1 绪 论
1.1 课题的背景及意义
目前，电网建设正向着远距离、大容量、特高压、智能化方向快速发展，变电站接地网的面积越来越大，入地的故障电流也不断增大，运行、生产部门要求变电站接地网不但能符合系统当前安全稳定地运行的需要，且能与系统长远发展相适应。伴随着中国电力事业的迅速发展，对接地系统的要求越来越严格。发、变电站及输电线路的接地装置是维护电网安全可靠运行、保障电气设备与运行人员安全的根本保证和重要措施[1]。近年来，由接地问题引起的电力系统事故时有发生，对接地装置的接地特性进行准确的数值计算和试验研究，具有重要的意义。
由于技术方面的限制，早期电力系统接地设计没有重视接地极的冲击特性而仅关注其工频接地性能。工频接地电阻的数值计算技术已比较成熟，而冲击接地电阻并没有很精确的计算公式。长期以来，杆塔接地装置设计都是根据《交流电气装置的接地设计规范》(GB/T50065-2011)，在该规范中将工频接地电阻乘以冲击系数得到冲击接地电阻[2]，用此数值表示冲击电流作用下接地装置的冲击性能。但是接地装置的结构不同、材质不同、周围土壤性质的不同都会影响冲击系数的准确性，使公式或列表不适用。由于冲击电流等值频率非常高，与电阻作用相比接地极本身电感作用效果变得十分明显，而该作用在工频时通常可以忽略。此外，较高的冲击电流幅值将导致接地体周围土壤的电场畸变，引起分散的火花放电通道，使得接地极附近的土壤电阻率发生非线性的变化。杆塔的接地电阻在冲击电流作用下随时间变化，不是一个恒定的数，而是非线性电阻，其值的大小受暂态过程中多方因素的影响。目前的防雷设计中采用的冲击接地电阻与实际情况不符，用它来分析防雷性能产生的误差较大。
接地装置冲击特性数值计算中，土壤电阻率和介电常数取值是否恰当，对计算结果准确性影响很大。而接地网埋设区域内的土壤呈现出明显的频变性，其土壤电参数(电阻率、介电常数)随注入电流频率的变化而变化。作为数值计算中的两个重要参数，土壤电参数的频变性必然对接地特性的计算结果有着重要的影响。然而，目前的数值计算中大都忽略了土壤电参数的频变性，导致相关模型的计算结果并不准确。在特高压直流输电工程中同样存在土壤电参数的非线性变化。目前，直流系统的接地极受端极址选择日益困难，多个直流系统共用接地极的情况日趋普遍[3-6]，从而导致接地极所流过的入地电流也不断增大。若接地极在温度过高的环境中工作，其出现烧毁的概率将大大增加。我国葛上 500kV 直流接地极于 1989 年投入运行，系统初期作单极运行，额定电流 1200A，短时最大电流 1650A。在系统投入运行后 14 个月时间内，发生两次接地极烧毁故障。经开挖检查，发现引流电缆烧毁，接地体周围局部地下水沸腾，引流端土壤局部硬化，接地导体钢棒严重腐蚀，电流流入端和末端几十米被完全腐蚀断裂。根据相关的故障分析报告可知，由于土壤电阻率的存在，电流通过接地极向土壤中溢散时，引起土壤发热[7]。但水平直线接地极存在端部效应，其电极端部散流密度较大，促使该部分周围土壤温度显著上升，土壤水分蒸发速度加快，土壤电阻率增大，进一步加剧局部土壤发热，使得接地极表面的土壤经高温硬化，甚至结壳，最终导致接地极不能正常工作。而在此过程中电流场与温度场的相互作用正是导致接地极烧毁故障最主要的原因。然而，温升所引起的土壤水分蒸发不仅使土壤电阻率发生了变化，同时也对土壤的热参数产生了一定的影响，从而进一步影响接地极及附近土壤的温升情况。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 接地网接地性能研究现状
对接地技术的研究始于上个世纪初，1915 年 F. Wenner 提出了土壤电阻率的测量方法，即目前仍然被广泛使用的温纳四极法[8-10]。此后直到二十世纪六十年代末，不断有关于接地方面的文献发表[11-13]，这些文献或者采用电磁场理论分析方法，或者采用实验室模拟试验方法，得到简单接地网设计的经验公式和一些有指导意义的结论，有些成果至今仍被用于设计简单接地网。到 20 世纪 70、80 年代，特别是 90 年代后，伴随着电子计算机和数值计算方法日趋成熟，开始出现大量接地装置特性的数值分析方法，使用数值分析方法设计安全性能优越的接地网成为趋势[1]。
