基于ATP-EMTP對(duì)新型輸電線路桿塔接地型式的研究

， ， ， 易龍， ， ， ，

(1.國(guó)家電網(wǎng)公司華中分部，武漢 430077； 2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316022； 3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004； 4.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司邵陽(yáng)市隆回縣供電公司，湖南 邵陽(yáng) 422200)

0 引言

隨著我國(guó)雷雨天氣愈發(fā)頻繁，由雷擊引起的事故也日益增多，因此提高線路耐雷水平從而保證電力系統(tǒng)的供電安全穩(wěn)定性變得尤為重要[1-4]。對(duì)提高線路耐雷水平來(lái)說(shuō)，減小接地裝置的接地電阻是一種非常有效的方法[5-8]。因此，研究一種能夠更有效的優(yōu)化接地體沖擊特性的接地裝置，減小接地體的沖擊接地電阻，對(duì)提高輸電線路的供電穩(wěn)定可靠性有著重要意義。

1 接地體物理模型的建立

本文研究的接地體模型是在考慮了接地體火花放電效應(yīng)的基礎(chǔ)上，忽略桿塔參數(shù)對(duì)接地裝置的影響，直接將雷電流作用在接地極上的物理模型。根據(jù)文獻(xiàn)[7]的研究結(jié)論，可以得到：

(1)

(2)

土壤臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)；Ec=241ρ0.215

(3)

在該的模型當(dāng)中，將接地體進(jìn)行n等分。其中，Ji為第i段導(dǎo)體上的電流密度；ΔIi為第i段導(dǎo)體入地電流大??；ρ為土壤電阻率；Δl代表n等分中的每段導(dǎo)體的長(zhǎng)度；ri表示第i段接地體的等效半徑。

1.1 雷電流參數(shù)的設(shè)定

對(duì)于脈沖形式的雷電流來(lái)說(shuō)，需要用幅值、波長(zhǎng)以及波頭來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述[9]。根據(jù)我國(guó)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，40 kA-80 kA之間的雷電流幅值所占比率最大，將近35%左右。而80 kA-108 kA之間的發(fā)生概率是在12%左右[10-11]。本文采用的模型是假設(shè)已經(jīng)經(jīng)過(guò)桿塔和輸電線路的分流作用之后，把沖擊電流注入接地點(diǎn)處的位置作為起始點(diǎn)，采用波形為8/50 μs、電流幅值為10 kA的雷電流用于防雷保護(hù)的計(jì)算。

1.2 沖擊電流作用下的接地體等效模型建立

在考慮火花效應(yīng)前提下，以電磁場(chǎng)理論為依據(jù)，采用桿塔接地體等效模型進(jìn)行仿真分析。其原理是首先將接地體n等分，運(yùn)用線性差分電路模型將接地體分割成n個(gè)單元等效電路。而其中的任意一個(gè)等效電路再按照有損長(zhǎng)線處理，就把基本單元轉(zhuǎn)變成π型等值電路。該電路是由各個(gè)分支上所產(chǎn)生的自電阻R、對(duì)地的泄漏電導(dǎo)G、自感L以及對(duì)地電容C這四個(gè)主要參數(shù)來(lái)進(jìn)行描述?；締卧刃щ娐啡鐖D1所示。

圖1 基本單元π型等效電路Fig.1 The basic unit of π type equivalent circuit

由于雷電流的大小是隨著時(shí)間不斷變化的，接地體火花放電的程度大小與雷電大小流密切相關(guān)，該模型中與接地體等效半徑有關(guān)的電氣參數(shù)同樣也是變化的。由于接地體表面是垂直與接地體中入地電流的方向，因此電流交鏈的磁鏈一般來(lái)說(shuō)是不變的[12-13]。所以接地極當(dāng)中的自阻抗和互阻抗可以近似當(dāng)作不變的，由文獻(xiàn)[7]可設(shè)每米接地體的電阻為0.05 Ω[7]，接地體中的對(duì)地電導(dǎo)G與對(duì)地電容C是隨時(shí)間變化的。

