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土壤電阻率對防雷接地設計的影響

2021-11-05 13:59:43  
0引言
在電力系統中,輸電線路接地系統的設計會影響雷電引起的故障數量。電力系統接地調查的準確性主要取決于當地周圍的正確電阻率。接地故障的
發生會產生高電流和電位上升。有效的防雷接地系統可確保對電氣設備的可靠保護,并為附近的人們提供安全的環境日
。在防雷接地系統設計中,土壤電阻率是應該考慮的主要因素之一,因為它對接地電阻有顯著影響。不正確的土壤電阻率會導致防雷接地系統的設
計不準確。土壤電阻計算的準確性取決于其電阻率。土壤電阻率主要受土壤結構、土壤深度、表層水分和土壤溫度的影響。其中土壤含水率是影響土壤電阻率的主要原因
,在進行防雷接地系統評估時,適合使用雙層土壤模型。低土壤電阻率的好處在于達到所需接地電阻所需的接地體數量小于高土壤電阻率時的接地體數量,因此,本文首先
基于雙層土壤模型對影響土壤電阻率的因素進.行分析,然后通過實驗對影響接地電阻的主要因素,接地體的數量和深度進行研究。
 
1接地電阻研究
土壤電阻率是影響防雷系統接地電阻的主要原因。由于結構、組成、溫度和水分含量的不同,各種.結構的土壤具有不同的導電性質
按照土壤類型通常將土壤分為潮濕和干燥兩種類型。按照防雷設計規范,輸電線路設置的鐵塔的接地電阻應該低于10歐姆。為此本研究擬定以下工作目標是:①在潮濕和干燥土壤條件下獲得兩個
類型土壤的電阻測量值;②利用圖1所示的測量方法確定不同探頭深度和間距的表面土壤電阻率;③基于確定的電阻率確定每個位置的塔基接地電阻;④根據最終的塔基接地電阻值為每個位置設計防雷接地系統;⑤根據土壤電阻率設計和提出適當
的接地電極的尺寸和數量配置。
 
土壤電阻率是設計合理防雷接地系統的基本參數,因此本文采用圖1所示方法進行測量。依據圖
1的測量方法,土壤電阻率的計算公式為:

按照雙層土壤模型,不同土壤結構的表面電阻率隨測量接地體間距變化的曲線如圖2所示:
 

圖2中:曲線( A)為均勻的電阻率,表示上下層土壤電阻率相等;曲線(B)表示覆蓋較高電阻率土層的低電阻土層;曲線( C)表示兩個低電阻率土層之間的高電阻率土層;曲線(D)表示覆蓋較低電阻
率土層的高電阻率土層;曲線( E)表示具有垂直不連續性的高電阻率土層上的低電阻率土層。在不同土壤結構下的兩種情況包括:①由低電阻率土層覆蓋的高電阻率土層,防雷接地網對比接.
地電極進入高電阻率土層具有重要意義;②由較高電阻率土層覆蓋的低電阻率土層,用于到達較低電阻率層的深電極將增強防雷接地網的性能。在兩層土壤模型方法中,土壤電阻率的確定需要兩層土壤之間的反射系數(K) ,如下所示:


接地電阻的大小對電力系統的防雷具有重要影響。以輸電線路的防雷接地系統為例,必須要將塔架基礎電阻保持在非常低的水平,以避免線路在雷
擊后出現反向閃絡并將電位上升限制在安全范圍內。在塔架的雷擊發生期間,大電流從塔頂流到塔的基礎并產生電勢。如果塔基電阻高于標準值,傳輸線路將受到雷擊電流影響,可能出現由于雷擊高
壓導致傳輸線路絕緣體被損壞。接地電阻對雷擊所造成的故障電流(零序電流)具有重要影響。由于雷擊所造成三相電力線路的開路和短路故障可以是對稱故障或不對稱故障3。其中線路對稱故障占所有故障的約75%。單相接地故障可能是由于相導線斷裂并墜落到地面或由于相與地之間的絕緣失效引起的。故障電流可以通過等式5計算 :
 
2土壤電阻率的實驗研究
2.1實驗方法和過程
實驗使用圖1所示的測量方法。實驗所用設備主要有模擬接地電阻儀表、四根絕緣導線、四個接地探針等,如圖3所示。其中接地電阻主要使用模擬接地電阻儀進行測量。

本研究的測試地點選在廣東汕尾的風電廠的兩個測試位置。第一個測試位置的土壤類型為紅土土壤。該位置的潮濕條件下土壤電阻測量是在2018年10月28日上午7點到中午12點之間進行的,這
是4毫米/小時雨量的降雨持續一-天之后。因此在測量期間土壤的含水量很高。電阻測量時的環境溫
度記錄為22°C。該位置的干燥土壤電阻測量于2018年11月4日上午7點至中午12點進行,即下
雨發生后8天。因此在測量期間土壤的含水量非常低。電阻測量時的溫度記錄為25°C。
第二個測試位置的土壤類型為礫石土壤。該位置的潮濕條件下土壤電阻測量是在2018年10月28日下午1點至下午6點之間進行的,這是在大約7毫米/小時的廣泛降雨類型發生后的第二天。因
此,在測試期間土壤的水分含量很高。電阻測量時的環境溫度在21C。該位置的干燥條件下土壤電阻測量于2018年11月4日下午1點至下午6點進行,這是該地區發生降雨后5天。在這種條件下土壤的水分含量非常低。電阻測量時的環境溫度在25°C。