Gupta 等人在上世纪八十年代初提出了基于电路理论分析接地性能的方法，采用集总参数电路模型代替接地网的物理模型，总结出了方形接地网格冲击接地阻抗的经验公式，但该模型忽略了串联电阻及对地电容对接地性能的影响，并认为土壤火花放电对接地装置的冲击特性的影响可以忽略[29]。国内的武汉大学[30,31]在进行这方面研究时，针对水平伸长接地体进行了模拟计算，但采用简化的参数计算公式，影响了计算结果的精度，而且忽略了串联电阻及对地电容。文献[32]基于电路法提出接地网的暂态分析模型，其中接地网被划分为若干导体段，每个导体段均可用如图 1.1 所示的 形电路模型等效。该模型结构简单，参数的物理意义明确，是后续电路法的发展基础。国内外很多学者也采用该方法进行了接地性能的数值计算，取得了大量的研究成果[33-36]。但该分析模型计算导体电感时未计及集肤效应，当暂态电流频率很高时，计算将有较大误差。另一方面模型中未考虑土壤可能放电的影响，且未考虑各导体间的相互耦合。
基于场路结合理论的方法[37-40]提出电磁场和电路结合分析接地网暂态特性，目前我国在该方法上取得了很多研究成果，在实际工程中广泛应用该方法分析工频短路以及雷击情况下接地网的响应。场路结合法首先将接地网分成 N 段，假设分段导体泄漏电流由节点或者导体段中点流出，轴向电流在导体段中为恒定值；由轴向电流和导体内阻抗、导体段之间的互感求得导体段内表面电位，由漏电流和导体段之间的互阻抗求得导体段外表面电位；由电磁场理论中介质分界面处电位连续的边界条件建立方程，求解得出导体轴向电流和漏电流分布。其中文献[37,38]分别以导体段的轴向电流和漏电流为未知量，提出了计及导体互感的复杂接地网的频域分析方法，但后者忽略了导体段之间的互感作用。文献[40]以接地网导体上离散点的电压为未知量，利用节点电压法和电流场导电媒质中导体间的互阻关系形成方程。文献[41]与文献[42]的不同之处是，前者不仅考虑了导体间的互阻，而且计及了导体的自感以及互感。场路结合法在计算模型中同时引入了集中电路和分布电路等效参数，对分布参数的计算采用严格的电磁场推导方法。在计算中通过使用复镜像法提高了计算效率，在 1MHz 暂态电流频率的范围内可以满足工程精度要求。
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2 土壤电参数变化特性试验研究
2.1 概述
当电流通过接地装置向地中散流时，在电场的作用下，土壤的电参数并不是恒定不变的。在高幅值的冲击电流作用下，接地极附近的土壤电阻率将由于土壤电离而降低[1,2]；同时，作为一种典型的频散介质，土壤的电阻率、介电常数都跟入地电流的频率有关[72]。另外，直流接地极需要长时间通过很大的工作电流，土壤中产生的焦耳热损耗必然使得土壤的温度上升、水分蒸发甚至汽化，导致土壤电阻率随之增大[1]。因此，本章将开展散流过程中土壤电参数变化试验，分析土壤电阻率随地中电场的变化，土壤电阻率、介电常数随注入电流频率的变化，土壤电阻率随温度的变化情况，为后文的数值计算提供试验数据。
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2.2 冲击电流作用下土壤非线性电离现象试验
在高幅值的冲击电流沿接地导体向土壤散流的过程中，在地中电场强度尚未到达土壤的临界击穿场强之前，电流和电压已不再是线性关系，而呈现出非线性关系，电阻率随电场强度的增加而下降[1]，这就是土壤的非线性电离现象。本节将开展土壤非线性电离现象试验，定量地测量土壤电阻率随地中电场的变化情况。
2.2.1 试验方案
图 2.1 为土壤非线性特性试验测量系统，其中 T1为可控双向晶闸管；T2是升压比为 380V/45kV 的升压变压器；D 为最大允许电流 1A 的高压整流器；r1为保护水阻；充电电容器组 C 由 10 台 0.3μF 的脉冲电容器圆环式排列并联组成；G 为点火球隙；调波电感 L、调波电阻 R 用来调整冲击电流波形；F 为弱阻尼电容冲击电压分压器，分压比 K=691；CT 为 PEARSON 电流传感器；DSO 为示波器；P 为试验样品盒。
