分层土壤状况下地网接地电阻测量误差分析

摘 要:分析了理想接地球体状况下,垂直地面方向两层分层和水平方向两层分层的土壤结构对现行规程推荐的0.618法和30°夹角法测量地网接地电阻误差的影响,并对测量引线间互感对测试结果的影响进行了计算分析。

关键词:接地网;分层土壤;接地电阻;测量误差;互感

  发变电站地网接地电阻值是接地系统的重要技术指标,它是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合设计要求的重要参数。为保证设备安全运行,电力设备预防性试验规程规定了接地网不超过6年要测量一次接地电阻。正确测量地网接地电阻对于确保发变电站的安全运行具有十分重要的意义。如何准确测量发变电站接地系统,特别是大型接地系统的真实接地电阻是长期困扰电力工作者的一大难题。测量大型接地系统接地电阻的方法主要采用电位降法,该方法将测试电流注入待测接地体,记录该测试电流与接地体和试验用电压极间电压的关系。我国电力系统一般都采用直线法(又称0.618法)和30°夹角法进行接地电阻的测量[1]。30°夹角法与直线法通过寻求接地体和电流极之间的零电位面,有效地利用了电流极的引入造成的电场畸变,从而大大地缩短了测量引线的长度。电力系统现行规程[1]所推荐的方法主要是针对均匀土壤,规程的公式是根据理想半球形地网、均匀土壤而得的。但实际测量中接地电阻结果明显受土壤不均匀性的影响,以致有时造成地网接地电阻测试不同方向测量得到的接地电阻相差较多。目前有很多文章对两层和三层土壤中地网接地电阻计算方法进行了研究,基本思路是采用边界元法,计算点电流源在任意一层土壤中时每一层土壤的电位分布,求得每一层的格林函数,得到地网接地电阻的显式表达式,利用计算机程序得到地网接地电阻计算值[2]。但是很少见到分析土壤分层状况下地网接地电阻测量误差的报道。本文利用文献[2]的思路,计算接地球体在任意一层土壤中时每一层土壤的电位分布,得到接地电阻测量值的表达式,从而分析理想接地球体状况下,理想土壤两层垂直和水平分层结构对现行接地规程推荐的测量方法误差的影响,对测量引线间互感对测试结果的影响进行了计算分析。

1 分层土壤对接地电阻测试影响计算原理

  如图1所示,垂直地面方向两层土壤分层,上层土壤厚度为h,土壤电阻率为ρ1,下层土壤电阻率为ρ2,理想接地球体半径为a,流过理想接地球体的电流为i,电流极距地网距离为d,则根据镜象法可以写出不考虑电流极影响时,地面上任一距离理想接地球体为x的位置电位为[3]:

  实际测量时,由于电流极不可能拉到无穷远,受电流极的影响,x点的电位还存在如下分量

受电流极的影响,此时理想接地球体的电位为:

在x点所测接地电阻测量值

则接地电阻测量值r与实际接地电阻值r0的误差为:

ε的解析包含了4个级数,它是d,x,a,h和k的函数,利用matlab软件编程可以实现[4]。

以上公式为值线法测量时的公式,当采用30°夹角法测量时,全部公式中(d-x)用电流极和电压极之间的实际距离代替。

  水平土壤分层时的计算方法与前面类似,不再重述。

  本文分析计算中,地网及电流极均为理想接地球体,取点电流源在距离为a处的电位作为理想球体的电位,实际地网的电位分布与等效直径为地网对角线长度的理想接地球体的电位分布存在一定误差。根据文献[3]的计算,直线法测量时保持电流极到实际地网的距离为10 a以上,不考虑土壤分层时实际地网等效为理想接地球体引起的接地电阻值测量误差小于10%,此误差工程上可以接受。理想接地球体和实际地网接地电阻测试误差受土壤不均匀程度影响的变化趋势是一致的。实际地网更精确的接地电阻测量误差需要借助成熟的通用软件计算,测量相对误差ε不存在简单的数学解析式。

2 考虑垂直地面方向两层土壤状况下接地电阻测试误差分析

2.1 电压极位置与土壤结构关系

  垂直地面方向两层土壤状况下电压极位置与土壤结构关系如图2[5,6]。

  假设有两层土壤分布,上下层电阻率分别为ρ1,ρ2,定义k=(ρ2-ρ1)/(ρ2+ρ1)为土壤不均匀系数,h为上层土壤厚度,a为地网等值半径(以下同)。由图2可以看出,当k=0(即土壤均匀),则电压极和接地极之间的距离为电流极与接地极间距离的0.618倍时,直接将电压极布置在该点测量得到的接地电阻测量值即为接地系统的实际接地电阻值。在两层土壤结构中,当上层土壤厚度与电流极长度可以比拟时,电压极选择就不一定是0.618处了,而是随着k值的变化而变化,当下层土壤电阻率大于上层土壤时,则电压极与被测接地系统的距离在0.618 d的基础上相应增大;反之则减小[5,6]。显然,这时还用0.618

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计