一种针对石墨复合接地材料的冲击散流试验系统的制作方法

本发明属于电力系统防雷接地技术领域，尤其涉及一种针对石墨复合接地材料的冲击散流试验系统。

背景技术：

随着电网的发展，电力设施建设正逐年增加，我国幅员辽阔，尤其是近年来特高压电网的建设，高电压远距离输电线路跨区域越来越广。以南方地区居多的境内分布有多个落雷密集型区域，多次雷击事故给输电线路的安全可靠运行带来极大威胁。由于金属接地体在散流过程中存在严重的趋肤效应和电感效应，导致金属接地体的材料利用率和散流有效长度大为降低，这也是目前存在的一个技术难点。

电力系统接地装置的接地电阻值是评估接地效果的主要参数，特别是输电线路杆塔接地装置的接地电阻直接影响到线路的防雷效果，尤其是对输电线路的耐雷水平影响较大。如何在保证良好的经济效益同时，使土壤电阻率较高地区的输电线路杆塔接地电阻达到规程要成为电力系统亟待解决的问题。

近年来，随着电力系统接地技术的发展，在接地体材料改进、接地网结构设计、接地网防腐、降阻剂降阻等方面取得了较大的进步，但是对于新型接地材料的试验、接地网的结构设计验证等等仍然面临着诸多困难。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种针对接地材料的冲击散流试验系统，采用本发明可以针对石墨等新型复合接地材料做雷电流冲击接地试验、工频散流试验和小/大幅值冲击散流试验，满足电网对于接地的各方面的要求。本发明针对目前大部分接地试验采用模拟和等效小模型方法的不足，本试验系统实现了在真实尺寸下的雷电流冲击接地试验、工频散流试验和小/大幅值冲击散流试验，以保证试验得出的结论可以极大的可靠性来满足实际工程的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种针对石墨复合接地材料的冲击散流试验系统，包括圆形环流极、外接地网、接地体、试验电路，其特征在于：所述的圆形环流极是试验的场地，其直径为40米；第一接地槽埋深置于圆形环流极中，其中第一接地槽为长度为12m，深度为1m，宽度为2m的长方形接地槽；第一接地槽的细沙土为30目；待第一接地槽沙土完全沉淀后，第一接地槽内重新挖掘长度为10.5m，深度为0.7m，宽度为0.6m的长方形接地槽形成第二接地槽，第二接地槽中敷设接地体；所述的接地体由石墨复合接地网组成或由镀锌圆钢和石墨复合接地材料组成；由由石墨复合接地网组成时，石墨复合接地材料直径为28mm；石墨复合接地网的方框宽度为5m，石墨复合接地网方框外沿射线长度4m；由镀锌圆钢和石墨复合接地材料组成时，镀锌圆钢和石墨复合接地材料长度均为10.5m，镀锌圆钢直径为12mm；石墨复合接地材料直径为28mm；镀锌圆钢和石墨复合接地材料埋于第二接地槽内，埋深均为0.7m，两者间隔0.6m。

根据如上所述的针对石墨复合接地材料的冲击散流试验系统，其特征在于：所述的第一接地槽沙土的实测电阻率为1200ω·m。

根据如上所述的针对石墨复合接地材料的冲击散流试验系统，其特征在于：还包括雷电流冲击接地试验电路，其中石墨复合接地网与圆形环流极直接连接，电流互感器的一次侧电路串在石墨复合接地网与圆形环流极的线路中；石墨复合接地网串接冲击电流发生器、球隙、调波电阻、调波电感后与石墨复合接地网连接，分压器并联在石墨复合接地网与外接地网之间，分压器中间连接示波器，电流互感器的二次侧连接在示波器上；所述的球隙、调波电阻、调波电感用于对雷电流大小进行调节，示波器用于分别测量雷电流下的电压和电流。

根据如上所述的针对石墨复合接地材料的冲击散流试验系统，其特征在于：还包括工频散流试验电路，其中调压器的接地端与外接地网和圆形环流极连接，调压器的调节端串联电流表后与接地引下线连接，电压表并联在调压器的两侧，调压器两侧与隔离变压器连接。

根据如上所述的针对石墨复合接地材料的冲击散流试验系统，其特征在于：还包括小/大幅值冲击散流试验节点电路，其中小/大幅值冲击电流发生器一端接外接地网，另一端接接地引下线，石墨复合接地网与环流极直接连接，电流互感器的一次侧电路串在外接地网与环流极的线路中；分压器与小/大幅值冲击电流发生器并联，示波器分别与分压器和电流互感器的二次侧连接。

