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491电力行业接地系统土壤电阻率、接地阻抗和地表电位测量技术导则1范围本标准规定了电力接地系统土壤电阻率、工频接地阻抗、地表电位、跨步电位差、接触电位差、转移电位差、电流分流、电气完整性和冲击接地阻抗测试的一般原则、内容、方法。本标准适用于变电站、输配电线路、发电厂、换流站、风力发电系统的升压站和风力发电机、光伏电站、储能电站、电气化铁路牵引变电站等接地系统设计勘察、交接验收试验,已运行接地系统的状况评估和预防性(例行)试验。其他行业接地系统可参照执行。2规范性引用文件下列文件对本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T50065-2011交流电气装置的接地设计规范DL/T475-2017接地装置特性参数测量导则DL/T5224-2014高压直流输电大地返回系统设计技术规范3术语和定义下列术语和定义适用于本标准。(大地)电阻率soil(earth)resistivity单位立方体土壤相对两面间所呈现的电阻,其单位用欧姆·米(Ω·m)表示。,其单位用欧姆·米(Ω·m)表示。,可进行一电路(系统)到另一电路(系统)功率或信号转换的效应。,以欧姆(Ω)表示。—2012等电位线equipotentiallineorcontour在给定时间内所有等电位点的轨迹。、装置或设备的给定点与局部地之间做电连接。(引下)线groundingconductor电力设备应接地的部位与地下接地极之间的金属导体。,具有接地功能的金属导体。。,供发电厂、变电站使用的,兼有泄流和均压作用的水平网状接地电极,其是接地电极的一种特殊形式。。注:这些接地装置往往大小不一,小的可能仅包括几个接地棒,大的可能设有许多的接地棒或接地井、直埋导线和外部接地端子。外部接地端子包括架空屏蔽线、接地线、中性线、地下电缆屏蔽层、中性点、(架空线防雷保护用)接地极、接地网联络线、金属管及其他提供额外的远方大地连接通道的接地端子。。数值上为接地装置与远方电位零点间的电位差,与通过该接地装置流入地中的电流的比值。注:输配电线路杆塔等小型接地装置的接地阻抗主要由电阻构成,与之不同的是,大型接地系统,尤其在低土壤电阻率区域,接地阻抗中的电抗分量较大。为避免混淆,本导则用“电阻”。。DL/TXXXXX—2013注:冲击接地阻抗为同一时刻的电压与电流值之比,为暂态量。工程中常用冲击接地电阻,即接地极上对地电压的峰值与电流的峰值之比来表征接地装置冲击特性。为工程测量使用方便,本导则冲击接地阻抗无特殊说明处,均为接地装置上的冲击电压峰值与冲击电流峰值之比。(GPR)电流经接地装置的接地极流入大地时,接地装置与参考地之间的电位差。,被试接地装置所在的场区地表面形成的电位梯度分布。。,。,地面与接地结构(如设备外壳、架构或围栏)之间的电位差。。:(1)估算接地系统的接地阻抗。(2)估算电位梯度,包括跨步电位差和接触电位差。(3)计算相邻近的电力线路和通信线路间的耦合效应。(4)设计阴极保护系统。(5)设计输电线路与管道之间的解耦措施。:(1)验证新建接地系统能否满足设计要求。(2)发现现有接地系统中的变化。(3)复查现有变电站的跨步电位差和接触电位差是否安全。(4)确认新变电站的跨步电位差和接触电位差设计值。(5)确定地电位升(GPR),用于电力线路和通讯线路的保护设计。DL/TXXXXX—,但是对测试数据的分析却可能是多样的,尤其是对于多种土壤电阻率的复杂土壤分析时,情况更是如此。土壤电阻率不仅随土壤的类型变化,且随温度、湿度、含盐量和土壤的紧密程度而变化变化规律见图1。a)加盐b)湿度c)温度土壤电阻率曲线海水地区的土壤电阻率小于1Ω?m,而砂岩地区的土壤电阻率高达109Ω?m。温度自25℃向0℃下降时,土壤电阻率随之缓慢上升。在0℃以下,则迅速上升。而冻土(如冬天的表层土壤)的土壤电阻率可能非常地高。各种土壤和水的电阻率参见附录A。通常土壤有若干层,层与层的土壤电阻率不同。