當(dāng)雷電流注入接地極時(shí)，如果是低頻電流，就需要考慮對(duì)地導(dǎo)納、對(duì)地電容，自電感以及輸入阻抗作用；如果是高頻或者暫態(tài)電流，由于電流是沿著接地體發(fā)生不均勻散流，并且各電位是不均勻的分布在導(dǎo)體上，故將其看成有損傳輸線電路?？紤]雷擊接地體時(shí)，接地體會(huì)產(chǎn)生磁通飽和現(xiàn)象，忽略接地體內(nèi)的自感，可得π型等值電路上單位長(zhǎng)度接地體上的各參數(shù)計(jì)算公式如下：

(4)

單位長(zhǎng)度電容；C=ερG0

(5)

(6)

其中，S=πr2

(7)

式中：ρ是土壤電阻率；μ0是真空導(dǎo)磁系數(shù)(一般取μ0=4π×10-7)；l表示接地體的總長(zhǎng)度；r為接地體的半徑；ε是土壤介電常數(shù)(一般是取ε=9×8.86×10-12)；接地體的埋深為h；表示第i段的接地體長(zhǎng)度為li；接地體的電阻率為ρ0(試驗(yàn)中取ρ0=1.5 Ωgmm2/m)；ri為第i段時(shí)導(dǎo)體的等效半徑。

2 考慮火花效應(yīng)時(shí)基于ATP-EMTP水平接地體沖擊放電模型及計(jì)算方法

取20 m等效半徑為r=0.009 m的水平接地體，將其均分為5段，土壤電阻率ρ=1 000 Ω·m，埋深h=0.8 m，將波形為8/50 μs、電流幅值為10 kA的雷電流從接地體一端注入，利用電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP建立水平接地體沖擊放電的等效模型如圖2所示。

圖2 水平接地體沖擊放電的ATP仿真模型Fig.2 Level of grounding body impact discharge of ATP simulation model

表1 第一次仿真運(yùn)行所得參數(shù)Table 1 Parameter for the first timerun the simulation

表2 仿真運(yùn)行所得的最終參數(shù)Table 2 Parameters of the simulation run at the end

不考慮接地體火花放電效應(yīng)時(shí)，建立ATP仿真模型，運(yùn)行得到各段電流變化如圖3所示，考慮接地體火花放電效應(yīng)后得到各段電流變化如圖4所示，圖3、圖4中曲線從上至下依次為第1段至第5段的接地沖擊電流對(duì)地散流變化曲線；考慮接地體火花放電效應(yīng)后入地點(diǎn)的沖擊電壓電流的變化如圖5所示，圖5中曲線從上之下依次為水平接地體入地點(diǎn)沖擊電壓、沖擊電流的變化圖。

圖3 不考慮火花效應(yīng)后各段接地體的入地電流變化圖Fig.3 Afterno considering effect of spark paragraphs of grounding body into the current variation

圖4 考慮火花效應(yīng)后各段接地體的入地電流變化圖Fig.4 After considering effect of sparkparagraphs ofgrounding body into the current variation

圖5 考慮火花效應(yīng)后入地點(diǎn)的沖擊電壓電流變化圖Fig.5 After considering spark effect into the location of the impulse voltage current variation

由圖5中Um和Im的數(shù)值得到考慮火花放電效應(yīng)的沖擊接地電阻:

由文獻(xiàn)[2-3]中的計(jì)算公式：

其中α為從水平接地極一端施加沖擊電流的沖擊系數(shù)，R表示水平接地體的接地電阻，設(shè)接地體的長(zhǎng)度l為20 m，接地體的等效半徑d=0.009 m，埋深h=0.8 m，土壤電阻率ρ=1 000 Ωm時(shí)的沖擊接地電阻Rch=αR=43.83 Ω，與本文仿真得到的結(jié)果Rch=45.58 Ω相近，由此可證明本文采用的考慮接地體火花效應(yīng)的等效半徑的計(jì)算方法是可行的。

