第!"卷第#期!$$%年!月水&电&能&源&科&学’()*+,*-./+0*-(123.4*+ 5.67!"8.7#9*27!$$%收稿日期：!$$:;$%;#$，修回日期：!$$:;$<;!#作者简介：叶海峰（#<=!;），男，硕士研究生，研究方向为电力系统接地技术，>;?(@6：(AB#"C ).?70.?通讯作者：刘浔（#<:#;），男，教授，研究方向为电力系统接地技术，>;?(@6：D/1;6@/C -.E/70.1文章编号：#$$$;%%$<（!$$%）$#;$$F<;$B水平接地体的雷电冲击特性研究叶海峰&刘&浔（华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉FB$$%F ）摘要：为研究雷电流经水平接地体时的冲击特性，采用电磁暂态计算程序（GH3;>IH3）仿真法对水平接地体在脉冲电流下的冲击特性进行分析，得出接地体的几何尺寸和土壤电阻率对冲击接地特性的影响。

探讨了冲击电流和接地体电位达到峰值的时间差与接地体尺寸、土壤电阻率的关系。

仿真结果表明：冲击接地电阻的大小随接地体尺寸的增加而减小，趋势渐缓，直至稳定；冲击接地电阻大小与土壤电阻率成正比。

关键词：接地；冲击接地电阻；GH3;>IH3；时间差中图分类号：HI=:!文献标志码：G&&接地体在大冲击电流作用下的性能与在工频电流作用下的性能有较大的区别。

大电流将导致接地体周围的土壤电离，产生火花放电效应和电感效应［#］。

因此，研究接地体的冲击特性与研究工频情况下接地体特性的方法不同。

电磁暂态分析程序GH3;>IH3是电力系统暂态分析中使用较广的仿真工具，可模拟复杂网络和任意结构的控制系统［!］。

为研究在雷电流冲击下，土壤电阻率、接地体几何形状等因素对接地体冲击特性的影响，本文采用GH3的分析方法对水平接地体建立模型，改变参数，计算冲击接地电阻值。

!"接地体仿真模型对于水平接地体，由于其尺寸与雷电冲击波头长度可相比拟，所以必须考虑沿接地体波的流动过程。

水平接地体可按有损长线处理，电路如图#所示［#，B ］。

图!"冲击接地系统仿真原理图#$%&!"’()*+,-$(.$,%/,+01$+2345*%/036.$6%575-*+为计算水平接地体的冲击接地电阻，首先确定单位长度接地体的参数，然后利用非线性差分电路模型将水平接地体分割成由!个2"长度单元组成的等效电路，根据有损导线的分布参数公式求取接地体不同部分的参数。

图#中，#$、$$、%$和&$分别为有损导线每单位长度的电阻、电感、对无穷远零位面的电容和电导，其公式为［F ］：&$’!!!（61(!!)*+$,:#）&&（J K ?）（#）$$’"!!（61!(*+#）&&&（L K ?）（!）%$’#!&$&&&&&&&&（9K ?）（B ）式中，(，*、)分别为接地体的长度、半径、深度；#为土壤的介电系数，在实用范围内可取<M =,=:M #$N #!；"为土壤的导磁系数，在实用范围内可取F !M #$N %。

#$由于相对较小，一般忽略不计。

!&!"水平接地雷电冲击仿真系统的建立选取埋于土壤深度$7"?，长度为!$、B$、F$、"$、:$、%$?的水平接地体，从接地体的水平正中间引入幅值!$OG 、波头时间!7:"-、波长时间!$"-的冲击电流。

水平接地体冲击系统模型见图!。

图8"水平接地体冲击系统模型#$%&8"90.*401)0/$:06-,4$+2345*%/036.$6%575-*+万方数据!"#$水平接地体等值%&’仿真电路根据水平接地体的分布参数等值原理，建立相应的!"#电路见图$。

图($水平接地体等值电路图（以#)*为例）+,-"($./0,1234567,87349:;98,<95623,*=03>4-8905?,5-4347689?4!"($水平接地体等值电路仿真数据本文选取的水平接地体：!%&’、$’、(’、)’、*’、+’,；"%’-).,、#%’-),，/$%),。

