葉青峰，肖擁東，劉瑞芳，李 洋，徐 杰

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司亳州供電公司，安徽 亳州 236000；2.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002）

0 引言

接地線裝置是電力檢修過(guò)程中確保工作人員安全的重要設(shè)備之一。接地線裝置把電網(wǎng)檢修部分與同大地等電位的接地體可靠連接起來(lái)[1]，可防止錯(cuò)誤上電對(duì)檢修人員的傷害。接地線裝置中接地線與導(dǎo)線之間的接觸電阻值的大小直觀反映接地線裝置的工作狀況，接地線裝置中接地線與導(dǎo)線之間是否可靠接觸影響其接地保護(hù)的可靠性[2]。若接地線與導(dǎo)線之間接觸電阻值過(guò)大，錯(cuò)誤上電時(shí)導(dǎo)線電流不能快速流入大地，檢修導(dǎo)線對(duì)地電位超過(guò)人體承受范圍，將對(duì)人體造成傷害。

接地線裝置通常由接地體、接地導(dǎo)引線、接地結(jié)構(gòu)件和擬接地導(dǎo)線組成。接地結(jié)構(gòu)件中的夾緊模塊適度夾緊擬接地導(dǎo)線，使接地線裝置中接地體與導(dǎo)線之間的接觸電阻值在允許范圍內(nèi)，從而保證擬接地導(dǎo)線可靠接地。若接觸電阻值較大，損耗增加，裝置可能過(guò)熱甚至燒毀[3]。因此接地線裝置在投入使用前和使用過(guò)程中，對(duì)接觸電阻的測(cè)試和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)很有必要。

接觸電阻的傳統(tǒng)分析方法一般忽略電感與電容效應(yīng)，基于歐姆定律建立直流接觸電阻模型。文獻(xiàn)[4]針對(duì)母排接觸所形成的接觸電阻提出一種實(shí)時(shí)測(cè)量方法，通過(guò)采集母排連接處的電壓差和流過(guò)連接處的電流，根據(jù)歐姆定律得到接觸電阻。文獻(xiàn)[5]采用脈沖大電流測(cè)量觸點(diǎn)的接觸電阻，得到較大的接觸壓降，并降低了電流引起的溫升對(duì)接觸面的影響，實(shí)現(xiàn)了接觸電阻的精準(zhǔn)測(cè)量。由于文獻(xiàn)[5]只考慮電阻，測(cè)體必須是無(wú)感性和無(wú)容性的純電阻性元件。文獻(xiàn)[6]從影響接觸電阻的因素和接觸電阻的微觀模型出發(fā)，介紹了最新的接觸電阻模型和理論計(jì)算公式，提出在多點(diǎn)接觸和頻率提高的情況下，僅用接觸電阻這一個(gè)參數(shù)不能很好地描述電接觸模型，需要研究電接觸的阻抗模型。文獻(xiàn)[7]針對(duì)粗糙導(dǎo)體表面的電接觸問(wèn)題，建立粗糙表面的幾何模型來(lái)研究?jī)纱植趯?dǎo)體接觸面的接觸電阻和外加電壓時(shí)粗糙面的電勢(shì)分布，得出接觸應(yīng)力與接觸電特性的關(guān)系，但該研究也只是局限于接觸面的接觸電阻，并未提出其他的電特性。

電力導(dǎo)線傳輸含有高頻諧波的交流電，因此直接采用直流接觸電阻模型來(lái)研究接地線裝置中的接觸阻抗并不恰當(dāng)。本文建立考慮電容效應(yīng)的接地線裝置接觸阻抗模型，采用注入諧振法實(shí)時(shí)檢測(cè)接地線裝置接觸阻抗，并控制其在允許范圍內(nèi)。

1 接地線裝置接觸阻抗分析

圖1為接地線裝置掛接擬接地導(dǎo)線的示意圖。由圖可見(jiàn)，接地線裝置的接觸阻抗包括接地導(dǎo)引線、接地結(jié)構(gòu)件等的體阻抗，以及夾緊模塊與所壓夾導(dǎo)線表面接觸形成的接觸阻抗。接觸阻抗與兩導(dǎo)體交錯(cuò)距離及其電接觸面特性有關(guān)，而交錯(cuò)距離不僅受兩導(dǎo)體間壓力的影響，也會(huì)受導(dǎo)體界面延展形變性能的影響，因此兩導(dǎo)體電接觸面的微觀狀況是影響接觸阻抗的關(guān)鍵因素。

