段作为无穷远处电位，由此计算出接地电阻值。该方法需反复测量绘制一定数量的电位降曲线，测量效率低下，工作量大，现场操作困难；②三极法，作为目前广泛运用的接地电阻测量方法，其优点主要在于测量精度高，适用范围广。但三极法测量时必须断开杆塔的所有接地引线，且布极容易受到杆塔所在地形的限制，布极距离要求较长；③高频并联法，实现了不断开接地引线下杆塔接地电阻值测量，但该方法在模型建立时，仅仅考虑了杆塔接地电阻的阻值，而在高土壤电阻率的情况或者是注入高频电流的情况下，需考虑其电感效应，测量误差较大；④钳表法，其最大的优点是测量时无需布置电极，只要将钳表夹在接地引线上便能进行测量，但该方法测量时是仅仅需要保留一个接地引线，其余接地引线断开，若杆塔有四根接地引线，也不能达到节省劳动力的目的。

现有的接地电阻布极测量方法都存在需要在塔基外或接地网外布设较长距离的测量引线的巨大缺陷，多极法虽然一定程度上减小了布极距离，但测量引线长度尚不能满足工程要求，且布极数量较多，这些测量方法在诸如山地、城市等布极受限地区难以开展使用的，且人工费用大。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的接地电阻布极测量方法需要在塔基外或接地网外布设较长距离的测量引线的不足，提供了一种可很大程度减小电流引线长度的在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法，包括如下步骤：

(1-1)计算水平接地体周围磁感应强度分布；

(1-2)以水平接地体为有限长直流导线模型，计算土壤表面磁感应强度，磁感应强度幅值最大点所处位置为水平接地体中点所在位置，确定水平接地体的埋设方位；

(1-3)用四级法测量土壤电阻率；

(1-4)设定实际杆塔接地电阻模型；

(1-5)塔基内布极测量杆塔接地电阻，确定布极方位，布置电流极及补偿点；

(1-6)测量接地电阻。

本发明通过分析水平接地体注入电流后土壤表面的磁感应强度分布来确定接地极的布设方位，针对杆塔水平接地体的电流溢散情况，确定塔基内外电流溢散的大小关系，利用电流溢散关于水平接地体对称的关系，采用补偿点法来确定电流极和补偿点的塔基内布极位置布设方式，布极数量较少，尤其在电流引线长度的控制方面，首创性的提出利用上塔基内的布极空间，极大地减小了电流引线长度，这种在塔基内布极进行杆塔接地电阻短距测量的方法为电流极布极受限地区的接地电阻测量提供了切实可行的方案。

本发明可在不断开接地引线且布极较少的情况下，完成接地电阻精确短距离测量，适用性好，解决长测量引线测量方法受地形限制的难题。

作为优选，步骤(1-1)包括如下步骤：

计算B_P1、B_P2和B_P3：

其中，μ₀为真空中介质的磁导率(μ₀＝4π×10^-7H/m)，I_m为导线中的电流强度，r，φ，Z为以载流长直导线一端为原点并以之为纵轴的圆柱坐标系，r为平面极坐标系半径，φ为平面极坐标系角度，Z为圆柱坐标系纵轴，l为载流长直导线长度，e_φ为磁感应强度单位方向矢量，B_P1为载流长直导线长度内(0≤Z≤l)的磁感应强度，为该区域被测点和载流直导线端点(0，1)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角，为该区域被测点和载流直导线端点(0，0)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角；B_P2为载流长直导线一端区域(Z＜0)的磁感应强度，为该区域被测点和载流直导线端点(0，1)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角，为该区域被测点和载流直导线端点(0，0)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角；B_P3为载流长直导线另一端区域(Z＞0)的磁感应强度，为该区域被测点和载流直导线端点(0，1)间连线与被测点到载流长直导线垂线的夹角，为该区域被测点和载流直导线端点(0，0)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角。

作为优选，(1-2)包括如下步骤：

其中，x，y′和z′为以杆塔水平接地体中点正上方土壤厚度h处为坐标原点，以接地体埋设方向为y′轴方向，以竖直方向为z′轴建立的空间直角坐标系的三个坐标轴，为被测点和载流长直导线y′轴负半轴端点间连线与被测点到载流直导线的垂线的夹角，为被测点和载流长直导线y′轴正半轴端点间连线与被测点到载流直导线的垂线的夹角，μ₁为土壤的磁导率，I_t为接地体中的电流强度，L为水平接地体长度；

