一种接地电阻测量和控制系统模型的设计研究

史 贵 风

[上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

在每个电气系统中,如何保证设备和人员的安全都是首先需要考虑的问题。日常生活中最常见的建筑电气安全(火灾)事故起因包括漏电触电、短路、过载、接触电阻过大、雷击等。在这些起因中,漏电触电和雷击事故可以通过对系统进行有效的接地来降低发生概率,甚至避免其发生。接地电阻值是评估接地系统的重要技术指标,是衡量接地系统有效性、连续性、安全性以及鉴定接地系统是否符合设计要求的重要参数[1]。由于土壤电阻率的各向异性及复杂的地形因素,接地系统的接地电阻设计值与实际值有可能相差甚远;此外,接地电网和接电极每年都会有不同程度的腐蚀,使接地网的接地电阻发生变化[1]。因此,接地电阻的测量是接地系统验收和运行过程中检查其是否合格的重要手段。如何简便、准确地测量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[1]。

本文通过模拟理想试验的形式,设计了一种可自动反馈调节的接地电阻测量和控制系统模型,探讨了如何避免接地电阻真实值与设计值之间出现巨大差异的问题。

1 接地电阻概述

接地电阻是电流在流经接地部件到大地过程所感测到的接地电极的电阻。该电阻受接地电极表面(金属表面的氧化物)和靠近接地电极的大部分地面的电阻(接触电阻)的影响[2]。接地电极示意图如图1所示。

1.1 接地电阻分类及限值

接地是通过接地装置实现的,而接地装置是接地线和接地电极的总和。接地的作用主要是:防止人身遭受电击,防止设备和线路遭受损坏,预防火灾,防止雷击、静电损害,保障电力系统正常运行。从本质上讲,接地电阻是在正常和事故以及雷击的情况下,利用大地作为接地电流回路的一个元件,从而将设备接地处固定为所允许的接地电位。

由以上接地的作用可以看出,电气系统的接地按其目的的不同可分为如下几种[3-5]:

(1) 保护接地。其目的是为了保护人身的安全,例如电气设备的金属外壳、底座等由于绝缘损坏而有可能带电的部分应进行接地,以免触电危险。

(2) 工作接地。其目的是为了保证电力系统的正常运行,例如电力变压器中性点的接地。

(3) 防雷接地。其目的是为了把雷电流引入地中,以消除过电压的危险影响。常见于建筑物上,尤其是高层建筑上,例如避雷针、避雷器,向地泄放雷电流而设的接地。

GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》、GB/T 21431—2015《建筑物防雷装置检测技术规范》中均对不同条件下独立接地电阻的限值做了相应的规定,如表1所示。

表1 不同条件下独立接地电阻的限值

1.2 接地电阻测量方法

现有的接地电阻测量方法主要有以下几种:

(1) 两点法或直接法。

(2) 使用一个三端子和两个四端子仪器的三点式电位下降法。

(3) 钳表法。

(4) 四极接地电阻测量法。

2 接地电阻测控系统模型设计

接地电极与土壤之间接触示意图如图2所示。

图2 接地电极与土壤之间接触示意图

从图1可以看出,接地电极与土壤之间的接触不是面接触,而是类似于图2所示的点接触[6],表现为整个接触层是由土壤颗粒和气隙无规则排列组成的,减少实际接触面积,造成收缩电阻的存在[7]。为了保证接地系统安全有效,接地电极表面的接触电阻必须非常小,整个接地电阻的限值要求详见表1。地面接触电阻会随气候变化而变化,其中气候变化带来土壤湿度的变化是影响接触电阻变化的主要因素,如在高温下地面湿度降低会导致接触电阻增加。此时,如果能够监测土壤湿度的变化情况,并根据监测结果来自动判别是否需要调节土壤湿度,则可以达到调节接触电阻值的目的。

本文在模拟试验室环境下建立一种接地系统模型,通过使用土壤湿度传感器,接地电极和地下供水系统来测量和控制接地电阻。模型中采用直接法来测量接地电阻,施加于接地电极的电压产生电流流过地面,从而计算出接地电阻值。如果接地电阻值不超过参考值(如防雷接地中10 Ω的参考限值),系统将继续测量,否则系统将自动控制并启动地下供水系统,以增加土壤湿度,降低接地电阻。

2.1 模型建立

假设在一个无干扰的敞开式实验室的环境下,对不同地区的地面情况,如湿度和温度进行监测分析。土壤电阻率计算公式[8]:

ρ=2πrx

(1)

式中:ρ——土壤电阻率,Ω·m;

r——实测电阻值,Ω;

x——钻孔深度,m。

当有设置多个监测点时,应对所有的测量参数进行相同的计算,并引入季节系数进行接地电阻测试。季节系数如表2所示。平均土壤电阻率计算:

(2)

式中:ρavg——平均土壤电阻率,Ω·m;

k——季节系数;

n——监测点数量。

表2 季节系数

接地电阻值计算式如下[9]:

R1=(ρ/1.915L)[ln(96L/d)-1]

(3)

式中:L——接地电极长度,m;

d——接地电极直径,m。

当有多个监测点时,式(3)中ρavg代替ρ。

理论计算接地极直径[10]:

(4)

式中:D——接地极直径,m;

A——试验区域面积,m2。

分别在接地极附近土壤水平、垂直方向进行接地电阻监测、测量。水平接地电阻计算[10]:

(5)

垂直接地电阻计算:

(6)

综合式(5)、式(6),得到等效接地电阻计算式:

(7)

2.2 模型结构

通过对试验区接地极相关参数的测量、计算,模型中控制终端根据系统设置的接地电阻限值条件(10 Ω)来判断是否需要对土壤湿度进行调节。模型结构如图3所示[11]。考虑到水的电阻特性和经济性,模型中调节土壤湿度通过在电极附近土壤释放自来水来实现。通过控制信号驱动自动水阀2的开启来释放蓄水池中的水,进行土壤补水操作;蓄水池中的水通过自动水阀1的连接,直接来自市政自来水管。模型系统持续监测接地电阻变化情况,及时控制调节信号输出,并在整个过程中把相关信息传递到人机交互界面(HMI)。

图3 模型结构

2.3 模型运行流程

模型运行流程如图4所示。该模型流程实现闭环控制,一旦开启,可实现长期稳定运行,实时监测接地电阻变化,并根据与设置值的匹配比较,反馈输出控制信号,实现自动调节土壤湿度及间接调节接地电阻值,以避免当前实际接地电阻值与当初设计值之间的巨大差异。模型系统在运行时,如果增加接地电阻报警功能,还可通过HMI的信息进行及时预警。

3 结 语

通过在实际检测工作中对接地电阻相关知识的了解,选取接地电极表面接触电阻与附近土壤湿度之间的影响关系作为模型设计出发点,在理想实验室环境下,模拟设计接地电阻测量控制系统。当气候季节变化时(主要影响因素为土壤湿度变化),接地电阻会发生较大改变,模型设计的自动控制系统给接地电极附近土壤补水,以减小接地极接触电阻。在实际工程应用中,人们常常会通过一些措施来减小接触电阻,如采用细土或降阻材料回填,并适量浇水夯实;增大导体截面,用扁平导体代替圆柱导体等。

图4 模型运行流程