摘要：对接地网进行模拟试验，通过电位参数的测量能够诊断出接地网的故障情况。本文通过模拟实验的理论分析，设计并搭建了接地网故障诊断仿真实验系统，对接地网相关断裂故障进行了模拟实验研究。
关键词：接地网；故障诊断；模拟实验
0引言
通过实际接地网的测量、数值计算、模拟试验这三种方法都可以用来评估接地网的性能[1,2]。实际尺寸的接地网测试费用高，同时也比较难于实现；而数值计算程序或软件都是以简化假设条件为前提的，不能完全反应实际情况。模拟试验克服了这两种方法的缺点，可以方便地改变接地网模型的拓扑结构，而且实现起来较为方便。
1模拟实验等价性和有效性分析
实际接地网地表电位分布满足拉普拉斯方程，对接地网进行工频模拟试验的理论依据，是基于电流场分布满足拉普拉斯方程[3]，即：
(3-1)
假设模拟场的空间尺寸坐标为（x’，y’，z’），与实际场的坐标（x，y，z）之间的比例尺为1：n。模拟试验中，点P的电位V’和实际对应点的电位V之间的比例尺为1：k，则有：
(3-2)
式（3-1）可改写为：
(3-3)
从式（3-3）可以得到：
(3-4)
由式3-4可知，模拟场地表电位分布也满足拉式方程。同时，模拟场的第一类第二类边界条件的与实际场的边界条件同比例相似，根据场的唯一性和场源的叠加性，所以模拟场所得的地表电位分布也和实际电位分布成一定比例关系。
模拟场与实际场电位分布比例尺推导过程如下：
设实际场几何尺寸为L1，模拟场几何尺寸为L1，则几何尺寸比例为：
(3-5)
设实际场土壤电阻率为ρ1，模拟场土壤电阻率为ρ2，电阻率比例尺为：
(3-6)
设实际场故障电流为I1，模拟场故障电流为I2，电流比例尺为：
(3-7)
设实际场电位为V1，模拟场电位为V2，实际接地网的电位与模型接地网的电位的关系为：
(3-8)
式3-8给出了模拟场和实际场中电位分布的等式，依此公式，结合实际接地系统和模拟装置的注入电流可进一步推导出实际地网和模拟地网的接地电阻及其他参数的关系。因此，只要按照几何比例尺n来进行模拟，则模拟场和实际场将是完全相似的。
2模拟实验装置系统设计
为了模拟实际接地系统，本文采用水模拟土壤介质，在水中加入盐，作为电阻率可调的电解液来模拟土壤。根据实际接地网的形状，采用铜导体缩小一定的比例，来模拟实际地网。注入源根据实验的要求，向接地网中注入不同大小的电流。本文搭建的模拟实验装置主要包括四个部分：电解槽、模拟接地网、注入源、测量设备。
图3.15 接地网模拟实验装置结构示意图
接地模拟实验中，可以采用电解液来模拟实际的土壤，如果用自来水，可以通过在水中加入食盐等电解质来提高水的电导率。利用电解槽进行接地模拟实验，可以方便地测量接地装置的电位分布，也可以方便地修改接地网模型等接地装置结构。
图3.16 接地网模拟实验电解槽
如图3.16所示，为本文所做模拟实验采用的电解槽，其尺寸设计为1.9m×1.9m×0.5m(长×宽×高)。考虑到土壤的四周都应该是零电位，故在接地水槽的内部铺设了一个整体的铁皮导电层，模拟零电位，每次实验中，都将水槽四个边角以导线相连，以保证电解槽的零电位相等。
模拟实验的其他条件如下：
1)模拟接地网采用镀铜钢绞线焊接而成，导体直径为4mm，为了保证接地网模型平整，模拟实验中将接地网模型事先固定在托架上，然后再放入水中；
2)一般来说，地网中心到池壁的距离不小于地网模型对角线的5倍，则可以减少电解槽中散流变化对电位测量结果的影响。本文采用的地网模型为边长为0.20m的正方形田字格接地网，可以满足实验要求。
注入电流为交流，大小需要同时考虑测量结果的灵敏度以及电流对导体的腐蚀。过大的注入电流过大会使导体发热，腐蚀导体。而过小的注入电流过小又会降低测量精度。试验分析表明，导体电流密度控制在5mA/cm2比较理想[40]。IEEEStd80建议流过接地导体的电流密度小于0.1A/cm2[41]。由于着重考虑了测量精度，本文的模拟实验注入电流控制在2.915A左右。