利用B_P1、B_P2和B_P3确定磁感应强度幅值最大点，从而确定水平接地体的埋设方位。

作为优选，步骤(1-3)包括如下具体步骤：

其中，式中ρ为土壤电阻率，R为所测的电阻，a为所测等距电极之间的距离，b为测试电极打入地下的深度。

作为优选，步骤(1-4)包括如下具体步骤：

利用COMSOL软件建立以水平接地体为中心的无限大半球形大地，设置无限大半球形大地的半球面边界为无穷远，在水平接地体处注入测试电流并计算出半球形大地的电势分布，利用如下公式计算得到水平接地体的真实值R_M：

其中，I_M为水平接地体处注入的测试电流，U_M为在I_M激励下得到的水平接地体电势。

作为优选，步骤(1-5)包括如下具体步骤：

在大地表面建立以水平接地体接地引下线处为原点，以水平接地体延伸方向为y轴负半轴的平面直角坐标系xoy；

(6-1)采用关于水平接地体对称的电流极布置方式，在杆塔接地体处注入电流，在塔基内和塔基外均布置两个电流极，塔基外为C1和C2、塔基内为C3和C4，P为补偿点，补偿点P的电位为：

水平接地体的电位为：

则水平接地体与补偿点P处的电势差为：

U_OP＝IR

则电流极C1、C2、C3、C4和补偿点P需满足的坐标关系式为：

其中，I₁、I₂、I₃、I₄为通过四个电流极C1、C2、C3、C4的电流大小，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)、(x₄，y₄)、(x，y)为电流极C1、C2、C3、C4和补偿点P的坐标位置，且

x₁＝x₂，y₁＝-y₂，x₃＝x₄，y₃＝-y₄；

(6-2)确定各电流极电流大小关系

采用COMSOL软件利用(1-4)中实际杆塔接地电阻模型分析塔基外和塔基内的电流溢散关系，则各电流间应该有如下关系：

I₁＝I₂，I₃＝I₄

I₁+I₂+I₃+I₄＝I

其中，I为水平接地体的注入测试电流，η为塔基外和塔基内电流溢散大小的比值；

在布极测量时，把电流极和补偿点与水平接地体之间距离控制在水平接地体的长度之内。

得到电流极和补偿点在电流极电流相关关系下的坐标位置关系式，在实际布极测量时，可在靠近塔基的水平接地体塔基外端点两侧对称布置两个电流极，通过控制在塔基内关于水平接地体对称布置的两个电流极的位置，使补偿点位置在水平接地体长度方向以内，这种布极方式下的布极引线长度能控制在水平接地体长度以内，并能充分利用上塔基内的布极空间缩短电流极和补偿点的布极距离，减小塔外测量引线的长度。

作为优选，(1-6)包括如下步骤：

利用COMSOL软件建立以水平接地体为中心的无限大半球形大地，设置无限大半球形大地的半球面边界为无穷远，并利用(1-5)中确定的水平接地体布极方位布置各个电流极，在水平接地体处注入测试电流并仿真计算出整个半球形大地的电势分布，则增加了电流极的无限大半球形大地计算所得的接地电阻，即为用塔基内布极方法测量所得的接地电阻，其计算式为：

其中，I_op为水平接地体处注入的测试电流，U_OP为水平接地体与补偿点间的电势差，R为杆塔接地电阻测量值。

作为优选，(1-6)之后还包括杆塔接地电阻的误差修正步骤：

塔基内布极测得的杆塔接地电阻与实际的接地电阻间存在一定的误差，需对该测量方法测得的接地电阻进行修正，修正式为：

R_M＝μR

其中，R_M为经修正的杆塔接地电阻值，μ为修正系数；

建立修正系数与土壤电阻率的相应对照表。

因此，本发明具有如下有益效果：通过分析水平接地体注入电流后土壤表面的磁感应强度分布来确定接地极的布设方位，针对杆塔水平接地体的电流溢散情况，确定塔基内外电流溢散的大小关系，利用电流溢散关于水平接地体对称的关系，采用补偿点法来确定电流极和补偿点的塔基内布极位置布设方式，布极数量较少，尤其在电流引线长度的控制方面，首创性的提出利用上塔基内的布极空间，极大地减小了电流引线长度，这种在塔基内布极进行杆塔接地电阻短距测量的方法为电流极布极受限地区的接地电阻测量提供了切实可行的方案；在不断开接地引线且布极较少的情况下，可完成接地电阻精确、短距离测量，适用性好。