測量方法如圖1所示。在測量中,接地探針以直線放置并等間隔,探針放置在每次測量的不同土壤深度。根據探頭間距不同,探針插入土壤深度在0.5米至2.5米之間。絕緣導線連接到儀表和探針。C1和C2是兩個連接到儀表的外部探針,用于
向土壤注入恒定電流,電流流過土壤由于土壤電阻,率的存在會產生電位差或電壓。P1和P2是內部探針以測量所存在的電壓降。由式(6)計算測試探針插入土壤的深度。
b = 0.la(6)
其中,b是探針的深度,a是探針之間的距離。
 
2.2實驗結果和分析
使用Excel圖表分析和說明了兩個測量位置的土壤電阻率隨不同的接地探針深度所發生的變化。其中探針的深度單位為米。在潮濕和干燥土壤條件下位置1的土壤電阻率與土壤深度以及土壤電阻和土壤深度之間的關
系分別如圖4-5所示。由圖中數據可知,隨著探針間距的增加,土壤電阻率降低。這表明下層土壤的電阻率較低,而覆蓋其上的上層土壤電阻率較高。在環境溫度較高的情況下,土壤趨于干燥并因此土壤的電阻率而增加。當土壤經受高溫條件時,它會改變電阻率,尤其是上層。當比較不同土壤條件下的相同位置時,有大約400歐姆的變化。


根據在位置2的測量結果表明,土壤電阻率因為土壤類型而有所變化。在潮濕和干燥有兩個相似的天氣條件,得到與位置1不同的測量結果。隨探針深度增加的土壤電阻率和土壤電阻變化如圖6-
7所示。由于炎熱的天氣條件,位置2的土壤受熱變得.干燥,而土壤電阻率也變得很高。可以看出,在0.5米的深度處,電阻率為1826Qm。在圖7中,土壤的電阻率曲線類似于圖2的曲線(D) ,因此土壤結構
為下層低電阻率的土壤,而上層土壤具有較高的電阻率。


對于輸電線路的防雷接地系統設計,建議使用最壞情況下極端土壤參數作為設計依據。
 
3土壤電阻率對防雷接地系統設計的影響
3.1 防雷接地系統的設計原則
防雷接地系統設計的基本原則是盡可能降低電力系統的接地電阻值。以輸電線路為例,塔基接地電阻是防雷接地系統設計的重要參數。由前述可
知,塔基接地電阻( TFR)受以下因素影響:接地體深度、土壤含水量、土壤溫度、接地體的電阻、現場土壤結構。
 
在設計接地系統時,如果接地點附近土壤電阻率出現超過了可接受范圍的極端情況,則可以使用一些措施來改善土壤電阻:使用垂直接地體、化學處
理土壤。其中使用垂直接地體是較為經濟和便捷的方法。通過如果使用單個垂直接地體還不能滿足所需的接地電阻,還可以將多個垂直接地體并排插入土壤并聯接入接地系統以減小接地電阻。多個垂直接地體并聯的接地電阻計算方法為:

其中,R是塔基電阻;L是接地體所連接導線的長度,以米為單位; D是接地體之間的距離,單位為米;ρ是土壤表面電阻率;a是導線半徑;Noads是并聯接地體數量。
 
3.2對兩個實驗位置的接地系統的設計
為了設計最經濟的電力系統防雷接地系統并降低接地電阻,有必要在現場獲得準確的土壤電阻率值。基于雙層土壤模型,實驗地點的土壤電阻率接近為圖2中的曲線D,即下層低電阻率和上層高電
阻率的土壤結構。因此使用能夠到達較低電阻率下層的接地體能夠有效降低接地電阻。對于類似的土壤結構,建議采用垂直接地體配置。接地體垂直地
插入到地面中,并且如果接地電阻仍大于所需值,則可以使用更多的垂直接地體并且彼此平行放置。對于潮濕土壤條件下實驗位置1,防雷接地系
統的計算參數為:土壤表面電阻率ρ=183.5Q/m,接地體長度被設計為L= 5m或10m,接地體間距被設計為D=3mm。對不同并聯接地體數量的接地電阻大小進行實驗,實驗數據如圖8所示。
 

 
與潮濕土壤相比,干燥土壤表面電阻率的值很;高,因此干燥土壤可被視為最壞的情況,接地體的數量也應該被設計多于潮濕土壤。對不同并聯接地體數量的干燥土壤條件”下實驗位置1的土壤電阻進行
實驗,實驗數據如圖9所示。圖9表明,對于土壤電阻低于100的情況,應設計約4根或更多數量的并聯接地體。
實驗位置2和實驗位置1的土壤具有類似的電阻率結構,其中上層為高電阻層而下層為低電阻率層。垂直接地體被設計用于降低接地電阻。分別對
5米和10米的不同長度的接地體進行實驗以觀察接地電阻的變化。潮濕土壤條件下實驗位置2的土壤電阻與并聯接地體數量的實驗數據如圖10所示。
從圖10中的曲線圖可知,需要設計超過16根5米的長度垂直接地體以使土壤表面電阻大于102;但如果垂直接地體的長度增加到10米,則所需的數量可減少為10。

與實驗位置1相同,在干燥土壤條件下,土壤表面電阻率急劇升高。對干燥土壤條件下實驗位置2的土壤電阻與并聯接地體數量的關系的實驗數據如
圖11所示。由圖11可知,當使用5米長的垂直接地體時,需要大約35根并聯垂直接地體來校正土壤表面電阻。
 
4結束語
本文采用雙層土壤模型的土壤電阻率進行了研究,并對不同土壤結構的電阻率變化進行了實驗驗證。最后本文對土壤電阻率在不同環境條件下對電力系統防雷接地系統設計的影響進行了實驗。實驗
結果表明,干燥和潮濕環境對土壤電阻率有較大影響,干燥土壤將導致土壤電阻率上升,導致防雷接地網也需要設置更多的接地體以確保電力系統的可靠接地。
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