关键词：接地网; 电流分布; 电量隔离传感器 随着用电负荷的不断增加，电力系统的容量也在不断增大，接地网的尺寸也越来越大，因此分析接地网中的电流分布就显得很有必要。现通过接地模拟实验，测量了单根垂直接地体、十字形接地网、水平接地网及复合接地网（带垂直接地体）中的电流分布，对接地网中的电流分布规律有了一定的了解，为地网设计及研究地网中的电位分布打下了基矗 1模拟实验 1.1模拟实验电路 接地模拟实验通常用具有一定电阻率的电解液（例如自来水或稀食盐溶液）作为媒质，因为在电解液中可以比较容易地测量电位分布，这种模拟装置称为电解槽。电解槽的槽壁通常由绝缘物制成，考虑在电解槽中，电流流动的方向受到槽壁的影响，因而电解槽应尽可能做得大一些。一般地网模型的中心到槽壁的距离应大于地网模型对角线的5倍。电解槽宜做成长方形，以便设置回流电极［1］。为了完善接地技术，提高实验精度，决定在外形尺寸为10 m×5 m×2.5 m的长方形池内进行接地网电流分布的模拟实验。水池的四壁用瓷砖拼砌，表面用绝缘漆涂刷。池的上方横一铁架行车，行车可移动，运载实验人员到达池内的任何地方。水池的底面铺一层铝板，在池的边缘由铝板向上引一条导电线［2］。 在接地网中，地网接地体本身的阻抗会引起地网电位分布不均匀，因此，接地电阻可以看成是接地网导体的电阻与接地网相对于无限远处的无限大电极间大地土壤的电阻的串联,一般情况下，前者远远小于后者，故接地网导体电阻所引起的压降以及导体电阻对接地网接地电阻的影响是可以忽略的。在工频条件下，电感和电容的影响也是可以忽略的。这次实验的目的就是在忽略接地体本身阻抗的前提下，测量出接地网中电流的散流规律。 由于在实际地网中测量地网电流是不可能的，笔者提出采用一种实验室模拟的方法来分析实际地网中的电流分布。注入到接地体中的电流在沿导体轴向流动的同时也会流向水中，为了测量出水中接地网周围的电流分布，采用了可移动的穿心式电量隔离传感器来测量水中接地网的电流分布，实验电路见图1。在图1中，分别采用了单根垂直接地体、十字形接地网、水平接地网及复合接地网（带垂直接地体）4种接地体进行实验。 1.2实验元件的参数 此次实验是在工频条件下进行的，各个元件的参数选择是：调压器的可调范围为0～220 V；限流电阻（R1）由两个200Ω, 10 W的电阻并联而成；数字电压 表采用通用数字万用表；隔离变压器有210 V, 220 V, 230 V 3种输出，本次实验选择220 V输出；电量隔离传感器型号为WBI412D1-0.5A（Φ4）/5 V，由于此传感器不能防水，在实验中采用环氧树脂密封绝缘；水的电导率测量值为38mS/m。 2单根垂直接地体中的电流分布 单根垂直接地体铜丝直径d=2.2mm, 长度L=627mm，见图2所示。 电流从单根垂直接地体的O点注入，这时分别测量了当注入电流为20mA, 40mA， 60mA, 80mA, 100mA时，6个不同深度处的电流值。电流值随单根垂直接地体的深度呈线性递减（见图3），分布基本上是均匀的。如注入电流为80mA时，在深度为0mm, 100 mm, 200mm, 300mm, 400 mm, 500 mm时的电流实际测量值分别为79.6mA, 67.0mA, 54.9 mA , 4 2.7mA, 29.6mA, 17.5mA, 接地电阻约为46.8 Ω；理论计算值则分别为80.0mA, 6 7.1 m A, 55.0mA, 42.9mA, 30.5mA, 17.7 mA，与图3中用圆点表示的测量值的误差均在3%以内。 3十字形接地网中的电流分布 十字形接地网是由两根长500 mm的铜丝垂直交叉焊成的，铜丝直径d=2.2 mm，其构成和电流分布见图4。 电流从十字形接地网中心O点注入，这时分别测量了当注入电流为40mA, 60mA, 80 mA时，十字形接地网图中各点处的电流值。从图4中可知：当注入电流为80 mA时，A, E, O 3处的电流值分别为1.43 mA，12.7 mA，19.2 mA，其中E, F, G, H分别为AO, BO, CO,DO的中点, 其接地电阻约为55.6Ω。 4水平接地网中的电流分布 水平接地网为300 mm×300 mm的方形地网，均压带由水平接地体组成，根数为3×3，有4个网孔。接地铜丝导体直径d=2.2 mm。 电流从地网边角A点注入（最不对称，最不易散流），这时分别测量了当注入电流为40mA, 60mA, 80 mA时各导体段中的电流值，图5显示了注入电流为80 mA时，地网中对称部分的电流值（图中所标的电流值都是该段导体中间处流过的电流值，单位为mA，接地电阻约为4 3.1Ω。） 5复合接地网（带有垂直接地体的水平接地网）中的电流分布 复合接地网为300 mm×300 mm的方形地网，均压带由水平接地体并带有垂直接地体的复合接地网组成，根数为3×3，有4个网孔。垂直接地体长500 mm，接地铜丝导体直径d =2.2 mm。 