附图说明

图1是本发明的载流直导线在真空中产生磁场计算地一种示意图；

图2是本发明的杆塔水平接地体在土壤表面产生的磁场的一种示意图；

图3是本发明的一种四极法测量原理图；

图4是本发明的一种实际杆塔接地电阻模型仿真计算图；

图5是本发明的一种测量杆塔接地电阻布极示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

一种在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法，包括如下步骤：

(1)参见附图1：通过建立有限长直载流导线计算模型对水平接地体周围磁感应强度分布进行计算，则计算公式为：

上述公式中，μ₀为真空中介质的磁导率(μ₀＝4π×10^-7H/m)，I_m为导线中的电流强度，r，φ，Z为以载流长直导线一端为原点并以之为纵轴的圆柱坐标系，r为平面极坐标系半径，φ为平面极坐标系角度，Z为圆柱坐标系纵轴，l为载流长直导线长度，e_φ为磁感应强度单位方向矢量，B_P1为载流长直导线长度内(0≤Z≤l)的磁感应强度，为该区域被测点和载流直导线端点(0，1)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角，为该区域被测点和载流直导线端点(0，0)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角；B_P2为载流长直导线一端区域(z＜0)的磁感应强度，为该区域被测点和载流直导线端点(0，1)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角，为该区域被测点和载流直导线端点(0，0)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角；B_P3为载流长直导线另一端区域(z＞0)的磁感应强度，为该区域被测点和载流直导线端点(0，1)间连线与被测点到载流长直导线垂线的夹角，为该区域被测点和载流直导线端点(0，0)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角。

(2)参见附图2：以水平接地体为有限长直流导线模型，根据上述分析结果计算土壤表面磁感应强度，计算公式为：

其中，x′，y′和z′为以杆塔水平接地体中点正上方土壤厚度h处为坐标原点，以接地体埋设方向为y′轴方向，以竖直方向为z′轴建立的空间直角坐标系的三个坐标轴，为被测点和载流长直导线y′轴负半轴端点间连线与被测点到载流直导线的垂线的夹角，为被测点和载流长直导线y′轴正半轴端点间连线与被测点到载流直导线的垂线的夹角，μ₁为土壤的磁导率，I_t为接地体中的电流强度，L为水平接地体长度；

(3)参见附图3：用四级法测量土壤电阻率，计算公式为：

其中，式中ρ为土壤电阻率，R为所测的电阻，a为所测等距电极之间的距离，b为测试电极打入地下的深度。

(4)参见附图4：实际杆塔接地电阻模型仿真计算

利用COMSOL软件建立以水平接地体为中心的无限大半球形大地模型，设置无限大半球形大地模型的半球面边界为无穷远，在水平接地体出注入测试电流并仿真计算出整个模型的电势分布，则该仿真模型计算所得接地电阻为理论上的真实接地电阻值，其计算式为：

式中，I_M为该仿真模型在水平接地体处注入的测试电流，U_M为该模型在I_M激励下仿真得到的水平接地体电势。

(5)参见附图5：塔基内布极测量杆塔接地电阻时布极方位确定

1)电流极和补偿点坐标位置需满足关系式

在大地表面建立以水平接地体接地引下线处为原点，以水平接地体延伸方向为y轴负半轴的平面直角坐标系xoy，采用关于水平接地体对称的电流极布置方式，在水平接地体处注入电流，在塔基内和塔基外各对称的布置两个电流极，塔基外为C1和C2、塔基内为C3和C4，P为补偿点位置，补偿点P的电位为：