3 考慮火花效應(yīng)時(shí)樹(shù)枝狀接地裝置的仿真分析

3.1 樹(shù)枝狀接地裝置的提出

根據(jù)目前已有的對(duì)接地裝置的沖擊特性試驗(yàn)及仿真分析的研究得到的結(jié)論[14-15]，接地導(dǎo)體的形狀和數(shù)目等對(duì)接地裝置的沖擊特性有較大影響。在一定范圍內(nèi)，增大接地導(dǎo)體的長(zhǎng)度能夠使接地體的雷電散流能力得到提高,而接地導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度與接地體的長(zhǎng)度密切相關(guān)，一旦超過(guò)接地體的有效長(zhǎng)度，接地體長(zhǎng)度的增加不能夠有效的降低沖擊接地電阻。在電流注入點(diǎn)處，接地體的散流特性受到接地導(dǎo)體的形狀和數(shù)量的影響，在土壤電阻率較高的地區(qū)，接地體之間的屏蔽效應(yīng)非常明顯[16]。通過(guò)對(duì)比分析不同形狀接地體的沖擊特性可知，相鄰接地體之間的屏蔽效應(yīng)、沖擊電流作用下接地體的端部效應(yīng)以及接地體周圍的土壤火花放電現(xiàn)象為影響接地體沖擊特性的主要因素。在其他參數(shù)一定的條件下，接地導(dǎo)體形狀不同，其火花擊穿程度和附近場(chǎng)強(qiáng)的畸變程度也存在差異。因此，在原有接地體的基礎(chǔ)上補(bǔ)充“樹(shù)枝狀”接地導(dǎo)體，使接地導(dǎo)體的局部散流密度以及接地體周圍土壤火花放電面積均得到增大，而土壤擊穿區(qū)域的電阻可以認(rèn)為等于接地導(dǎo)體電阻，使得接地導(dǎo)體的幾何尺寸的大小得到了增加，從而更有效的利用了接地體，達(dá)到降低沖擊接地電阻的目的。

3.2 補(bǔ)充樹(shù)枝狀接地體后的效果分析

為了分析樹(shù)枝狀接地裝置對(duì)于傳統(tǒng)接地裝置的優(yōu)勢(shì)，本節(jié)通過(guò)前文建立的仿真模型對(duì)比分析了不同土壤電阻率和雷電沖擊電流幅值作用條件下，在接地導(dǎo)體總長(zhǎng)度相等的情況下，計(jì)算比較了水平放射接地體與水平放射接地體補(bǔ)充樹(shù)枝狀接地導(dǎo)體時(shí)的沖擊接地電阻的大小。主要分析了兩種情況下的沖擊接地電阻。

情況一：土壤電阻率ρ=100 Ω·m，接地裝置埋深h=0.8 m，水平放射接地體單根放射極長(zhǎng)30 m，補(bǔ)充樹(shù)枝狀導(dǎo)體后水平單根放射極長(zhǎng)20 m，單根樹(shù)枝長(zhǎng)2.5 m，保持接地裝置的總長(zhǎng)度不變，在接地裝置的中心點(diǎn)分別施加幅值為5 kA、10 kA、20 kA、40 kA、60 kA、80 kA，波形為8/50 μs雷電沖擊電流，如圖6所示。

情況二：土壤電阻率ρ=1 000 Ω·m，其他參數(shù)與情況一相同。

圖6 水平放射型接地體與樹(shù)枝狀接地體Fig.6 Levels of radiation extremely grounding device and dendritic grounding device

通過(guò)搭建物理模型，進(jìn)行仿真計(jì)算得到不同雷電沖擊電流作用下兩種接地裝置對(duì)應(yīng)沖擊接地電阻的變化關(guān)系曲線如圖7所示。