3模拟实验及其结果分析
为了验证接地网导体的变化对地表电位分布的影响，本文对完整和故障下的两种接地网进行了模拟实验，并分别对接地网上方对应的水中的电位变化进行了测量。
（1）模拟实验一：地表电位对故障的反映
试验中，水的电阻率为25Ω•m，接地网的边长为20cm，电流注入点选在中间注入，接地网模型如图3.17所示。其他实验条件在3.3.2小节中已经给出。
(a)完整接地网模型 (b)故障接地网模型
图3.17 模拟实验用田字格接地网结构示意图
对图3.17中的接地网每个节点对应的地表电位进行测量，本文的测量办法是，在同样的注入方波电流（2.915A）下，用探针测量水面下同一深度（5mm）的电位，得到的测量结果如图3.18所示。
从图3.18的测量结果可知，由于完整接地网的拓扑结构完全对称，且电流注入点在地网中心，因此如图3.18（a）中所示，完整田字格接地网的地表电位数据基本是对称分布的，与田字格接地网的结构特性相符。如图3.18（b）所示，相对于完整地网，故障接地网的地表电位值在导体断裂的区域有较为显著的降低并影响整个接地系统的地表电位分布。
(a)完整接地网地表电位分布(V) (b)故障接地网模型地表电位分布(V)
图3.18田字格接地网地表电位分布
（2）模拟实验二：多个测量点的地表电位对故障的反映
仍然以田字格接地网为实验对象，进行完整和故障情况下的地表电位测量。图3.19为实验用接地网示意图。
(a)完整接地网及其观测线 (b)故障接地网及其观测线
图3.19模拟实验中所用的完整和故障接地网
实验用接地网规格为20cm*20cm，从中点注入电流0.2A，地网埋深（即接地网在水中的深度）6.5cm，探针埋深（即测量深度）2cm。图中的B、C、D、E、F、G、H分别为接地网上方地表电位的测量线。其中图3.19（a）为完整接地网，图（b）为故障接地网。
对图3.19中的完整接地网和故障接地网进行地表电位测量，对于7条测量线B、C、D、E、F、G、H，每条测量线上测量7个电位点。将每条测量线上测量的电位点以线段连接，形成一条曲线。得到如图3.20所示的曲线图。
(a)完整接地网地表电位测量结果（V） (b)故障接地网地表电位测量结果（V）
图3.20田字格接地网地表电位曲线图
从图3.20（a）中可见，完整接地网的每一条地表电位曲线的形状都十分接近，相似程度很高，这是因为接地网本身结构是对称的；而图3.20（b）中，测量线G和H的电位曲线形状与其他测量线的电位曲线形状差别较大，这是因为测量线G和H正好对应了接地网的断裂处（图3.20（b）所示），由于在接地网右下角出现导体的断裂，因此测量线G和H的电位曲线在尾部出现了明显的下降（图3.20（b）所示）。
4小结
本文对接地网故障辨识进行模拟实验，试验中分别取完整和故障状态下的接地网进行电位测量，由实验结果得出了以下结论。
（1）通过模拟实验的理论分析，搭建的实验平台能够模拟接地网地表电网状况，并能反应接地网的断裂故障。
（2）地表电位分布的情况能够反映出接地网导体的状态。地表电位的降低，是与土壤中接地网导体结构的改变，即接地网故障与否紧密联系的。地表电位分布的情况能够反映出接地网导体的状态，从而对接地网的断裂故障进行辨识。
参考文献
[1]谢广润．电力系统接地技术．北京：中国电力出版社，1991
[2]DL/T475-2006接地装置特性参数测量导则．北京：电力出版社，2006
[3]何金良，曾嵘．电力系统接地技术．北京：科学出版社，2007
论文作者:许澜
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/17
标签：电位论文; 地表论文; 测量论文; 故障论文; 电流论文; 导体论文; 地网论文; 《电力设备》2018年第19期论文;