则水平接地体与补偿点P处的电势差为：

则电流注入点与补偿点P处的电势差为：

所谓补偿点即是该点要满足电流注入点与该点的电势差等于接地电阻与注入电流的乘积，即：

U_oP＝IR

则电流极C1、C2、C3、C4和补偿点P位置需满足的坐标关系式为：

其中，I₁、I₂、I₃、I₄为通过四个电流极C1、C2、C3、C4的电流大小，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)、(x₄，y₄)、(x，y)为电流极C1、C2、C3、C4和补偿点P的坐标位置，且由对称关系满足：x₁＝x₂，y₁＝-y₂，x₃＝x₄，y₃＝-y₄

2)各电流极电流大小关系确定

采用COMSOL软件利用(4)中实际杆塔接地电阻模型仿真分析水平接地体侧和无水平接地体侧(即塔基外和塔基内)的电流溢散关系，则各电流间应该有如下关系：

I₁＝I₂，I₃＝I₄

I₁+I₂+I₃+I₄＝I

其中，I₁，I₂，I₃，I₄为通过四个电流极C1、C2、C3、C4的电流大小，I为水平接地体的注入测试电流，η为仿真分析出的塔基外和塔基内电流溢散大小的比值。

在实际布极测量时，可在靠近塔基的水平接地体塔基外端点两侧对称布置两个电流极，通过控制在塔基内关于水平接地体对称布置的两个电流极的位置使补偿点位置在水平接地体长度方向以内，这种布极方式下的布极引线长度能控制在水平接地体长度以内，并能充分利用上塔基内的布极空间缩短电流极和补偿点的布极距离，减小塔外测量引线的长度。

(6)塔基内布极测量杆塔接地电阻仿真计算

利用COMSOL软件建立以水平接地体为中心的无限大半球形大地模型，设置无限大半球形大地模型的半球面边界为无穷远，并利用(5)中确定的塔基内布极方位布置电流极，在水平接地体出注入测试电流并仿真计算出整个模型的电势分布，则该仿真模型计算所得接地电阻为用塔基内布极方法测量所得接地电阻，其计算式为：

其中，I_op为水平接地体处注入的测试电流，U_OP为水平接地体与补偿点间的电势差，R为杆塔接地电阻测量值。

(7)参见表1：塔基内布极测得杆塔接地电阻的误差修正

表1

运用塔基内布极测得的杆塔接地电阻与实际的接地电阻间存在一定的误差，需对该测量方法测得的接地电阻进行修正，修正式为：

R_M＝μR

其中，R_M为通过塔基内布极方法经修正最终测量出的杆塔接地电阻值，理论上等于运用(4)中实际杆塔接地电阻模型仿真计算所得接地电阻值，μ为修正系数，可通过建立的修正系数与土壤电阻率的相应对照表得到。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法，其特征是，包括如下步骤：

(1-1)计算水平接地体周围磁感应强度分布；

(1-2)以水平接地体为有限长直流导线模型，计算土壤表面磁感应强度，磁感应强度幅值最大点所处位置为水平接地体中点所在位置，确定水平接地体的埋设方位；

(1-3)用四级法测量土壤电阻率；

(1-4)设定实际杆塔接地电阻模型；

(1-5)塔基内布极测量杆塔接地电阻，确定布极方位，布置电流极及补偿点；

(1-6)测量接地电阻。

2.根据权利要求1所述的在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法，其特征是，步骤(1-1)包括如下步骤：

计算B_P1、B_P2和B_P3：

其中，μ₀为真空中介质的磁导率(μ₀＝4π×10^-7H/m)，I_m为导线中的电流强度，r，φ，Z为以载流长直导线一端为原点并以之为纵轴的圆柱坐标系，r为平面极坐标系半径，φ为平面极坐标系角度，Z为圆柱坐标系纵轴，l为载流长直导线长度，e_φ为磁感应强度单位方向矢量，B_P1为载流长直导线长度内(0≤Z≤l)的磁感应强度，为该区域被测点和载流直导线端点(0，1)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角，为该区域被测点和载流直导线端点(0，0)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角；B_P2为载流长直导线一端区域(Z＜0)的磁感应强度，为该区域被测点和载流直导线端点(0，1)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角，为该区域被测点和载流直导线端点(0，0)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角；B_P3为载流长直导线另一端区域(Z＞0)的磁感应强度，为该区域被测点和载流直导线端点(0，l)间连线与被测点到载流长直导线垂线的夹角，为该区域被测点和载流直导线端点(0，0)间连线与被测点到载流直导线垂线的夹角。