根据如上所述的针对石墨复合接地材料的冲击散流试验系统，其特征在于：所述的试验电路包括电源装置和监测装置，所述的外接地网是与电源装置金属外壳相连接的，监测装置用于监测试验电路电压。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1、接地装置及接地体周围的媒质在雷电流冲击下的响应是短暂而相当复杂的物理过程，仅依靠仿真手段重现这一物理过程难度较大，且对于暂态散流过程的物理模型需要同时考虑电感效应、火花放电效应等散流特性，基于真实尺寸下的试验结果，更能逼近实际效果。

2、在相同的试验环境下，只需要调整不同电源的类型就可以实现不同的三个试验，为试验的实施带来了便利。

3、可以根据不同材料接地体的实验结果，对比不同接地材料的实际散流效果和耐受雷击冲击电压的能力，从而对比分析不同接地材料的接地特性的优劣。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的雷电流冲击接地试验平台；

图3为本发明的工频散流试验平台；

图4为本发明的小/大幅值冲击散流试验平台；

图5为实施例中接地材料的电网尺寸。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的试验系统包括圆形环流极、外接地网、接地体、电源装置和监测装置。圆形环流极是试验的场地（该环流极场地是选取的一块直径为40m的圆形场地，建造方便，环流极内是沉淀的试验用的土壤，可以通过添加水分和混合其他土壤类型来调节环流极场地的土壤电阻率，以致达到不同试验所需的特定土壤电阻率的要求）。第一接地槽按照现场实际布置的埋深置于圆形环流极中，其先挖掘长度为12m，深度为1m，宽度为2m的长方形接地槽。为保证不同接地材料与土壤接触状态一致，选择30目的细沙土进行回填，沙土的实测电阻率约1200ω·m。待第一接地槽沙土完全沉淀后，在第一接地槽内重新挖掘长度为10.5m，深度为0.7m，宽度为0.6m的长方形接地槽，即为第二接地槽。第二接地槽中敷设石墨复合接地体。外接地网是与电源装置金属外壳相连接的，起到保护电源装置可靠接地的作用，电源装置依靠试验功能来选择，如果进行工频接地电阻的测量，则电源装置需设计工频电源，用导线与接地体连在一起，共同构成冲击散流接地试验系统。本发明中电源装置用于试验过程中对接地网提供电源，监测装置由于监测试验过程中流过接地体的电流和电压。

图2为本发明的雷电流冲击接地试验平台。图中的圆形环流极为本试验平台的试验场地，石墨复合接地材料按一定的埋深置于第二接地槽中，其余部分为电源装置，为接地材料提供模拟的雷电流、工频或冲击电流。本发明中，第二接地槽设置在第一接地槽内，且第一接地槽位于圆形环流极中，这样可以确保试验环境一致，提高在不同地方试验的准确性，同时本装置可以基于真实尺寸下的试验结果，使结果逼近实际效果，同时也可以根据不同材料接地体的实验结果，对比不同接地材料的实际散流效果和耐受雷击冲击电压的能力，从而对比分析不同接地材料的接地特性的优劣。下面以石墨复合接地材料为例，通过该雷电流冲击接地试验系统，可以进行雷电流冲击接地试验，可以准确模拟实际运行工况，为接地材料的应用提供有价值的测量数据。

本实施例中雷电流冲击接地试验中接地材料采用φ28mm石墨复合接地体。

本实施例中需要完成的石墨复合接地网尺寸如图5所示，电极型式为方框射线型，几何比例尺为5:1，接地体长度a=5m，l=4m（其中a是石墨复合接地网的方框宽度，l为石墨复合接地网方框外沿射线长度），注流方式为四点接地引下线注流。

如图2所示，本发明的雷电流冲击接地试验电路为石墨复合接地网与环流极直接连接，电流互感器的一次侧电路串在石墨复合接地网与环流极的线路中；石墨复合接地网串接冲击电流发生器、球隙、调波电阻、调波电感后与石墨复合接地网连接，分压器并联在石墨复合接地网与外接地网之间，分压器中间连接示波器，电流互感器的二次侧连接在示波器上。本发明中球隙、调波电阻、调波电感用于对雷电流大小进行调节，示波器用于分别测量雷电流下的电压和电流。