代入式（0）1（$）可得单位长度/$%),的电路单元的参数为：%’%’&+2)’!3333（456）(’%*&$(70’800（956）)’%0&$&70’8*（:56）土壤电阻率选取)’、0’’、0)’!·,，当冲击电流幅值为&’;!、波头时间&-*"<、波长时间&’"<时，其雷电流仿真波形如图(所示。

图@$#)A%冲击雷电流波形+,-"@$B214:98*9:#)A%3,-;6,5-,*=03>47088456图C$不同土壤电阻率的电压波形+,-"C$B214:98*9:19362-4D;45?,::48456>9,384>,>6,143E#$计算结果及数据分析33图)为长&’,的水平接地体，当土壤电阻率为)’、0’’、0)’!·,和冲击电流源*%&’;!时，在距冲击电流源),处设置一个电压探针测得的电压波形。

#"!$冲击接地电阻数值的测量依次建立$’、(’、)’、*’、+’,水平接地体在土壤电阻率为)’、0’’、0)’!·,下的等值电路模型，可得到相应的电位升高波形。

由+.=%,,5*,（其中，,,为接地体电位升高峰值；*,为冲击电流峰值）［)］。

可计算各自情况下冲击接地电阻，见表0。

表!$水平接地体冲击接地电阻一览表&2F"!$G7;4*49:;98,<95623-8905?,5-4347689?4’>&HI 土壤电阻率#5（!·,）接地体尺寸!5,&’$’(’)’*’+’)’$-0)&-’00-)>0-&*0-’*’-200’’*-$’(-&’$-0)&-)$&-0’0->00)’2-()*-$’(-+$$-+>$-0*&-+&33由表0可看出，当接地体尺寸一定时，冲击电阻大小随土壤电阻率的增加而增大；当土壤电阻率不变时，冲击接地电阻随接地体尺寸的增加而减小，趋势渐缓，直至稳定。

#"#$冲击电流峰值与接地体电位峰值时间差的测量依次测量$’、(’、)’、*’、+’,水平接地体在土壤电阻率为)’、0’’、0)’!·,下电位达到峰值的时间，由$-%-*,8-,,可计算相应情况下时间差（表&）。

从表&可看出：当冲击电流作用在水平接地体时，电压超前于电流；时间差随着土壤电阻率的增大而减小，随着接地体尺寸的增大而增大，趋势渐缓，直至稳定。

表#$冲击电流与接地体电位峰值时间差表&2F"#$G7;4*49:6,*4?,::4845749:6;4,*=03>4’>=42A 1230425?19362-4’>=42A 12304土壤电阻率#5（!·,）接地体尺寸!5,&’$’(’)’*’+’)’’-0)’-&)’-$’’-(’’-)’’-)’0’’’-0*’-02’-&)’-$$’-(0’-(’0)’’-00’-0)’-&0’-&+’-(’’-(’·’)·33水3电3能3源3科3学3&’’+年　万方数据!"影响水平接地体冲击特性的因素!#$"冲击接地电阻接地体的长度当冲击电流幅值一定时，水平接地体冲击接地电阻将随长度增加而减小，下降的趋势逐渐减弱且趋于稳定，在接近稳定时水平接地体的冲击接地电阻几乎不再随长度的增加而减小。

这是由于当冲击电流幅值一定、水平接地体长度不同时，泄流能力强弱不同所致。

当接地体长度较短时，长度在冲击放电过程中得到充分的利用，因此接地体长度增加时泄流能力得到显著增强，从而接地体冲击接地电阻下降较快；当接地体长度较长时使其长度在冲击放电过程中得不到充分的利用，因此接地体的泄流能力增强的程度减弱，从而使接地体冲击接地电阻下降的速度减缓。

