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接地体与土壤的接触电阻影响因素研究

所属栏目:电子技术论文 发布日期:2021-12-20 10:08 热度:

   接地电阻是衡量接地系统有效性和可靠性的重要技术指标,降低接地电阻是提高线路耐雷水平的有效举措[1,2,3,4,5]。接地装置中实际的接地电阻包括装置的本体电阻、接地体与土壤之间的接触电阻和土壤本身的电阻[6,7],其中接触电阻常常被忽略。

接地体与土壤的接触电阻影响因素研究

  实际工程中,采用软件模拟或经验公式来设计接地网时往往基于接地装置与土壤理想接触[8,9,10,11]。然而,当接地装置敷设在与电极接触不良的土壤中(如喀斯特地貌、常年冰冻地区),接触电阻就会成为总接地电阻的重要组成部分[7,12,13],忽略此时接触电阻的大小会增加施工难度,使其难以达到设计标准要求。因此,科学地估算接触电阻的大小,将接触电阻加入接地电阻的计算之中对提高接地网的设计水平具有重要意义。

  目前,已有学者对接地体与土壤间的接触电阻展开研究。相关研究表明,接地体与土壤之间的接触电阻对接地电阻的影响不容忽视[14,15]。曾嵘等建立了一种仿真模型,采用ANSYS分析了不同工况对接触电阻的影响,并提出减小接触电阻的方法[7]。J.Trifunovic开发了一种可估算复杂接地系统总接地电阻的算法,通过在接地电极和周围土壤之间设置一些空气间隙来模拟接地极与土壤间的不良接触,适用于各种类型的接地系统[16,17]。张迅等提出了一种接触电阻的测量评估方法,并在仿真计算中通过等效涂层的方式模拟接触电阻,为实际工程中接触电阻的测量提供了思路[18]。尽管已有接触电阻的测量和仿真方法被提出,但针对接触电阻的研究仍就较少且不够系统,接触电阻实验测量可参考数据较少。

  近年来,由于石墨材料的耐腐蚀性、柔性和低趋肤效应,新型石墨基柔性接地材料研发成功并得到实际应用[19,20,21],石墨材料相比于传统的金属接地材料具有柔性可弯曲的特点,当土壤含水量、温度或者承受外力时,石墨材料可随土壤胶体发生相似形变,减少空气间隙,保证两者有效接触从而减小接触电阻。然而石墨接地体与土壤的接触特性还有待进一步研究。

  土壤含水量不同时土壤的形变程度不同;不同温度下土壤凝结程度不同,导致土壤电阻率变化;不同土壤类型时土壤颗粒的大小不同,接触效果亦不同,空气间隙占比大小导致不同接地体的有效接触面积不同。因此本文通过建立接地体和土壤接触电阻的测量平台,采用控制变量的方法测量不同温度、湿度、土壤类型下的接地体与土壤的接触电阻,并对比金属接地体和石墨接地体的接触特性。

  1 、接触电阻试验原理

  根据电路欧姆定律,将模拟土壤装入圆柱形电阻率测量容器中,振动实在,采用四极法[22,23,24,25]测量不同温度下的电阻值RL,见图1。C1、C2、P1、P2为4个环形电极,C1、C2为电流极,P1、P2为电压极。可以得到土壤电阻率ρ的计算公式为

  ρ=RL?SL (1)

  其中,RL为测得的电阻,S为圆柱截面积,L为土壤柱的长度。

  接地体与土壤间的接触形式见图2,接地体与土壤之间的接触不是面接触,可以等效为点接触,即接触层主要是由土壤颗粒以及空气间隙无组成,两者直接的接触电阻与土壤颗粒的大小有密切的关系。相比于金属接地体,石墨接地材料的柔软易形变的物理特性可以保证其与土壤更好的接触,在不同土壤颗粒环境中石墨材料相比于金属材料的有效接触面积更大,接触电阻相对较低。试验样品模型见图3,在金属桶内的模拟土壤中以相同的方式分别埋入外形规格相同的石墨基柔性接地体和金属接地体(接地体和金属桶壁不得直接接触),测量对比石墨基柔性接地体和金属接地体与不同条件土壤之间的电阻值。

  在试验中,模拟土壤的电阻为

  R1=ρ2πhlnr1r0=1.013ρ (2)

  式中:R1为模拟土壤的电阻,Ω;ρ为模拟土壤的电阻率,Ω·m;h为金属桶的有效高度,m;r1为金属桶的内半径,m;r0为接地体的半径,m。

  金属材料与模拟土壤的接触电阻RJ1为金属桶壁以及金属接地体与模拟土壤接触电阻之和,从而有:

  RJ1=RTJ1+RJJ1 (3)

  上标T和J分别表示金属桶和接地体。

  RJ1数值上等于每次测量金属接地体模型时的总电阻减去模拟土壤的电阻,即:

  RJ1=R-R1 (4)

  式中:R为金属接地体每次试验测量得到的电阻值,Ω。

  金属接地体与土壤的接触电阻和金属桶与土壤的接触电阻可分别由式(5)和式(6)进行计算:

  RJJ1=RJ1S2S1+S2 (5)

  RTJ1=RJ1S1S1+S2 (6)

  式中:S1为金属接地体与土壤的总接触面积,m2;S2为金属桶与土壤的总接触面积,m2。

  每次测量石墨基柔性接地体模型时得到的电阻值减去模拟土壤电阻和金属桶与模拟土壤的接触电阻,就可得到石墨基柔性接地体与模拟土壤的接触电阻RSJ2。由此便可分析石墨基柔性接地体和金属接地体与土壤的接触电阻的差别。

  RSJ2=R′-R1-RTJ1 (7)

  式中:R′为石墨基柔性接地体每次试验测量得到的电阻值,Ω。

  2、 接触电阻试验平台与试验样品

  试验平台主要由两部分构成,第1部分为工频电压发生器与试验容器,第2部分为电压电流测量系统。测量回路示意图见图4,试验平台实拍图见图5,试验样品见图6、图7。

  本次试验所使用的工频电压发生器可产生最高400 V工频电压;试验所采用的试验容器表面为镀锌钢材质,耐腐蚀性好。所采用的测量系统为交流电压表和交流微安表,两者均具有良好的测量精度。

  3 、接触电阻试验方法与过程

  实验的具体操作步骤如下:

  1)将土壤装入土壤电阻率测量容器,将土壤压紧实,并且将两头密封完整,连接好测量线路,记录下电压和电流值,计算出土壤电阻率ρ。

  2)将镀锌圆钢接地体和土壤装入试验金属桶内,将土壤压紧实,连接好测量线路,在电极间施加适当的工频交流电压,记录下电压和电流值,计算出总电阻值R。

  3)将镀锌圆钢接地体取出,将石墨基柔性接地体放入同样土壤条件下的金属桶内,重复实验,计算出总电阻值R′。

  4)根据式(1)~(7),分别计算出土壤电阻率、镀锌圆钢接地体与土壤的接触电阻、石墨基柔性接地体的接触电阻,记录计算结果。

  5)改变土壤温度,通过把土壤放入高低温试验箱将温度从室温每次降低10 ℃,直至降温到最低-40 ℃,重复步骤(1)~(4)。

  6)改变土壤湿度,通过加水将湿度每次大约升高5%,直至升至土壤呈泥浆状,重复步骤(1)~(4)。

  7)通过添加降阻剂和碎石来改变土壤类型,重复步骤(1)~(4)。

  4、 接地体接触电阻影响因素分析

  接地体接触电阻受土壤的温度、湿度、类型的影响而变化,本节将研究不同因素对接地体接触电阻变化的影响,通过试验定性和定量的分析接地体的接触电阻。

  4.1、 土壤温度对接触电阻的影响

  土壤在低温情况下会凝结导致土壤发生形变,土壤电阻率升高,接地体与土壤的接触电阻也会随之增大,但是不同材料接触电阻的增大比例不同。因此,测量不同温度下的土壤电阻率变化,研究土壤电阻率与温度的关系,对比不同接地体不同温度下的接触电阻,可为冻土地区提高接地系统设计的准确性提供思路。

  由图8、图9可以得出结论,当温度在0 ℃以上范围内下降时,土壤电阻率的下降比较缓慢,由于此时两种土壤的土壤电阻率较低,土壤颗粒较小,此时石墨材料和圆钢材料与土壤接触良好,所以此时接触电阻很小,且温度变化时的差异不明显。当温度低于0 ℃时,随着温度的下降土壤开始凝结,土壤密度变大,随着温度降低,土壤逐渐成块状,当温度低于-10 ℃时,土壤电阻率急剧升高,两种材料与土壤的接触面积变小,空气间隙增多,所以测试接触电阻升高。由于金属相比于石墨材料不易形变,所以接触电阻升高较快,温度过低土壤凝结较为严重,此时接触电阻升高更为明显。从实验数据可得石墨与圆钢相比,不同土壤电阻率时接触电阻都较小,石墨材料接触电阻约为圆钢材料接触电阻的25%。