土壤电阻率还存在横向上的变化,但一般是渐变的,在测量地段附近可不考虑土壤电阻率的横向变化。在大多数情况下,土壤电阻率主要是深度的函数。一般函数比较复杂,为便于分析测试数据,可先建立一个能给出最优近似值的简单等价函数。对于电力线路和通信线路接地系统的设计,两个水平层的土壤构造或指数函数的土壤构造可以取得较好的近似效果。接地装置的地表电位梯度主要是上层土壤电阻率的函数,接地电阻主要是深层土壤电阻率的函数,深层土壤电阻率是指深度大致为水平接地极直径或十倍于垂直接地极深度的土壤电阻率。为此,在对站址土壤电阻率进行测试时,测试深度应不低于拟建接地装置最大对角线。当布线空间路径有限时,可酌情减少,但至少应达到最大对角线的三分之二。极间距离的取值可为5、10、15、20、30、40m、……,以获取更为详细的土壤数据用以分析土壤构造。—,通常要进行地质勘探,以获取有关土壤特性和构造的数据。地质资料法是通过获取地质勘探资料来分析判断土壤电阻率。土壤试样法是通过钻探得到地下不同深度的土壤试样,在实验室中进行试样分析,得到随深度变化的土壤电阻率分布情况。一般是用已知尺寸的土壤试样相对两面间所测得的电阻值来确定土壤电阻率,但土壤试样和测试电极的接触电阻会带来一定的误差。对试样进行电阻率测量来得到土壤电阻率近似值是有困难的,且在某种情况下是无法做到的。一是难于获取有代表性的土壤试样;二是难以在试验环境下模拟原有土壤的紧密性和水分含量。,其原理是测量埋入地中试验电极的接地电阻,利用接地电阻的计算公式反推出土壤电阻率。深度变换法需逐步增加试验电极的埋深并测量接地电阻,其目的是促使更多的测试电流流过深层土壤。所测的电阻值将反映各个埋深的视在土壤电阻率。宜使用接地棒作为试验电极,因为它有以下两项重要的优点:(1)准确计算接地棒的理论接地电阻值是比较容易的,因而分析测试结果也较为容易。(2)将接地棒打入土壤时可以了解接地棒安装时能够打入多深。测试时应注意,接地棒在打入过程中由于振动而导致沿长度方向与土壤接触不良,折算后与真实视在电阻率之间存在偏差。深度变换法能测量到试验电极邻近地区(相当于该试验电极长度的5~10倍)的土壤特性。,可完成上述测量。为使所测得的接地电阻值尽可能准确,宜采用电位降法测量。对于大面积的测试地区,可设置多个电极测点,以获知土壤电阻率的横向变化。由于在一些土壤中无法打入很长的接地棒,如要测量大体积的土壤(面积大、深度也大),应采用四极法。,最准确的方法是四极法,它是欧姆定律的现场应用。测量时,在被测土壤中插入四个辅助电极并保持在一条直线上,埋入深度均为b。使测试电流I流入外侧的两电极,外电极产生的电流场在内电极上产生电位差V,可用电位差计或高阻电压表测量。V/I即为电阻R。四极法的两种型式:(1)等距法或温纳(Wenner)法采用此种方法时,电极按图2(a)所示,等距布置。设a为相邻两电极的间距,则以a、b表示的视在电阻率ρ为:(1)式中:ρ——视在土壤电阻率;R——所测电阻;DL/TXXXXX—2016a——电极间距;b——电极深度。理论上,电极应当为半径为b的点接触型电极或半球型电极。然而实际上,四个电极通常置于间距为a的直线上,。因而可假定b=0,则公式简化为:(2)通过公式得出深度为a的视在土壤电阻率近似值。在不同的电极间距下得出的一组视在土壤电阻率数据,以这些数据与间距的关系绘成曲线,即可判断该地区是否存在多种土壤层或是否有岩石层,并得出各层土壤的电阻率和深度(见图3)(a)等间距法(b)不等间距法四极法(2)非等距法或施伦贝格-巴莫(Schlumberger-Palmer)法温纳法的一个缺点是当电极间距较大时,内侧两个电极的电位差迅速下降,给测试带来困难。温纳法的另一个缺点是在每一个待测深度上都需要重新布置四个电极。为了测量大间距电流极之间的土壤电阻率或提高测量速率,可采用图2(b)的布置方式。在测试过程中,内侧的电极间距变小,外侧的电极间距变大。只需要改变外侧电极的位置即可。与温纳法相比,测量不同深度土壤电阻率时,非等距法的速度更快。