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                工频接地电阻和冲击接地电阻
                发表日期:2012/2/28 13:51:51 浏览次数:3051
                工频接地电阻和冲击接地电阻 
                1.概述
                电位降法测量接地电阻的原理是¤:向接♀地极注入测试工频电流I,测量接地∏极对零地的

                电压U,利用▲欧姆定律得到接地电阻 

                R=U/I(公式中的量均取有效值)。由于
                ~ ~~ 
                用来测量设备的电源通常采用工频交流电 (300Hz及以下的交流电都属工频电流),为了避开市电50Hz的干扰,电源频率一般取 100Hz左右,如ZC-8、HT234E、4102等▲地阻测试仪就采用∮125Hz的电源。这些测试仪表的共同点是:所用的①电源电流、电压都很小,电流一般◣小的几毫安,大的也只有几十安,电压约100伏,最大可达千伏。这与动辄电流几ㄨ十千安~几百千电流安,电压几百 千伏~几千千伏的雷电流是无法比拟的。另外,工频电流是单频∮的电流,而雷电流是频谱较宽的复频冲击信↓号。因此,常用的地阻仪测得的接地◣电阻只体现接地极和土壤对工频电流的阻力,即所谓工频接地电阻。而在防雷工程中实际上需要知道的不是工频接地电阻,而是接地极和土壤对雷№电流的阻力,即冲击接地〓电阻。虽然也可仿≡照工频接地电阻的测试方法,在接地极上注入冲击电流,取其最大值I,测量接
                max 
                地极对零地的电压最大值Umax,定义冲击接地电阻R=U /I。但是U、I不可能同时
                imp max max max max达到⊙最大值,此定义并不完全确切←,不过它在分析地电位提升和反击以及计算接触电压、跨步电压,从而采取相应措施有卐重要的意义,因而还是经常被采用,何况目前也没有更好的定义。不过目前测量接地电阻的仪表绝少用冲击电流作为电源的。
                工频电流接地电阻和冲击接地电阻虽都是 
                接地极和土壤对电流的阻力作用』,但有明◇显的不同。
                工频电流和雷电流有何区№别,哪些因素影响冲击接地电阻,工程上如何利↑用工频接地电阻得到冲击接地电阻等,这些就是本→期防雷小知识要介绍的内容。
                2.电路
                在防雷接地工程设计@ 时,往往涉及一些电路的计算。所谓电路,顾名思义,即电流的╳通路。够得上电路名称的元件组合很多,如直流、交流、高频、低频、脉冲、数字逻辑、集成⌒电路等∏。人们总是为了某种目的而设计电▲路,如为了供应能量而设计供电电路;为了传递、处理、储存信息而设计电信电路、计算机电路;为了测量和自动控制而设计测控电路等。在防雷技术中,用接闪器、引下线、接地体构成外部▽防雷电路,目的是让雷电流按人♀们预定的路径入地,保证人、建筑物和电气电子设备的安全,并非为了减少雷击,相反地,理论和实践都证明∑ ,安装接闪器增加雷击概率,招引雷击。为了讨论下面问题的方便,本文提及几个与防≡雷接地工程设计有关的电路。
                1)理想直流电路
                众所周知,理想的直流电路忽略了次要ω 因素,把电路参数看做〓不变的常数。如不『计及电源、连接导线、开关等,电路元件只有电阻一种,其值不随时间和流过电流的大小而变化。当直流电路加上确定的电压后,流过电路各支路的电流也就固定不变了。直流电路的计算很简单,利用欧∞姆定律、克希霍∮夫电流和电压定律就可算出各支路的电流和电○压。由于直流电路的电阻、电压和电流①都是常数,因此,这种电路称为稳态电路。 
                2)工频交流电路
                工频交流电路也忽略了次要▂因素,把电路参数当做基本不变≡的常数。这种电路元件除了电阻外,还有↑电感和电容。电阻对工频交流的响应与频率无关,而是电感和电容对交流的响应〓与电流的频率关系密切。电感和电容对交流的阻力分别称为感抗和容抗。感抗与频率成正比,容抗与频率成反比。当电Ψ流流过电路时,电阻、电感和电容上电压的相位各←不相同。计算工频交流电路时,要用∴复数法、图解法或采取既有大小又有相角的相量作工具,仿直流电路计算,稍为复ξ 杂一点。虽然感抗和容抗⊙与电流的频率有关,但电阻、电感、电容值却是大小不变的常量,与直流稳态电路☆比较,这种电路称为似稳【电路。
                以上两种电路的参╱数都可用集总参数表示。
                3)高频或脉冲电路
                如果流过电路的电流不是直流或工频电流,而是高频电流或冲击电流,这种电路称为高频或脉冲电路。这种电路对高频◆电流或冲击电流的响应要复杂¤得多,电路参〒数一般也不能▃用集总参数表示,应该用沿电路分布的分布参数表示,电路对激励的响应要用波动过程描述。电路的分布参数(分布电导、分布电感和分布电容)对波︼动过程所形成的阻力称为波阻,它不再是直流电路或工频交流电路所@ 表现出的集总电阻或集总阻抗。计算时,应采用电磁场和电磁波理论,较为复杂。
                4)雷电⌒流和工频电流
                雷电流和☆工频电流的电流、电压大小的有极大差异是决定工频接地电阻和冲击接地电阻不同的一个方面。下面从它们的频谱不同讨论决定工频接地电阻和冲击接地电阻不同的另一方面。
                我国的市◆电是工频50 Hz的√正弦交流信号,根ω据频谱分析,其频谱是单◆频的δ函数,见图1(a),而雷电流是冲击电流,是频谱较宽的复频信号,按3db带宽算,雷电流频谱宽度大约为1MHz,即雷电流▲的频谱在 1MHz以下的低◢频段,换句话说,雷电流的绝大部分能量集中在低频段,特别是集↘中在 1000Hz以¤内的频段,见图1(b)。工频电流与雷电流在频谱上★有明显的差别。因此,不能期望接地极和土壤对工频电流和冲击电流的响应相同。某种意义上说,工频接地电阻
                Minor knowledge of lightning protection
                Aδ(f-50) 