電力行業(yè)實(shí)踐應(yīng)用中，由于交流電源工頻為50 Hz，為便于分析和計(jì)算，可忽略接地感抗和容抗。這種接地線裝置的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯M接地導(dǎo)線與接地線裝置的電接觸形成的阻抗簡(jiǎn)化為純電阻，接地線裝置的接觸阻抗近似為裝置體電阻Rt和接觸面電阻Rj的串聯(lián)，如圖2所示。

2 夾緊模塊和擬接地導(dǎo)線電接觸面分析

實(shí)踐工程中，由于制造工藝、接觸面粗糙度以及結(jié)構(gòu)件表面膜層的存在，接地結(jié)構(gòu)件中的夾緊模塊和擬接地導(dǎo)線之間并不是整面接觸，其表面接觸顯微圖如圖3所示，圖中d為兩接觸面參考平面的距離，r1和r2分別為兩接觸表面的頂峰高度。由圖可見(jiàn)，夾緊模塊和擬接地導(dǎo)線間的接觸界面凹凸不平。這種凹凸不平的界面導(dǎo)致兩個(gè)導(dǎo)體之間的實(shí)際電接觸面積變小，即接觸不是整面接觸，而是兩個(gè)導(dǎo)體表面的微凸體之間的接觸[8?10]。

圖3 夾緊模塊和擬接地導(dǎo)線的表面接觸顯微圖

兩個(gè)導(dǎo)體之間的實(shí)際電接觸方式有兩種：一種是夾緊模塊金屬與擬接地導(dǎo)線金屬之間的直接接觸，電流通過(guò)這部分接觸面時(shí)，電流線收縮形成直接接觸電阻，也稱(chēng)為收縮電阻；另一種是兩導(dǎo)體通過(guò)導(dǎo)體表面的具有一定導(dǎo)電性的污穢薄膜進(jìn)行接觸，這種經(jīng)污穢薄膜進(jìn)行的間接電接觸會(huì)形成間接接觸阻抗，其中由于薄膜而形成的電阻和電容分別稱(chēng)為膜層電阻和膜層電容。因此，電接觸面存在收縮電阻和膜層電阻以及電感和電容，即電接觸面存在復(fù)合阻抗。

在交流電力系統(tǒng)電路中，不僅直接接觸電阻起作用，同時(shí)間接接觸甚至非接觸形成的阻抗也會(huì)起作用，尤其是間接接觸或不接觸產(chǎn)生的電容效應(yīng)對(duì)電路參數(shù)的影響隨電源頻率增大而增大。當(dāng)擬接地導(dǎo)線帶電經(jīng)接地線裝置形成回路時(shí)，間接接觸阻抗中的容抗和感抗等電氣參數(shù)會(huì)影響接地線的接地狀態(tài)，因而接地線裝置的接觸阻抗需要考慮包括直接接觸電阻和間接接觸阻抗在內(nèi)的阻抗參數(shù)[11]。

基于兩緊密電接觸導(dǎo)體相關(guān)理論，分析兩導(dǎo)體緊密接觸的微觀界面的阻抗。兩導(dǎo)體之間的直接電接觸形成的等效電阻為Rzi，電流的收縮等現(xiàn)象使電流路徑延長(zhǎng)，產(chǎn)生電感效應(yīng)，形成電感Lzi；經(jīng)污穢薄膜間接接觸會(huì)形成膜層電阻Rmi和膜層電容Cmi；其他的非直接接觸面即接觸面空隙則會(huì)形成接觸電容Cni。按照上述方法建立的夾緊模塊與擬接地導(dǎo)線電接觸面阻抗等效模型如圖4所示。

圖4 夾緊模塊與擬接地導(dǎo)線電接觸面阻抗等效模型

3 接地線裝置阻抗模型及參數(shù)計(jì)算

根據(jù)圖4所示的夾緊模塊與擬接地導(dǎo)線電接觸面阻抗等效模型，可知總的等效接觸阻抗為每個(gè)接觸點(diǎn)和空隙形成的等效阻抗的并聯(lián)。對(duì)每個(gè)接觸點(diǎn)i（i=1，2，…，N），Rzi和Rmi串聯(lián)構(gòu)成接觸點(diǎn)i的等效電阻，再與Lzi串聯(lián)，形成RL串聯(lián)等效支路；RL支路并聯(lián)膜層電容Cmi和空隙電容Cni，即為每個(gè)接觸點(diǎn)和鄰近空隙的等效阻抗。所有接觸點(diǎn)等效阻抗并聯(lián)構(gòu)成接觸面的總等效阻抗。所有的膜層電容Cmi和空隙電容Cni并聯(lián)等效成總的等效電容C。接觸面的總等效阻抗由總的等效接觸面電阻Rj與等效電感Lz串聯(lián)，再并聯(lián)總的等效電容C。當(dāng)每一個(gè)接觸點(diǎn)的等效電感Lzi很小時(shí)，可認(rèn)為總的等效接觸面電阻Rj為各接觸點(diǎn)等效并聯(lián)電阻。接地線裝置等效接觸阻抗為接地線裝置體電阻Rt與上述電接觸面等效阻抗的串聯(lián)，如圖5所示。