如果电极的埋地深度b与其间距d和c相比很小,且c>2d时,则所测视在土壤电阻率可按下式计算:ρ=πc(c+d)R/d(3)按照公式(3)计算的电阻率是近似深度(2c+d)/2处的视在电阻率,(2c+d)/2是从测试电极的中心处到外侧电流极的距离,见图2(b)。DL/TXXXXX—(MT)法该方法是建立在大地电磁感应原理基础上的电磁测量方法,利用趋肤效应原理,将趋表深度视为勘探深度,通过改变频率,可获取不同勘探深度及其实在电阻率。MT法可探测地下数百米到数百公里深度范围内的电性变化,对研究大地深部电性分层是一种十分有效的方法,其具体勘探方法可参照DL/T5224-。。由于土壤构造的不均匀性,土壤电阻率的变化大且规律复杂。应对土壤构造建立一个简单的等效模型。模型的建立取决于:(1)测量的准确性和范围;(2)测量方法;(3)数学运算的复杂性;(4)测量的目的。多数情况下两层等效模型可以满足电力工程要求,不需要大量的数学运算。也可借助计算机的解决方案,有效地估算各种测量技术下的多层土壤模型。,分析地质勘探所提供的图表资料。根据简单的土壤类型分类建立精确的土壤模型是很困难的,这些分类只用于对各类土壤的电阻率进行粗略估计。,测试其接地电阻。利用均匀土壤中接地棒接地电阻的简化计算公式,推导出接地棒埋入深度的视在土壤电阻率并绘成曲线,可通过查对视在土壤电阻率曲线解释测试数据,确定土壤参数。典型分析实例参见附录B。当使用数值分析方法确定土壤参数时,可以采用基于分层土壤模型的更精确的公式(见附录C),代替假设土壤电阻率均匀的简化公式。用简单的计算机程序或用试探法,得到与所测接地棒接地电阻值相吻合的土壤模型数据(见附录D)。用深度变化法无法测得距试验电极较远区域(距离大于试验电极地下部分长度的5~10倍)的土壤电阻率。对于大面积的测试区域,可分块测试以掌握土壤电阻率的横向变化情况。DL/TXXXXX—。从曲线上不易确定各层土壤的厚度,可使用经验方法确定土壤层厚度。(1)吉什-龙尼(TheGishandRooney)法:该法通过土壤电阻率曲线形状的变化判断,在曲线曲率转折或变化时,与电极间距相等的深度处,开始出现另一层土壤。(2)兰开斯特-琼斯(TheLancaster-Jones)法:在曲线出现曲率转折点时,即是下一层土壤,其深度为所对应电极间距的2/3处。(3)佐迪(Zohdy)指出,有五条规律适用于所测的视在土壤电阻率与电极间距a的关系曲线:a)计算的视在电阻率总是正的。b)像实际电阻率随深度增加或减小一样,视在电阻率会随着电极间距增大或减小。c)视在电阻率发生最大变化时的电极间距要大于实际电阻率发生相应变化时的深度。因此,视在电阻率的变化总是绘制在实际电阻率变化相对应的电极间距的右侧。d)视在电阻率与试验电极间距的曲线幅度总是小于或等于实际电阻率与深度的曲线幅度。e)在多层模型中,厚土层的实际电阻率变化会产生视在电阻率曲线出现类似的变化。应注意曲线中的试验电极间距并非对应于电阻率发生变化的实际深度,并且视在电阻率的大小与实际电阻率的大小也有差异。也可以采用特定的土壤模型,如假定土壤是同质的、分层的或按指数变化的。对于每一种土壤模型,其视在土壤电阻率与各土壤参数之间的数学关系需是已知的或是易于计算的。应根据测量目的选取最佳模型,通常用两层土壤模型能得到较好的结果。附录C和附录D中的方法可用来确定符合均匀或两层土壤模型的土壤参数。也可以使用通过仿真软件确定分层土壤模型,具体方法与应用实例见附录E。(MT)法MT法可探测地下数百米到数百公里深度范围内的电性变化,对研究大地深部电性分层是一种十分有效的方法,其对现场测试数据的分析方法可参照四极法进行。 概述接地阻抗测量是接地装置最常见的试验,其测量数据可以用于快速估算接地装置的电位升。对于变电站接地网,其设计主要围绕控制接地网内地表电位梯度在安全限值以内开展并保障人员和设备安全。对于输电线路和配电线路杆塔,接地装置设计和安装的目的是将其相对于远方大地的接地阻抗限制在特定范围内,以便获得更好的防雷效果。无论哪种情况,接地网或接地电极的接地阻抗测量都是接地系统设计和分析应用中的重要组成部分。接地装置的阻抗在很大程度上取决于其周围土壤的电阻率,接地装置埋地接地导体的延伸范围及形状。DL/TXXXXX—201