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摘要：研究接地网的冲击特性是对电力系统及建筑物进行雷电防护的基础，目前国内外学者已对其开展了许多研究，取得了一定的成果。本文以35 kV变电站接地网为依托，基于量纲相似原理设计和定制了接地网模型，通过模拟接地网导体变细、断裂和脱焊等典型故障，对接地网模型的冲击特性进行了试验研究。
关键词：变电站；接地网；冲击特性；设计；分析
引言
接地网对变电站的安全运行起着非常重要的作用，其性能一直是接地网研究的重要课题之一。现有接地网设计重视其直流及工频电流作用下的安全特性是否能达标，而对接地网的冲击特性、地网均压等方面研究较少，但雷击可能会给变电站的电气设备以及接地装置造成严重危害。当变电站受到雷击时，其接地网会受到高频雷电流的冲击，使其呈现出复杂的冲击特性，将会危及电力系统的正常运行以及电气设备与运行人员的安全。另外，当接地网存在故障时，其冲击特性也会发生变化。因此，在接地网设计时有必要考虑冲击特性影响并对其进行分析研究，这对接地系统性能研究至关重要的。
1 接地网冲击特性分析
在冲击电流作用下，接地网的电阻称为暂态电阻，随时间而变化。一般将冲击电压最大值与冲击电流最大值之比定义为冲击接地电阻。根据接地网的冲击接地电阻，可依据雷电流大小对接地网可能出现的最大暂态电位进行估算。
2 接地网冲击特性模拟试验
2.1 接地网模型的设计
研究对象源于某供电公司的35kV变电站接地网，该接地网占地面积为34.4m×42.6m，由5根横向水平导体、5根纵向水平导体及若干垂直接地极构成。其中，水平导体为25×6mm镀锌扁钢，垂直接地极为直径38mm、长2.5m的圆钢，接地网埋深0.8m。
依据量纲相似原理中的几何相似，对实际接地网进行了接地网模型的设计。由于变电站改造，实际接地网的形状不甚规则。为简化模拟试验，本文在量纲相似的基础上进行简化，将接地网模型设计为规则形状，使接地网原型的边框尺寸与接地网模型中对应长度尺寸的比值为5～6，并确保接地网模型工频接地电阻与实际接地电阻比值同样为5～6，从而得到规则形状的接地网模型。
图1为实际接地网模型，即为7m×7m规则网格，由水平接地网和垂直接地极组成。其中，水平导体间距采用优化不等间距设计，导体规格为25×6mm的镀锌扁钢，垂直接地极规格为直径38mm、长0.3m的圆钢。图中，m、n为冲击电流注入点；A、B、C和D为模拟故障点，在制作时采用铆接方式便于模拟故障，接地网埋深为0.2m。
2.2 接地网故障设置
接地网缺陷常因施工时虚焊或脱焊、土壤腐蚀以及接地电流电动力等因素引起，通常造成水平均匀导体变细或断裂等故障。因此，本文根据变电站现场接地网典型故障实例，重点对脱焊、导体断裂及导体腐蚀三种典型故障进行模拟。接地网模型的具体故障设置位置与设置方式如表1所示。
式中，n为接地网原型与模型几何尺寸比值。
真型试验和模拟试验时接地网冲击电压比例关系为
u1=nu2（13）
依据冲击接地电阻定义，冲击接地电阻比例关系为
R1=R2/n（14）
由此，可依据模拟试验结果估算出实际接地网在各种典型工况下的冲击接地电阻。
2.3 试验描述
试验用雷电流发生器为厦门红相4051型雷电冲击电阻测试仪，其会自动调整注入电流大小以获得最大功率输出。测试回路电压参考点及电流参考极根据0.618法确定。试验用雷电流波形共有四种，其典型参数分别为0.25/100μs、1/20μs、8/20μs和10/350μs，对应波形如图2所示。由图2可见，这四种雷电流波形的幅值均为1，但在波前时间和波尾时间上存在较大差异。
试验过程具体如下：
（1）根据0.618法确定测试用电压极和电流极的位置。
（2）分别在注入点m和注入点n使用四种雷电流波形对接地网的冲击特性进行测试，并记录对应结果。
（3）开挖接地网，设置A点脱焊故障，埋设接地网，重复步骤2），记录对应结果。