!#%"土壤电阻率水平接地体冲击接地电阻随土壤电阻率的下降而减小。

!土壤电阻率越低，电流的泄散能力越强，接地体电位越低，从而接地体冲击接地电阻越小。

"土壤电阻率越低，火花放电效应越强，冲击电流泄散得越快，接地体电位越低，从而接地体冲击接地电阻也越小。

#标准雷电波波头部分在土壤中的传播速度与土壤电阻率的方根成正比。

土壤电阻率越低，雷电波在土壤中传播的速度越慢。

土壤电阻率的下降使雷电波传播的速度变慢，对有一定长度的水平接地体在波头时间内，接地体末端产生的反射波对接地体电位的影响减弱或者根本未形成反射波，从而使接地体冲击接地电阻减小。

!#!"冲击电流与电压峰值时间差对水平接地体而言，其电路特性表现为感性。

因此，接地体电压的相位略超前于冲击电流的相位，在时域上表现为，电位达到峰值的时间超前于电流达到峰值的时间。

随着接地体长度的增加，接地体的电阻渐小，等值电路中的电感因素越明显，电压与冲击电流的相位差也越明显，因此相应的时间差渐大。

但是，随着接地体尺寸的进一步增加，接地体的长度得不到充分利用，长度对时间差的影响将渐小，故时间差趋于稳定。

&"结语!"在雷电冲击电流幅值和土壤电阻率一定时，水平接地体的冲击电阻随着接地体的长度增加而减小，趋势渐渐平缓，直至平稳；冲击电流与电压峰值的相位差随长度的增加而增加，趋势渐渐平缓，直至稳定。

