土壤电阻率对防雷接地设计的影响

2021-11-05 13:59:43  
0引言
在电力系统中,输电线路接地系统的设计会影响雷电引起的故障数量。电力系统接地调查的准确性主要取决于当地周围的正确电阻率。接地故障的
发生会产生高电流和电位上升。有效的防雷接地系统可确保对电气设备的可靠保护,并为附近的人们提供安全的环境日
。在防雷接地系统设计中,土壤电阻率是应该考虑的主要因素之一,因为它对接地电阻有显著影响。不正确的土壤电阻率会导致防雷接地系统的设
计不准确。土壤电阻计算的准确性取决于其电阻率。土壤电阻率主要受土壤结构、土壤深度、表层水分和土壤温度的影响。其中土壤含水率是影响土壤电阻率的主要原因
,在进行防雷接地系统评估时,适合使用双层土壤模型。低土壤电阻率的好处在于达到所需接地电阻所需的接地体数量小于高土壤电阻率时的接地体数量,因此,本文首先
基于双层土壤模型对影响土壤电阻率的因素进.行分析,然后通过实验对影响接地电阻的主要因素,接地体的数量和深度进行研究。
 
1接地电阻研究
土壤电阻率是影响防雷系统接地电阻的主要原因。由于结构、组成、温度和水分含量的不同,各种.结构的土壤具有不同的导电性质
按照土壤类型通常将土壤分为潮湿和干燥两种类型。按照防雷设计规范,输电线路设置的铁塔的接地电阻应该低于10欧姆。为此本研究拟定以下工作目标是:①在潮湿和干燥土壤条件下获得两个
类型土壤的电阻测量值;②利用图1所示的测量方法确定不同探头深度和间距的表面土壤电阻率;③基于确定的电阻率确定每个位置的塔基接地电阻;④根据最终的塔基接地电阻值为每个位置设计防雷接地系统;⑤根据土壤电阻率设计和提出适当
的接地电极的尺寸和数量配置。
 
土壤电阻率是设计合理防雷接地系统的基本参数,因此本文采用图1所示方法进行测量。依据图
1的测量方法,土壤电阻率的计算公式为:

按照双层土壤模型,不同土壤结构的表面电阻率随测量接地体间距变化的曲线如图2所示:
 

图2中:曲线( A)为均匀的电阻率,表示上下层土壤电阻率相等;曲线(B)表示覆盖较高电阻率土层的低电阻土层;曲线( C)表示两个低电阻率土层之间的高电阻率土层;曲线(D)表示覆盖较低电阻
率土层的高电阻率土层;曲线( E)表示具有垂直不连续性的高电阻率土层上的低电阻率土层。在不同土壤结构下的两种情况包括:①由低电阻率土层覆盖的高电阻率土层,防雷接地网对比接.
地电极进入高电阻率土层具有重要意义;②由较高电阻率土层覆盖的低电阻率土层,用于到达较低电阻率层的深电极将增强防雷接地网的性能。在两层土壤模型方法中,土壤电阻率的确定需要两层土壤之间的反射系数(K) ,如下所示:


接地电阻的大小对电力系统的防雷具有重要影响。以输电线路的防雷接地系统为例,必须要将塔架基础电阻保持在非常低的水平,以避免线路在雷
击后出现反向闪络并将电位上升限制在安全范围内。在塔架的雷击发生期间,大电流从塔顶流到塔的基础并产生电势。如果塔基电阻高于标准值,传输线路将受到雷击电流影响,可能出现由于雷击高
压导致传输线路绝缘体被损坏。接地电阻对雷击所造成的故障电流(零序电流)具有重要影响。由于雷击所造成三相电力线路的开路和短路故障可以是对称故障或不对称故障3。其中线路对称故障占所有故障的约75%。单相接地故障可能是由于相导线断裂并坠落到地面或由于相与地之间的绝缘失效引起的。故障电流可以通过等式5计算 :
 
2土壤电阻率的实验研究
2.1实验方法和过程
实验使用图1所示的测量方法。实验所用设备主要有模拟接地电阻仪表、四根绝缘导线、四个接地探针等,如图3所示。其中接地电阻主要使用模拟接地电阻仪进行测量。

本研究的测试地点选在广东汕尾的风电厂的两个测试位置。第一个测试位置的土壤类型为红土土壤。该位置的潮湿条件下土壤电阻测量是在2018年10月28日上午7点到中午12点之间进行的,这
是4毫米/小时雨量的降雨持续一-天之后。因此在测量期间土壤的含水量很高。电阻测量时的环境温
度记录为22°C。该位置的干燥土壤电阻测量于2018年11月4日上午7点至中午12点进行,即下
雨发生后8天。因此在测量期间土壤的含水量非常低。电阻测量时的温度记录为25°C。
第二个测试位置的土壤类型为砾石土壤。该位置的潮湿条件下土壤电阻测量是在2018年10月28日下午1点至下午6点之间进行的,这是在大约7毫米/小时的广泛降雨类型发生后的第二天。因
此,在测试期间土壤的水分含量很高。电阻测量时的环境温度在21C。该位置的干燥条件下土壤电阻测量于2018年11月4日下午1点至下午6点进行,这是该地区发生降雨后5天。在这种条件下土壤的水分含量非常低。电阻测量时的环境温度在25°C。