试样样品盒的结构如图 2.2 所示，其底面为一边长为 a=0.2m 的正方形，测量电极 P1、P2水平地插入土壤中并与上下两底面相互平行，电极 P1到底板的距离 l1为 0.08m，电极 P2到底板的距离 l2为 0.04m，测量电极 P1、P2之间的距离 l=l1-l2；上极板到下极板的距离 h 为 0.143m。上、下极板材料采用导电性能良好的黄铜，腔体材料为绝缘的玻璃纤维。
对土壤样品电阻率的测量通常采用伏安法，按电极数可以分为两电极和四电极两种方法常采用二极法和四极法[82,100-103]。二极法是指通过测量图 2.2 中的样品盒的上下极板的电压电流来计算土壤电阻率，由于测得的总电阻中包含了上下极板与土壤表面之间的接触电阻，造成测量结果较真实值偏大；在含水率较低的土壤中，接触电阻更大，测量误差更大。四极法是指电流从上极板注入、下极板流出，通过测量测量电极 P1、P2间的电压电流来计算土壤电阻率[82]。由于四极法可有效地降低土壤样品与试验电极之间由接触电阻带来的误差[82]，故本文采用四极法。测得电极 P1、P2之间的电压和回路电流值 I 之后，可利用欧姆定律求得测试部分的电阻 R，然后根据电阻 R 与电阻率 ρ 的关系推得结果，因此可得电阻率的表达式：
土壤颗粒吸附有一定数量的负离子，在土壤中还或多或少的含有其它电解质，所以可把土壤看作一种多价电解质。因此，像电解质溶液一样，土壤也会在外加电场的作用下发生导电现象。同时，由于土壤是个复杂的多相体系，其中还存在不导电的固体颗粒和空气，土壤颗粒之间的空气间隙在强电场作用下产生的局部不均匀放电也会使土壤电阻率发生变化。由于液相与气相物质都贮于土壤孔隙中，因此对于一定容积的土壤而言，在土壤孔隙度不变的情况下，气相物质与液相物质的含量相互影响。在本章的试验中，通过改变含水量来调节土壤电阻率。在水分含量低的土壤中，土壤颗粒间空气间隙的体积及数量相对较多，更大程度上是由于土壤颗粒之间的空气间隙产生局部放电而使土壤呈现非线性电离现象。在水分含量较高的土壤中，土壤颗粒间空气间隙的体积及数量相对较少，能自由移动的离子数较多，更大程度上是由于电解质溶液中的离子导电性在强电场作用下显著增加而使土壤呈现非线性电离现象。
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3 计及土壤电离变化过程的接地装置冲击特性分析.......................... 39
3.1 概述 ............................................................. 39
3.2 土壤电阻率随土壤电离过程的变化及其模拟方法研究 ................... 39
3.3 计及土壤电离变化过程的接地装置冲击特性有限元模型 ................. 42
4 土壤电参数频变特性对接地装置性能的影响研究 ........................ 65
4.1 概述............................................................. 65
4.2 接地装置频域模型的数值计算方法 ................................. 65
4.3 有限元仿真计算模型 ............................................. 67
5 计及土壤参数温升特性的直流接地极温升分析........................... 73
5.1 概述............................................................ 73
5.2 直流接地极温升有限元计算模型 ................................... 73
5 计及土壤参数温升特性的直流接地极温升分析
5.1 概述
直流接地极的热稳定性是评估直流输电接地系统接地性能的重要因素。国内外专家学者对直流输电过程中直流接地极的温升特性进行了大量的研究，得到了大量的研究成果。但这些研究一般未考虑接地极附近的土壤参数随温升的变化，认为土壤参数在运行过程中始终保持在初始状态不变，导致数值计算结果与运行情况不符。