(a)ρ=100 Ω·m

(b)ρ=1 000 Ω·m圖7 不同土壤電阻率條件下沖擊接地電阻與接地電流 幅值的關(guān)系曲線Fig.7 When different soil resistivity impact grounding resistance and impact current relation curve

由圖7(a)分析可知，在幅值低于25 kA的雷電流作用下，樹(shù)枝狀接地裝置對(duì)比于放射狀接地裝置的沖擊接地電阻大約降低了11%。相比于普通放射狀接地裝置，樹(shù)枝狀接地裝置的接地導(dǎo)體存在更多的凸出端部，這使得接地導(dǎo)體的端部效應(yīng)更明顯，增大了火花放電面積，提高了接地裝置的散流性能，達(dá)到了降低沖擊接地電阻的效果。當(dāng)雷電沖擊電流幅值超過(guò)25 kA時(shí)，兩種接地裝置的沖擊接地電阻受雷電沖擊電流的增大影響變小且兩者之間的差值也越來(lái)越小。這是由于隨著雷電沖擊電流幅值的增大，接地體上向土壤中散流的電流密度也越大，使得接地導(dǎo)體周圍的火花放電擊穿區(qū)域相應(yīng)的增大，當(dāng)雷電沖擊電流幅值很大時(shí)，擊穿土壤所形成的火花放電區(qū)域要遠(yuǎn)大于接地導(dǎo)體的半徑，補(bǔ)充樹(shù)枝狀導(dǎo)體對(duì)降低接地體沖擊接地電阻效果甚微。

由圖7(b)可知，在土壤電阻率較高的條件下，兩種接地裝置在相同的雷電沖擊電流作用時(shí)，沖擊接地電阻值都有所增加。樹(shù)枝狀接地裝置的降阻效果更加明顯。當(dāng)沖擊電流的幅值進(jìn)一步增加時(shí)，二者的沖擊電阻值也逐漸趨于穩(wěn)定，變化趨勢(shì)也基本一致。

根據(jù)分析結(jié)果可知：當(dāng)所采用的接地導(dǎo)體的總長(zhǎng)度相同時(shí)，樹(shù)枝狀接地裝置較之于放射狀的沖擊接地電阻明顯較小，采用樹(shù)枝狀接地裝置更有利于降低導(dǎo)體的沖擊接地電阻。特別是在高土壤電阻率的地區(qū)，沖擊接地電阻也相對(duì)較大，可使用樹(shù)枝狀接地裝置以防止雷電反擊事故的發(fā)生。若是在土壤電阻率很高的山巖地區(qū)，還可以將降阻劑鋪設(shè)在接地體的四周，更好的降低接地體的接地電阻，從而提高線路的反擊耐雷水平。帶補(bǔ)充樹(shù)枝狀的放射接地導(dǎo)體設(shè)計(jì)原理如圖8所示。

圖8 樹(shù)枝狀補(bǔ)充接地導(dǎo)體示意圖Fig.8 Dendritic supplement grounding conductor

4 結(jié)論

1)提出了考慮火花放電作用下的接地體等效半徑的計(jì)算方法，以單根水平接地體為例，通過(guò)ATP-EMTP仿真計(jì)算驗(yàn)證了該方法的可行性。

2)研究了帶補(bǔ)充樹(shù)枝狀放射接地極的接地裝置模型，利用考慮接地體火花放電效應(yīng)的等效半徑計(jì)算方法，在其他條件相同時(shí)對(duì)放射接地極與帶補(bǔ)充樹(shù)枝狀的放射接地極的沖擊接地電阻進(jìn)行比較，得出帶補(bǔ)充樹(shù)枝狀的放射接地極能夠使接地體的沖擊接地電阻得到有效的降低。

3)在土壤電阻率較高的地區(qū)，提出了采用補(bǔ)充樹(shù)枝狀接地體降低沖擊接地電阻的方法，若接地電阻仍不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定，建議在接地體周圍敷設(shè)降阻劑來(lái)降低接地電阻。