测量方法如图1所示。在测量中,接地探针以直线放置并等间隔,探针放置在每次测量的不同土壤深度。根据探头间距不同,探针插入土壤深度在0.5米至2.5米之间。绝缘导线连接到仪表和探针。C1和C2是两个连接到仪表的外部探针,用于
向土壤注入恒定电流,电流流过土壤由于土壤电阻,率的存在会产生电位差或电压。P1和P2是内部探针以测量所存在的电压降。由式(6)计算测试探针插入土壤的深度。
b = 0.la(6)
其中,b是探针的深度,a是探针之间的距离。
 
2.2实验结果和分析
使用Excel图表分析和说明了两个测量位置的土壤电阻率随不同的接地探针深度所发生的变化。其中探针的深度单位为米。在潮湿和干燥土壤条件下位置1的土壤电阻率与土壤深度以及土壤电阻和土壤深度之间的关
系分别如图4-5所示。由图中数据可知,随着探针间距的增加,土壤电阻率降低。这表明下层土壤的电阻率较低,而覆盖其上的上层土壤电阻率较高。在环境温度较高的情况下,土壤趋于干燥并因此土壤的电阻率而增加。当土壤经受高温条件时,它会改变电阻率,尤其是上层。当比较不同土壤条件下的相同位置时,有大约400欧姆的变化。


根据在位置2的测量结果表明,土壤电阻率因为土壤类型而有所变化。在潮湿和干燥有两个相似的天气条件,得到与位置1不同的测量结果。随探针深度增加的土壤电阻率和土壤电阻变化如图6-
7所示。由于炎热的天气条件,位置2的土壤受热变得.干燥,而土壤电阻率也变得很高。可以看出,在0.5米的深度处,电阻率为1826Qm。在图7中,土壤的电阻率曲线类似于图2的曲线(D) ,因此土壤结构
为下层低电阻率的土壤,而上层土壤具有较高的电阻率。


对于输电线路的防雷接地系统设计,建议使用最坏情况下极端土壤参数作为设计依据。
 
3土壤电阻率对防雷接地系统设计的影响
3.1 防雷接地系统的设计原则
防雷接地系统设计的基本原则是尽可能降低电力系统的接地电阻值。以输电线路为例,塔基接地电阻是防雷接地系统设计的重要参数。由前述可
知,塔基接地电阻( TFR)受以下因素影响:接地体深度、土壤含水量、土壤温度、接地体的电阻、现场土壤结构。
 
在设计接地系统时,如果接地点附近土壤电阻率出现超过了可接受范围的极端情况,则可以使用一些措施来改善土壤电阻:使用垂直接地体、化学处
理土壤。其中使用垂直接地体是较为经济和便捷的方法。通过如果使用单个垂直接地体还不能满足所需的接地电阻,还可以将多个垂直接地体并排插入土壤并联接入接地系统以减小接地电阻。多个垂直接地体并联的接地电阻计算方法为:

其中,R是塔基电阻;L是接地体所连接导线的长度,以米为单位; D是接地体之间的距离,单位为米;ρ是土壤表面电阻率;a是导线半径;Noads是并联接地体数量。
 
3.2对两个实验位置的接地系统的设计
为了设计最经济的电力系统防雷接地系统并降低接地电阻,有必要在现场获得准确的土壤电阻率值。基于双层土壤模型,实验地点的土壤电阻率接近为图2中的曲线D,即下层低电阻率和上层高电
阻率的土壤结构。因此使用能够到达较低电阻率下层的接地体能够有效降低接地电阻。对于类似的土壤结构,建议采用垂直接地体配置。接地体垂直地
插入到地面中,并且如果接地电阻仍大于所需值,则可以使用更多的垂直接地体并且彼此平行放置。对于潮湿土壤条件下实验位置1,防雷接地系
统的计算参数为:土壤表面电阻率ρ=183.5Q/m,接地体长度被设计为L= 5m或10m,接地体间距被设计为D=3mm。对不同并联接地体数量的接地电阻大小进行实验,实验数据如图8所示。
 

 
与潮湿土壤相比,干燥土壤表面电阻率的值很;高,因此干燥土壤可被视为最坏的情况,接地体的数量也应该被设计多于潮湿土壤。对不同并联接地体数量的干燥土壤条件”下实验位置1的土壤电阻进行
实验,实验数据如图9所示。图9表明,对于土壤电阻低于100的情况,应设计约4根或更多数量的并联接地体。
实验位置2和实验位置1的土壤具有类似的电阻率结构,其中上层为高电阻层而下层为低电阻率层。垂直接地体被设计用于降低接地电阻。分别对
5米和10米的不同长度的接地体进行实验以观察接地电阻的变化。潮湿土壤条件下实验位置2的土壤电阻与并联接地体数量的实验数据如图10所示。
从图10中的曲线图可知,需要设计超过16根5米的长度垂直接地体以使土壤表面电阻大于102;但如果垂直接地体的长度增加到10米,则所需的数量可减少为10。

与实验位置1相同,在干燥土壤条件下,土壤表面电阻率急剧升高。对干燥土壤条件下实验位置2的土壤电阻与并联接地体数量的关系的实验数据如
图11所示。由图11可知,当使用5米长的垂直接地体时,需要大约35根并联垂直接地体来校正土壤表面电阻。
 
4结束语
本文采用双层土壤模型的土壤电阻率进行了研究,并对不同土壤结构的电阻率变化进行了实验验证。最后本文对土壤电阻率在不同环境条件下对电力系统防雷接地系统设计的影响进行了实验。实验
结果表明,干燥和潮湿环境对土壤电阻率有较大影响,干燥土壤将导致土壤电阻率上升,导致防雷接地网也需要设置更多的接地体以确保电力系统的可靠接地。
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