当直流输电系统处于单级大地回线运行状态时，大电流持续经由接地极向土壤中散流，产生大量的焦耳热，使得土壤发热升温。如图 5.1 所示，在土壤温度的上升过程中，土壤溶液中的水分逐渐蒸发，从而导致土壤参数(土壤电阻率、土壤容积热容量、土壤热导率)的变化，而土壤参数的变化势必进一步影响接地极及周围土壤升温过程。本文第二章关于土壤参数温升特性的试验结果表明，温升对土壤参数的影响较大，尤其是当土壤温度较高时，存在土壤电阻率的急剧增大。因此，在进行直流接地极温升分析时必须计及土壤参数随温度的变化。
在电流场的有限元方程中系数矩阵表达式(5.17)中，总体刚度矩阵 N 与土壤参数动态相关；在温度场的有限元方程中系数矩阵表达式(5.26)中，总体刚度矩阵 K、非稳态矩阵 C 与等效荷载矩阵 F 都与土壤参数动态相关。因此必须将土壤电阻率ρ(T)，土壤容积热容量 Cv(T)与土壤热导率 k(T)随温度的变化引入计算过程(采用本文 2.4.2 节得到的实验结果)。式(5.25)中，温度 T 既是待求量，也是方程式中各参数的自变量，在计算过程中动态地修正参数。
水平电极一般埋深较浅，施工方便，工程造价相对较低，散热方便，故特别适用于地形平坦、宽阔，且表层土壤电阻率低的地区。在前期研究成果以及理论分析的基础上，本小节将采用上文所建立的计及土壤参数温升特性的直流接地极温升分析有限元模型对水平直线接地极的温度变化进行仿真分析。本文选用红壤作为接地极所在的土壤，其各种参数具体如表 5.1 所示，表中的热导率、容积热容量、电阻率采用本文中 2.4.2 节的试验结果。水平直线型接地极的直径、长度、埋深等参数如表 5.2 所示。
传统模型一般不考虑土壤参数随温度变化，为了分析土壤参数随温度变化对接地极发热过程的影响，分别采用传统模型与本文所建立的计及土壤参数温升特性的直流接地极温升分析有限元模型进行仿真计算。仿真结果如图 5.3 所示，曲线1~4 分别表示运行 120 小时、400 小时、600 小时及 677 小时后接地极的温度分布情况。
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6 结论与展望
6.1 结论
论文对散流过程中土壤电参数的变化进行了系统的研究，得到了土壤电离过程中的土壤电阻率的变化规律，土壤电阻率、介电常数随入地电流频率的变化规律，以及土壤电阻率随温升的变化规律；建立了计及土壤电参数变化的接地特性有限元模型，并对接地装置性能进行了分析。本文的研究成果可为接地装置的性能分析提供理论依据和数据支持，具有较高的学术意义和工程实用价值。论文的主要内容及结论如下：
在大电流作用下，土壤电离起主导作用，此时土壤频变性的影响很小，故本文在考虑土壤电离变化过程的接地装置冲击特性有限元模型中只考虑了土壤电离带来的电阻率变化，而忽略了土壤参数的频变性。但严格意义上讲，在冲击电流作用下，土壤电离带来的电阻率变化与土壤参数频变性是同时存在的。故在今后的研究中，可考虑在一个计算模型中综合考虑土壤电离与频变性，使得数值计算更准确。
在冲击电流作用下，高幅值的冲击电流作用使得接地极附近的土壤电阻率将由于土壤电离而降低；同时，冲击电流的频带较宽，土壤的电阻率、介电常数将随入地电流的频率而变化。在大电流作用下，土壤电离起主导作用，相对而言，此时土壤频变性对冲击性能的影响很小。故本文分别分析了这两种现象对冲击性能的影响，而没有在一个模型中同时考虑着两种现象。但严格意义上讲，这两种现象是同时存在的。故在今后的研究中，可考虑在一个计算模型中同时考虑时域、频域参数变化，综合考虑土壤电离现象与土壤参数的频变性，使数值计算更准确。在初步研究的基础上，作者通过迭代的方法引入等值半径，将土壤火花放电现象看作接地极半径等效增大，将接地导体进行分段，首先按照接地导体的原始半径以本文方法计算接地体上的轴向电流值，根据每段导体的轴向电流值由式（1）求出第 1 次迭代后的等值半径；然后以第 1 次的等值半径为一阶参数算出此时的轴向电流值，进一步算出第 2 次的等值半径；以此类推，前后两次算出的等值半径差值小于设定值时，迭代计算结束。即认为此时的等值半径为最终采用的等值半径值，根据初步运算，一般迭代 3～4 次即可得到稳定的等值半径值。
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参考文献（略）
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参考文献（略）