                 
                50 50f(Hz) 
                (a)工频交流市电的频谱 
                 1 长雷击400A 0.5s 
                2 首次短雷击200kA 10/350μs 
                3 后续短雷∞击 50kA 0.25/100μs
                4包络线

                (b)雷电流的频谱
                图1工频交流和雷电流的频谱(按LPL1参数作出) 
                是保障发电厂或变电所供电系统安全和工作稳定的重要参数,但在防雷技术中,工频接地电阻只有近似测量的意义,因为终究起作用的是冲击电阻。
                对于冲击电流电路的分析原则上不能用集总参数,只能用☉分布参数,但下面的分析让我们发】现情况并不完全如此。
                一个电路的计算需要用集总参数或分布参数分析,工程上的判断方法通常是把电路的尺寸L与流过电路的电信号的波长λ进行比较:当λ>>L时(工程上认为λ比L大十倍 就满足这条件),可Ψ以用集总参数处理;当 L与λ可比拟或更大时々,则要用※分布参数处理。例如,我国的市电是工频50Hz的正弦电流,其波长 
                λ=c/f=31 0 8/50=61 0 6 m=6000km
                8
                式中:c是光速, c=31 0 m/s。
                地赤道的半径r ≈ 6378.1 km。显然, 50 Hz市电所涉及的电路完全可以用」集总参数处理,因地上很少有尺寸能与工频电流↘波长相比拟的电路。而对雷电流,类似上述计算【, 1MHz信号波长λ约为300m,而1000Hz信号波长λ约为300 km。在讨论雷电█流在导体中流动和入地时,似乎在选取计算方法上有点为难。但从雷电流的频谱集中在1000Hz频段以内这一事实考虑,对于绝大多数雷电流,可采用集总参数的电路理论进行计算,其结果简单「明了,误差也在工程允许范围之△内。只有在需要精细考察雷电电磁脉对信息系统的影响或讨论接地极的冲击接地电阻等少数情况要利用分布参数进行分析,使其物理意义更易理解。其实这里也没什么可以争议的,集总参数的电路理◣论只不过是电磁场和电磁︼波理论在电路尺寸远小于激励信号波长时的近↓似。这类似于牛顿力学和爱因斯坦←相对论力学的关系,牛顿力学是爱因斯坦相对论力学在低速时的近似,低速时采用牛顿力学,其结论符合平常人们对运动的直观理解,不至于影响日常生活,只有ζ在高速(与光速可◣比拟)运动时∩才需要用相对论力学。
                3、影响冲击接地电阻的因素
                在分析冲击接地电阻时,除了接地体结构、土壤结构、成分、湿度、温度等影响因素外,有两种特性最能说明工频接地∞电阻和冲击接地电阻的差别:
                1)接地极的分布参数特◢性。
                接地极一般是由金属导体(如圆钢、扁钢、铜带等)构成并与土壤紧密接触。接地极有电导参数,还有电感和电容参数,它们是沿导体分布的,土壤也有分布参数。与电感参数比较,金属■导体的电阻、电容√参数一般较小,对雷电流的作用可以ζ忽略,因此金 属导体对雷电流构成阻力的主要因素是金属导体的分布电感。当雷电流顺着导体流动时,沿途不断向土壤扩散,导致接地极金属导体内的雷电流不断衰减,当衰减到※一定程度,比如到1%时,就认为雷电流流到这里已※经终止。从雷电流流入→点到衰减至1%这段接≡地体的长度称为接地极的有效长度Le。显然有
                效长度与接地极的分布电感◥大小、土壤电阻】率、电感以及雷电流的度有关。接地极的分布电感越大,雷电流的度越大,接地极对雷电流的感抗越大,接地体的有效长度Le 
                越短;土壤电阻」率越小,土壤Ψ对雷电流的分
                流作用越大,则接地体的有效长度Le 也越短。清华大学电机系的研究人员曾用照片感光的方法,证明了冲击电流在接地极中流动的距离是〗有限的。
                鉴于接地体的有效长度Le与接地极、土壤电阻率以及雷电流的度▂的复杂关系,国标 GB50057根据IEC TC81-G4的工作进展报告,采取折衷办法:把长、短波头雷电流的接地极有效长度最大值L与最小值L平
                max min 
                均,取接地极有效长度Le为Le �2  � (1)式中,ρ是接地极埋地处的土壤电阻率。
                从以上分析可知,接地极的有效长度是有一∑定的限制的,见示意图2。因此,只考虑@防雷时, Le一】般不大于100m。而发电厂、变电所的地网可能大「得多,达到几km,因其工作
                对象主要是工频50Hz电流。 
                 