3.根据权利要求1所述的在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法，其特征是，(1-2)包括如下步骤：

其中，x′，y′和z′为以杆塔水平接地体中点正上方土壤厚度h处为坐标原点，以接地体埋设方向为y′轴方向，以竖直方向为z′轴建立的空间直角坐标系的三个坐标轴，为被测点和载流长直导线y′轴负半轴端点间连线与被测点到载流直导线的垂线的夹角，为被测点和载流长直导线y′轴正半轴端点间连线与被测点到载流直导线的垂线的夹角，μ₁为土壤的磁导率，I_t为接地体中的电流强度，L为水平接地体长度；

利用B_P1、B_P2和B_P3确定磁感应强度幅值最大点，从而确定水平接地体的埋设方位。

4.根据权利要求1所述的在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法，其特征是，步骤(1-3)包括如下具体步骤：

其中，式中ρ为土壤电阻率，R为所测的电阻，a为所测等距电极之间的距离，b为测试电极打入地下的深度。

5.根据权利要求1所述的在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法，其特征是，步骤(1-4)包括如下具体步骤：

利用COMSOL软件建立以水平接地体为中心的无限大半球形大地，设置无限大半球形大地的半球面边界为无穷远，在水平接地体处注入测试电流并计算出半球形大地的电势分布，利用如下公式计算得到水平接地体的真实值R_M：

其中，I_M为水平接地体处注入的测试电流，U_M为在I_M激励下得到的水平接地体电势。

6.根据权利要求1所述的在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法，其特征是，步骤(1-5)包括如下具体步骤：

在大地表面建立以水平接地体接地引下线处为原点，以水平接地体延伸方向为y轴负半轴的平面直角坐标系xoy；

(6-1)采用关于水平接地体对称的电流极布置方式，在水平接地体处注入电流，在塔基内和塔基外均布置两个电流极，塔基外为C1和C2、塔基内为C3和C4，P为补偿点，补偿点P的电位为：

水平接地体的电位为：

则水平接地体与补偿点P处的电势差为：

U_oP＝IR

则电流极C1、C2、C3、C4和补偿点P需满足的坐标关系式为：

其中，I₁、I₂、I₃、I₄为通过四个电流极C1、C2、C3、C4的电流大小，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)、(x₄，y₄)、(x，y)为电流极C1、C2、C3、C4和补偿点P的坐标位置，且

x₁＝x₂，y₁＝-y₂，x₃＝x₄，y₃＝-y₄；

(6-2)确定各电流极电流大小关系

采用COMSOL软件利用(1-4)中实际杆塔接地电阻模型分析塔基外和塔基内的电流溢散关系，则各电流间应该有如下关系：

I₁＝I₂，I₃＝I₄

I₁+I₂+I₃+I₄＝I

其中，I为水平接地体的注入测试电流，η为塔基外和塔基内电流溢散大小的比值；

在布极测量时，把电流极和补偿点与水平接地体之间距离控制在水平接地体的长度之内。

7.根据权利要求1所述的在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法，其特征是，(1-6)包括如下步骤：

利用COMSOL软件建立以水平接地体为中心的无限大半球形大地，设置无限大半球形大地的半球面边界为无穷远，并利用(1-5)中确定的水平接地体布极方位布置各个电流极，在水平接地体处注入测试电流并仿真计算出整个半球形大地的电势分布，则增加了电流极的无限大半球形大地计算所得的接地电阻，即为用塔基内布极方法测量所得的接地电阻，其计算式为：

其中，I_op为水平接地体处注入的测试电流，U_OP为水平接地体与补偿点间的电势差，R为杆塔接地电阻测量值。

8.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的在塔基内布极测量杆塔接地电阻的方法，其特征是，(1-6)之后还包括杆塔接地电阻的误差修正步骤：

塔基内布极测得的杆塔接地电阻与实际的接地电阻间存在一定的误差，需对该测量方法测得的接地电阻进行修正，修正式为：

R_M＝μR

其中，R_M为经修正的杆塔接地电阻值，μ为修正系数；

建立修正系数与土壤电阻率的相应对照表。