  4.2 、土壤湿度对接触电阻的影响

  土壤在潮湿的情况下不仅电阻率会降低,同时水分使土壤发生形变,使得土壤与接地体之间的接触点更多,土壤松软后与接地体的接触会更紧密,而接触电阻会随之而降低。因此,研究不同接地体与不同湿度下土壤的接触电阻,对于一些雨季较多地区的接地系统设计具有重要意义。

  从图10、图11可以得出结论,当水分含量升高时,土壤中所含导电离子的浓度增加,土壤的导电性增强,土壤电阻率会随之下降,当其到达一定湿度时,土壤电阻率下降过程不再明显,随着含水量的增加,有效接触面积的增大,接触电阻也随之下降,当水分含量较高时,土壤形变到达一定程度后变化较小,此时接触电阻的下降不再明显。同时对比金属材料与石墨材料的接触电阻,石墨材料的接触电阻总体较低,因为水分引起土壤形变后,由于石墨材料本身特性,其有效接触面积大于金属材料的接触面积,石墨与不同土壤间的接触性能优于镀锌圆钢,基本上在镀锌圆钢的20%~30%之间。

  4.3 、土壤类型对接触电阻的影响

  不同地区的土壤类型与土壤条件并不完全一致,土质较好地区土壤电阻率较低,而有些地区碎石的存在使得土壤电阻率很高,而土壤类型主要影响土壤颗粒的大小,土壤颗粒决定了土壤与接地体的有效接触面积大小,为模拟工程中不同土壤类型和颗粒度的土壤条件,试验分别加入直径8~10 mm的碎石,降阻剂土壤电阻率为20 Ω·m, 按照不同的质量进行配比。

  从表3中可以得出结论,当土壤中掺杂降阻剂时,土壤电阻率下降较快,降阻剂的加入填充接地体附近的空气间隙,相当于增大了接地体附近与土壤的接触点数,此时接触电阻也下降到毫欧级别,几乎可以忽略不计。当土壤中掺杂碎石时,土壤的电阻率急剧升高,由于碎石和接地体的接触并不是十分良好,即有效接触面积下降,所以土壤与碎石组合的接触电阻较高,从而导致接地电阻过大。土壤类型不同时,石墨材料的接触电阻仍然小于圆钢材料的接触电阻。由于碎石等加入导致土壤的形变,此时石墨材料与土壤的接触更为充分,接触电阻较低。

  5、 结 论

  本研究在一些近似和假设的前提下,通过试验对不同接地体在不同土壤情况下的接触电阻进行了测量并得出以下结论:

  1)土壤的环境包括温度、适度和土壤类型等都会影响土壤与接地体之间的接触电阻。在不同的土壤环境下,由于石墨材料本身的柔性,与土壤的接触更充分,其接触电阻明显小于镀锌扁钢材料的接触电阻。

  2)土壤电阻率随温度的变化而变化,对应着接地体与土壤之间的接触电阻也随之变化。随着温度的降低,土壤凝结,土壤电阻率升高变快,接触电阻增加;湿度升高使接地体与土壤之间的接触会变得更加紧密,接触电阻也会随之而减小;从土壤类型来看,土壤电阻率较低时,接触电阻的影响较小,土壤电阻率越大,接触电阻对接地电阻的影响越明显,不可忽略。

  3)接地装置接地电阻的工程应用与接触电阻的考虑应该结合起来。土壤电阻率对接触电阻的影响较大,低土壤电阻率地区,温度不易控制可以通过加水的方式增大湿度而降低接触电阻。高土壤电阻率地区,可以通过加细沙或降阻剂等方式降低土壤电阻率来降低接触电阻。

  参考文献

  [1]胡元潮.柔性石墨复合接地材料及其在电力系统中的应用研究[D].武汉:武汉大学, 2014.

  [2]赵智忠,王业康,李艳红, 等基于多物理场的接地体腐蚀状态检测方法[J].高压电器, 2020 56(05):62 -68 ZHAO Zhizhong, WANG Yekang.LI Yanhong,et al. Multi-physics based detection method of grounding body corrosion state[J] High Voltage Apparatus,2020 ,56(05):62-68.

  《接地体与土壤的接触电阻影响因素研究》来源:《电瓷避雷器》,作者:胡松江 务孔永 朱毅男

文章标题:接地体与土壤的接触电阻影响因素研究

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