电流从地网边角A点注入（最不对称、最不易散流），这时分别测量了带4根、5根及9根垂直接地体3种形式的复合接地网。对每种接地网都测量了当注入电流为40mA，60mA, 80mA时各导体段中的电流值，图6、图7、图8显示了当注入电流为80mA时，3种接地网地网中对称部分的电流值（这3个图中水平部分的电流值是该段导体中间处流过的电流值；垂直部分的电流值为垂直接地体在深度为0 mm时的电流值, 单位都为mA）。这3种复合接地网的接地电阻分别为25.2Ω, 21.4 Ω, 19.6 Ω。 从图6、图7、图8可以看出，由于垂直接地体较长（达500 mm），故电流主要是从垂直接地体散流的，在水平方向散流只占小部分（误差说明：由于传感器本身有近1 mA的误差，地网中的电流都是用它来测量的，而总电流80 mA是用毫安表来测量的，故用传感器测得的电流值有近1 mA的误差，这些误差均在5%以内，属于实验允许范围）。 6实验结果分析 6.1误差分析 通过计算接地电阻的计算程序计算出来的单根垂直接地体、十字形接地网、水平接地网 及复合接地网（带垂直接地体）的接地电阻值分别为44.6Ω, 55.0Ω，42.7Ω，24. 2 Ω，20.5Ω，18.8Ω, 误差率分别为4.93%，1.09%，0.94%，4.13%，4.39%，4.26% ,均在实验所容许的范围内，进一步验证了本次实验数据的有效性。 6.2电阻大小关系 通过几种接地网的比较可知，在相同条件下，接地电阻大小关系为：单根垂直接地体电阻大于十字形接地网电阻大于水平接地网电阻大于复合接地网电阻；散流效果是复合接地网最好，单根垂直接地体最差。对于复合接地网，由于垂直接地体比较长（500 mm），故电流主要是从垂直接地体散流的，而在水平方向散流只占一小部分。当复合接地网带较多垂直接地体时，垂直接地体之间就会产生屏蔽效应，散流效果相对减弱。因此，为了加强散流效果和节约钢材，垂直接地体应该可以采用（在实际工程中，垂直极的相对深度都较小，一般不起作用）。 6.3水平接地网和复合接地网电流注入点分析 在工频条件下，接地网可以近似地看成是一个等位体，因此从那一点注入影响不是很大。我们特意从地网边角入地，是想知道，在频率提高的情况下（如频率提高400倍），在注入点和其对角点之间有没有电位差，以便用较小的地网来模拟实际地网（在实际接地网缩小的前提下，通过提高电源频率的方法来达到模拟实际接地网的目的），因此，电流分布的实验大都是从地网边角注入的，而产生误差的原因主要有以下两方面： a） 客观原因 仪表产生的误差，包括电量隔离传感器、毫安表、调压器、数字万用表、隔离变压器等；接地网本身导体电阻产生的误差，实验中这个电阻是忽略不计的。 b） 主观原因 实验人员操作上产生的误差，如移动传感器的深度等；接地网制作时产生的误差，如焊接时焊点较大，地网水平偏移等。 7结束语 a） 提出了一种测量接地网中电流分布的方法，对接地网设计、接地网中的电位分布分析，奠定了一定的实验基矗 b） 测量了多种形式接地网的电流分布，得出了大量的实验数据，与理论计算值相比较，误差在容许的范围，因此，所得的实验结果对接地网中的电流分布规律有较全面的了解。 c） 在大型接地网中，接地体本身阻抗会引起地网电位分布不均匀，引起地网电位分布不均匀的原因主要是因为电感的作用［3］。因此在实际地网缩小的前提下，可以通过提高电源频率 的方法来模拟实际接地网。由于实验条件有限，没有做频率特性实验，但也说明了在工频条件下，小模拟地网中接地体本身的阻抗可以忽略。 参考文献 ［1］解广润. 电力系统接地技术［M］. 北京：水利电力出版社，1991 ［2］潘文霞，陈慈萱. 接地技术研究中双层土壤的实验室模拟［J］.中国电机工程学报，1994, 14（5）: 70—72 ［3］张丽萍，袁建生. 变电站接地网不等电位模型数值计算［J］. 中国电机工程学报，2000, 20（1）：1—3 ［4］OTERO A F, CIDRAS J, DEL ALAMO J LFrequencydependent grounding system cal culation by means of a conventional nodal analysis technique［J］. IEEE Tr ansac tions on Power Delivery, 1999, [STHZ]14（3）: 873—878 ［5］CIDRAS J, OTERO A F, CARRIDONodal frequency analysis of grounding syste ms considering the soil ionization effect［J］. IEEE Transactions on Power De liver y, 2000, 15（1）: 103—109 ［6］王保山，万启发. 长接地棒/极的冲击电流分布特性［J］. 高电压技术，1995, 21（1）：70—72