接下来进行工频接地模拟试验，步骤如下：

1.石墨复合接地网按照现场实际布置的埋深置于圆形环流极中，先挖掘长度为12m，深度为1m，宽度为2m的第一接地槽。为保证不同接地材料与土壤接触状态一致，选择30目的细沙土进行回填，沙土的实测电阻率约1200ω·m。待沙土完全沉淀后，重新挖掘长度为10.5m，深度为0.7m，宽度为0.6m的第二接地槽。石墨复合接地网形状如图5。石墨复合接地网的接地材料可以设置在第二接地槽内靠外一侧，但其主体在第二接地槽内（第一接地槽的开挖按照图5设置的形状先挖长度为12m，深度为1m，宽度为2m，然后在第一接地槽内沉淀所需的土壤类型，调节好试验所需的土壤电阻率，然后在第一沟槽的基础上重新挖掘长度为10.5m，深度为0.7m，宽度为0.6m的第二接地槽，其中石墨复合接地网的a+l（a和l是接地体的长度）的长度为9m是小于第二接地槽的总长度10.5m的，而如前所述接地体的直径仅在几十mm远小于接地槽的宽度0.6m，所以是完全可以满足要求的。）

2.按图2所示进行接线，试验时调整好冲击电流发生器的波形参数，保证其输出的雷电流波形为标准的8/20μs雷电流试验波形。试验通过调节充电电压调节冲击电流的幅值（20ka～75ka），并在设备允许情况下尽量增大冲击电流的幅值以模拟自然界真实雷电流入地散流特征。在每一级充电电压试验三次，并保证各次之间的冲击电流波形具有较好的一致性，通过示波器记录下波形。

3.进行数据处理，得到冲击接地电阻值和冲击系数。

接着进行工频散流试验，工频散流试验电路为调压器的接地端与外接地网和圆形环流极连接，调压器的调节端串联电流表后与接地引下线连接，电压表并联在调压器的两侧，调压器两侧与隔离变压器连接。

本发明的工频散流试验的步骤如下：

1.将长度均为10.5m的ф12mm的镀锌圆钢（μr=636，ρ=2×10^-6ω·m）和ф28mm的柔性石墨复合接地材料（μr=1，ρ=3.25×10^-5ω·m），两种接地材料埋于第二接地槽内。埋深均为0.7m，两者间隔0.6m。为减少接地引下线对水平接地体散流结果的影响，接地引下线采用绝缘套管进行绝缘。

2.测量接地体散流时，各取首端、中点和尾端3个测量点，分别距离引下线为0.2m，5.1m和10.1m。由于加载电压较高，采用罗氏线圈测量接地体的电流，以确保试验时实验人员的人身安全。

3.电源采用工频电流，经变压器逐渐升压，以测量足够多的数据，得到散流试验较为接近真实情况的结果。

本发明小/大幅值冲击散流试验节点电路如图4所示，小/大幅值冲击电流发生器一端接外接地网，另一端接接地引下线，石墨复合接地网与环流极直接连接，电流互感器的一次侧电路串在外接地网与环流极的线路中；分压器与小/大幅值冲击电流发生器并联，示波器分别与分压器和电流互感器的二次侧连接。示波器用于分别测量冲击散流试验时的电压和电流，图4中环流极通过电流互感器与外接地网相连接，而图3中环流极直接与隔离变压器的外接地网相连接，有一定的区别。

接着进行小/大幅值冲击散流试验，步骤如下：

1.在上述工频试验的基础上，只需要更改电源即可，其余部分不更改。

2.测量小幅值冲击散流试验时，采用spd-i便携式电涌保护器测试仪（这是一款集组合波发生器和直流高压发生器于一体的便携式多功能电涌保护器(spd)性能参数测试仪器，该测试仪可产生6kv/3ka的1.2/50μs--8/20μs冲击电流，和最大幅值为2kv直流高电压；用于测试防雷元件、电涌保护器在冲击电流作用下的状态，动作电压u1ma和漏电流0.75u1ma，为评定spd特性提供有效测试手段，连接方便，操作简便，在实际工作中充当小型的冲击电流发生器），接至接地引下线处，通过示波器记录试验数据。

3.测量大幅值冲击散流试验时，采用室内冲击电流发生器，经长距离引线，引至户外接地槽，接到接地引下线处，通过示波器记录试验数据。

由于石墨接地体直径无法按照比例尺缩比，因此最后需对接地电阻值进行修正，得到对应情况下的冲击系数。

本发明根据电磁场理论和高电压工程相关的知识，建立了1:1的真实尺寸试验，完整地展现出石墨复合接地材料在雷电流、工频电流和小/大幅值冲击电流下的特性，为试验人员清晰的体现出石墨复合接地材料在接地方面的优势，尤其是应对冲击电流下的优势。试验结果真实且可靠，为使用人员实际应用提供了强大的实验支撑。