#"当雷电冲击电流和接地体的长度不变时，接地体的冲击电阻和土壤电阻率成正比，冲击电流与电压峰值的相位差与土壤电阻率成反比。

$"用!"#$%&"#进行水平接地体的冲击特性仿真，得到的结论和理论值基本吻合。

参考文献：［’］(解广润)电力系统接地技术［&］)北京：水利水电出版社，’**’)［+］(徐政)免费使用的电磁暂态分析程序!"#$%&"#程序介绍［,］)电网技术，’***，+-（.）：/0$/1［-］(234356768#，29:9;98)<:=>?@3=>A !:35B;6;C9D=43@>D9@E@9F:A6:?%&8，3:A %&<［,］)<%%%G9HIF=)!I$I56J3=)#94>@，’**-（/）：’*$+0［0］(夏长征)伸长接地体冲击特性的研究［2］)武汉：武汉大学，+KK+)［1］(曾永林)接地技术［&］)北京：水利电力出版社，’*.*)%&’&!($)*+,-.)/0-0.12345’&6)!(!$/&(-’/-$’*+7*(-8*0/!59(*40:-0.;5&$/(*:&L%M36D>:?(N<O PF:（G955>?>9D %5>J=@6J353:A %5>J=@9:6J %:?)，MOC"，QFR3:0-KK.0，GR6:3）(<#’/(!$/："9;=FAB =R>56?R=:6:?6HIF5;>JR3@3J=>@6;=6J;9D ?@9F:A6:?>5>J=@9A>，=R>R9@6S9:=35>3@=R$=>@H6:3=69:>5>J=@9A>’;6HIF5;>JR3@3J=>@6;=6J;F:A>@6HIF5;>JF@@>:=6;3:35BS>A 7B F;>9D !"#$%&"#H>=R9A)"R>@>53=69:;R6I;=R3==R>6HIF5;>JR3@$3J=>@6;=6J @>53=>;=9=R>?>9H>=@B A6H>:;69:9D ?@9F:A6:?>5>J=@9A>3:A =R>;965@>;6;=6T6=B 3@>?6T>:9F=)"R>;6HF53=69:@>;F5=;;R94：=@3:;6>:=?@9F:A6:?@>;6;=3:J>（"EU ）46556:J@>3;>4R>:=R>A6H>:;69:9D ?@9F:A6:?>5>J=@9A>;6:J@>3;>，7F==R>=>:A>:JB 7>J9H>;?@3AF35，3:A =R>"EU 46557>J9H>3J9:;=3:=4R>:=R>5>:?=R 9D =R>>5>J=@9A>;6:J@>3;>=93J>@=36:T35F>)"R>"EU 6;56:>3@5B I@9I9@=69:35=9=R>T35F>9D =R>;965@>;6;=6T6=B)C6HF53=69:@>;F5=;;R94=R3=6HIF5;>;?@9F:A6:?@>;6;=>:J>A>J@>3;>;46=R =R>6:J@>3;>9D ?>9H>=@B A6H>:;69:9D >5>J=@9A>3:A =R>A>J@>3;>9D ;965@>;6;=6T6=B)=&>?*(:’：?@9F:A6:?；6HIF5;>?@9F:A6:?@>;6;=3:J>；!"#$%&"#；=6H>A6DD>@>:J>·’1·第+1卷第’期叶海峰等：水平接地体的雷电冲击特性研究((((万方数据水平接地体的雷电冲击特性研究作者：叶海峰， 刘浔， YE Haifeng， LIU Xun作者单位：华中科技大学,电气与电子工程学院,湖北,武汉,430074刊名：水电能源科学英文刊名：WATER RESOURCES AND POWER年，卷(期)：2007，25(1)引用次数：3次参考文献(5条)1.解广润电力系统接地技术 19912.徐政免费使用的电磁暂态分析程序--ATP-EMTP程序介绍[期刊论文]-电网技术 1999(7)3.Dawalibi F P.Donoso F Integrated Analysis Software for Grounding EMF,and EMI 1993(6)4.夏长征伸长接地体冲击特性的研究[学位论文] 20025.曾永林接地技术 1979相似文献(10条)1.期刊论文叶海峰.刘浔.Ye Haifeng.Liu Xun基于ATP-EMTP的水平接地电极的冲击特性研究-电工技术2006(11)为了研究雷电流经接地极时的冲击特性,采用电磁暂态计算程序(ATP-EMTP)仿真的方法对水平接地体在脉冲电流下的冲击特性进行分析,得出接地电极的几何尺寸和土壤电阻率对冲击接地特性产生的影响.仿真结果表明:冲击接地电阻的大小随着接地体的尺寸的增加而增大,但增长的趋势渐缓,到一定长度时趋于稳定,冲击接地电阻大小与土壤电阻率成正比.2.期刊论文范冕.李建明.戴玉松.张振军.王乃会电力系统冲击接地电阻测量的新方法-四川电力技术2007,30(6)指出了电力系统接地网中冲击接地电阻对电力系统接地安全的重要影响,并提出了一种接地测量的新方法.其原理是利用冲击电流注入地网并作为测量用电流,应用频谱分解法计算接地参数.本方法能计算出直流电阻及相应冲击阻抗、频域阻抗特性.通过实验室试验和现场试验,证明该方法可以应用到工程中,具有实际工程意义.3.期刊论文彭飞.Peng Fei防雷接地中的冲击接地电阻-电气技术2009(10)本文以人工垂直接地极为例,根据计算结果模拟出影响冲击接地电阻的各类因素与冲击接地电阻的关系,从而更好地认识冲击接地电阻.并对两个有效长度的计算公式进行比较,提出规范中和实际工作中存在的出入,更好地指导防雷检测和防雷接地工作.4.期刊论文徐华.文习山.黄玲.XU Hua.WEN Xishan.HUANG Ling关于冲击接地电阻测量的探讨-高电压技术2006,32(8)工频接地阻抗测量的常用方法是IEEE推荐使用的电位降法,基于此,国内的实际操作中,测量方法大致采用远离法和补偿法.但冲击接地阻抗的测量国内外还没有比较成熟的理论.为此,通过数学模型建立目标函数,利用最优化方法-变度量法较精确地求出双指数函数中的参数;借助于傅氏级数把双指数函数转化为很多正弦函数的和.转化结果表明,冲击电流与工频电流类似,冲击接地电阻可按类似工频接地阻抗测量的方法测量;冲击电流下电压和电流引线间的互感比工频电流下大很多,冲击电阻测量时不能忽略引线间的互感.5.学位论文范冕输电杆塔接地电阻的冲击测量系统的研制2008随着大容量、远距离输电的超高压、特高压电网的相继出现，电力系统中接地短路电流越来越大，这无疑对电力系统的接地提出了更高和更新的要求。