（4）开挖接地网，恢复A点脱焊故障并设置B点断裂故障，埋设接地网，重复步骤2），记录对应结果。
（5）开挖接地网，恢复B点断裂故障并设置CD段导体腐蚀故障，埋设接地网，重复步骤2），记录对应结果。
（6）恢复CD段导体腐蚀故障，埋设接地网，结束试验。
3 结果分析
3.1 不同雷电流波形下接地网的冲击特性
接地网模型在正常工况下，从m点注入不同雷电流波形时冲击接地电阻的实测结果与计算结果如表2所示。对应的相对误差计算公式为
由表2可得，冲击接地电阻的实测值与计算值相对误差最大不超过4.5%，测试结果较为准确。误差产生的原因主要是由于现场试验中土壤情况随天气条件变化较大，且雷电流发生器的输出波形存在一定误差。由试验结果可得，当冲击电流注入点相同时，冲击电流波形波头时间越短，冲击接地电阻越大。因此，分析接地网冲击特性时应综合考虑雷电流情况；设计接地网时也应分析当地雷电流活动情况。
3.2 注入点对接地网冲击特性的影响
接地网在正常工况下，从不同注入点注入不同雷电流波形时对冲击接地电阻的影响如表3所示。由表3可见，当冲击电流波形相同时，电流从接地网边角注入所得的冲击接地电阻较大；从接地网中心注入时，冲击接地电阻较小，且该结论适用于不同的雷电流波形。该现象主要是由接地网的不等电位引起。由于雷电流频率很高，接地导体电感和电阻分量增大，不等电位现象较严重，导致远离电流注入点的接地导体散流本领较弱。当电流从接地网边角注入时，对角区域接地导体散流能力大大降低，接地网的冲击有效面积明显低于电流从接地网中心注入时的情况，从而导致冲击接地电阻上升。
由表4可得，当接地网中存在故障时，冲击接地电阻会较正常工况有所增大，且冲击电流波头时间越短，冲击接地电阻增加幅度越大。当注入电流为0.25/100μs雷电波时，故障冲击接地电阻较正常工况增大约21.07%；当电流为10/350μs雷电波时，该增幅约为6.45%。当接地网存在故障时，接地导体的冲击有效长度减小，散流能力减弱，从而导致冲击接地电阻上升。对不同雷电流波形，波头时间越短，雷电流幅值上升越快，接地导体的电感效应越明显，同一故障导体的冲击有效长度减小越多，从而导致冲击接地电阻增加幅度越大。
4 结束语
综上所述，变电站的接地网是电网系统中的重要组成部分，对于电力系统的安全运行具有重要的影响。为有效分析变电站接地网的冲击特性，提高变电站电气设备的运行可靠性和确保人身安全，本文对某35kV变电站接地网在典型工况和典型故障下的冲击特性进行了试验研究。结果表明：当冲击电流注入点相同时，雷电流波形的波头时间越短，冲击接地电阻越大。因此，在设计变电站接地网时，应根据当地雷电流活动情况，考虑电流波形以确定合适的接地网冲击特性参数。当变电站接地网存在故障时，冲击接地电阻较正常工况增大，且冲击电流波形的波头时间越短，该增幅越大。因此，冲击接地电阻可作为接地网状态评估的评判参量之一，但不能仅考虑其增幅，而需结合冲击电流波形进行综合判断。当冲击电流波形相同时，电流从接地网边角注入所得的冲击接地电阻最大，从接地网中心注入所得的冲击接地电阻最小。因此，在设计接地网时，应尽量将引流点设置在接地网中心附近，以防止从边角处引流。其研究结果可为接地网设计及准确评估接地网状态提供依据。
参考文献：
[1] 罗翊君.接地网冲击特性分析及其优化设计[J].湖南大学.2015
[2] 罗勋.变电站接地网雷电冲击暂态特性研究[J].西南交通大学.2015
[3] 苏磊，王丰华，王劭菁，穆卡，刘亚东.基于试验分析的变电站接地网冲击特性研究[J].高压电器.2016（9）：98-102
论文作者:曾绮源
论文发表刊物:《电力设备》2017年第3期
论文发表时间:2017/4/25
标签：电阻论文; 电流论文; 雷电论文; 波形论文; 变电站论文; 故障论文; 导体论文; 《电力设备》2017年第3期论文;