                中分流和引发火花放电强度示意图
                有些防雷工程公司在做防雷接地体时,特别是在土壤电阻率较高的山丘上,为了降低接地电阻,任意延伸接地极的〖长度,甚至延到山下的湿地◣或水潭里。其实这ξ 里降低的只是工频接地电阻,不是冲击接地电阻,因测量时只用工频电流,它在←接地极中流动的距离可以很长,而雷电流却跑不了那么远。这种作法不仅造成人力财力的浪费,效甚微,而且还有愚↓弄外行的不诚之嫌。 
                2)强大的雷电流在土∞壤中产生火花放电的特性。
                雷电流泄入大地时,其幅度I和电流密度一般都很大,根据微分ω欧姆定律E=δ ρ(式中,E为电场强度,δ为电流密度, ρ为土壤电阻率),随着雷电流波头的上升,土壤电阻率连□续下降,当电场达到◤土壤击穿强度时,土壤中产生火花放电,其电阻率突然下降,见图3。可见,接极的冲击电阻不像直流★电阻或工频接地电阻是不变的常数,而是随电流大╳小和度而变化的,这种现象有利于冲击电阻的减小。同时土壤也有分布电感,但它也增大冲击电阻☉。
                此外,雷电流在土壤中流动时〇还出现趋肤效应,使它√不可能进入地层内部极深处,这也导致◣冲击电阻的增大。
                综上所述,雷电流通√过接地极入地时,接地极、土壤的分布参数和土壤中的火花放电效应同时起作用,前者使冲击电阻增大,后者使№冲击电阻减小。到底哪种效应起主导作用理论和※实践证明,绝大多数情况下,分布参数的作用小于火※花放电效应,即冲击接地电阻一般比工频接地电阻小。只有当土壤≡电阻率很大不易击穿(见图3曲线1、2)和接地极长度很大时,分布参数的作用才有可能与火花放电效应相当,甚至于超过,即极少⌒数情况下,冲击接地电阻与工频接地电阻相当╱,甚至比工频接地■电阻大。
                Minor knowledge of lightning protection
                 
                4.工频接地电阻和冲击接地电阻的关系
                由于测量接地极接地电阻仪表的电源几乎都采用工频,且注入接地极的电流也不大,约几毫安~几十毫安,即便测量大地网接地电阻时,其注入接地极的电流也不过几』十安培,这些都不足以使分布〗参数与土壤火花放电效∑ 应起明显的作用,因此,平常测量的接地电阻〗都是工频接地电阻,不是真正作用于雷电流的冲击接地电阻,不过它们之间有一定的联▂系,其关系式如下, 
                R=AR(2)
                ~ imp 
                式中, 
                 
                图4接地极的冲击换算系数A 
                R为接地极的工频接地电阻,单位:Ω;

                Rimp为接地极的冲击接地电阻,单位:Ω;
                A称为接地极的冲击系★数。
                冲击系数大小与接∏地极的尺寸、雷电】流的幅度、度和土壤▼电阻率等因素有关,其函数关系极为复杂,也没有统一的公式。国内外学者曾根据不同的情况计算出各种公式,这里不一一列,有兴的读者可参见[6]。
                我国国标GB50057用图表法表示接地极的冲击系数A与土壤电阻率、接地极有效长度Le的关系,易于ξ 工程计算,见图4和图5。但应注意这是
                一种近似的方法。 
                 
                图5接地体有效长度Le的计量 
                (a)单根水平♀接地体 
                (b)末端接垂直接地体的单根水平接地体 
                (c)多根水平接地〗体,l1<le 
                (d)接多根垂♀直接地体的多根水平接地体 l <le、l <le、 l <le
                12 3
                主要参数 
                [1]稳安张小青@,雷电与防护技术基础气象出版社北京, 
                [2]林.现代防雷技术电子科技大学出版社 
                [3]李景禄等,实用电力接地技术中国电力出版社北▲京,2 002 
                [4]陈家斌接地技术与接地装置中国电力出版社北京,2 003 
                [5]周志敏等,电子信息系统防雷接々地技术人民邮电出版社ぷ北京,2 004 
                [6]王洪泽等,电力系统接地技术手册中国◥电力出版社北京,2 007 
                [7] GB/T21714.1,雷电防护第︼1部分:总则有2008 
                [8] GB50057建筑物防雷设计规范, 2000年版 
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