圖5 接地線裝置等效接觸阻抗模型

依據(jù)有關(guān)電路定律，有：

式中：Gj為Rj對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)；Rzi和Rmi分別為接觸點(diǎn)i的接觸電阻和膜層電阻。

實(shí)際電接觸形成的等效總電阻Rz為：

式中：ρ為接觸材料電阻率；N和r分別為接觸面處接觸點(diǎn)的總數(shù)目和平均半徑。

膜層等效總電阻Rm為：

式中：σ為膜層隧道電阻率；Ar為金屬?膜層?金屬接觸區(qū)域的總面積。

并聯(lián)總電容C計(jì)算如下：

式中：Cmi和Cni分別為接觸點(diǎn)i的膜層電容和鄰近空隙的空隙電容。

忽略邊緣效應(yīng)，兩導(dǎo)體經(jīng)污穢薄膜接觸形成的等效電容與非接觸空隙等效電容可以參考平板電容的計(jì)算方法：

式中：εf和ε0分別為膜層介電常數(shù)和空氣介電常數(shù)；An為非接觸面積；s為界面間膜層的平均厚度；D為兩接觸面空隙的平均距離。

根據(jù)圖3，基于統(tǒng)計(jì)特性對(duì)總并聯(lián)電容C進(jìn)行分析計(jì)算。通常情況下接觸面存在按高斯函數(shù)分布的表面粗糙度高度。r1和r2分別為兩接觸表面的頂峰高度，高度?1（r1）和?2（r2）為相互獨(dú)立的概率密度函數(shù)，則：

式中：σr1和σr2為高斯分布函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；mr1和mr2為高斯分布函數(shù)的平均值。

界面形成的微觀峰頂?shù)慕佑|概率函數(shù)為W（x），則有：

式中：d為兩接觸面參考平面的距離。

如果接觸面的接觸視在面積設(shè)為A0，則膜層電阻可由下式計(jì)算得到：

假設(shè)接觸面的膜層均勻，厚度為t，則有：

對(duì)于非接觸電容Cn，其導(dǎo)電介質(zhì)包括膜層和空氣，其計(jì)算公式為：

接地線裝置總等效接觸阻抗為：

供電導(dǎo)線長(zhǎng)期暴露于空氣中，導(dǎo)體表面會(huì)被氧化，因此兩導(dǎo)體面接觸電阻主要為膜層電阻，收縮電阻可忽略不計(jì)。同時(shí)，兩導(dǎo)體面接觸點(diǎn)為多點(diǎn)并聯(lián)，電接觸連接的長(zhǎng)度有限，觸點(diǎn)路徑相對(duì)于大回路而言可以忽略，從而極大削弱了電感效應(yīng)，可忽略電感。基于上述考慮，對(duì)模型進(jìn)一步修正。修正后的模型如圖6所示。

圖6 接地線裝置等效接觸阻抗修正模型

接地線裝置總等效接觸阻抗可簡(jiǎn)化計(jì)算如下：

將某平口式接地線裝置掛接在長(zhǎng)期暴露于室外環(huán)境的導(dǎo)線上，采用LCR測(cè)試儀測(cè)試接觸阻抗，驗(yàn)證所提模型。多次測(cè)量后取平均值，得出電阻值為50.03 mΩ，電容值為8.96×10?11F，驗(yàn)證了所提接地線裝置的RC并聯(lián)接觸阻抗模型的合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于接地線裝置中夾緊模塊與擬接地導(dǎo)線兩個(gè)導(dǎo)體的接觸面微觀狀態(tài)電參數(shù)，分析接地線裝置電接觸面總阻抗，從而建立含有電阻、電容、電感的等效電路模型。根據(jù)實(shí)際需求和各參數(shù)權(quán)重，進(jìn)行簡(jiǎn)化修正，得到接地線裝置的RC接觸阻抗模型，并從統(tǒng)計(jì)特性的角度推導(dǎo)出RC接觸阻抗模型中各阻抗分量的計(jì)算公式。