采用長垂直接地極的TB型接地裝置優(yōu)化設(shè)計

周利軍，梅誠，古維富，陳斯翔

(1. 西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 611756；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

輸電線路的防雷設(shè)計是決定架空輸電線路可靠性與穩(wěn)定性的一個至關(guān)重要的因素。國內(nèi)外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和研究分析表明，輸電線路桿塔接地裝置的沖擊接地電阻嚴(yán)重影響著線路的防雷效果。在強(qiáng)雷暴天氣頻發(fā)的地區(qū)，接地系統(tǒng)的沖擊接地電阻過高會嚴(yán)重危及系統(tǒng)和人身安全[1]。已有研究表明，長垂直接地極能有效降低桿塔接地系統(tǒng)的沖擊接地電阻。然而由于多根垂直接地極間的屏蔽效應(yīng)尚未量化，長垂直接地極的長度優(yōu)化設(shè)計亟待研究。

國內(nèi)外學(xué)者針對各種形式地網(wǎng)及接地裝置的沖擊降阻措施進(jìn)行了大量的研究。接地裝置沖擊降阻特性的研究主要利用數(shù)值計算與模擬試驗(yàn)兩種手段。其中，數(shù)值計算主要是基于有限元方法，通過邊界條件的控制計算得到?jīng)_擊電流向土壤流散時復(fù)雜的暫態(tài)過程以及沖擊系數(shù)。模擬試驗(yàn)操作簡便，基于量綱相似判據(jù)[2-3]，能有效模擬大型接地裝置的沖擊特性以及電流分布情況。文獻(xiàn)[4]基于數(shù)值計算對單根垂直接地極在均勻土壤產(chǎn)生凍土前、后的接地電阻值進(jìn)行建模計算，其實(shí)質(zhì)就是研究垂直接地極在水平雙層土壤結(jié)構(gòu)中接地電阻的變化規(guī)律，研究表明垂直接地極對于所在土壤存在下層電阻率低的接地系統(tǒng)尤其有效。文獻(xiàn)[5-9]采用時域差分思想和多物理場有限元分析相結(jié)合的方法，以單根水平接地極和添加短導(dǎo)體后的水平接地極為研究對象，從屏蔽效應(yīng)強(qiáng)弱的角度分析多種結(jié)構(gòu)接地極的沖擊特性，研究表明在放射狀伸長接地極上添加短導(dǎo)體能夠提高中間段導(dǎo)體的散流效率，減小沖擊接地電阻。文獻(xiàn)[10-11]研究了土壤電離效應(yīng)對沖擊接地電阻及地表電位的影響，同時通過模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了編制的有限元計算程序，研究表明考慮了土壤電離效應(yīng)計算得到的地表電位明顯低于未考慮時的地表電位，要得到真實(shí)的沖擊特性需要考慮土壤的非線性特性。文獻(xiàn)[12-13]應(yīng)用工程實(shí)例驗(yàn)證了長垂直接地極對降低地網(wǎng)接地電阻的效果，且認(rèn)為在發(fā)、變電站接地網(wǎng)增加垂直接地極時，既要考慮實(shí)際的降阻效果，又要正確考慮垂直接地極利用系數(shù)的大小，才能達(dá)到最佳效果。文獻(xiàn)[14-16]對簡單垂直接地極和并聯(lián)布置的多根垂直接地極的沖擊特性和散流分布不均勻性進(jìn)行分析，研究表明垂直接地極長度和數(shù)量增加導(dǎo)致電極利用率降低，須兼顧長度及根數(shù)變化規(guī)律。

本文針對輸電桿塔TB型接地裝置采用長垂直接地極的降阻效果進(jìn)行分析，對長垂直接地極最優(yōu)長度進(jìn)行定量計算，同時對其影響因素進(jìn)行分析，最后通過模擬試驗(yàn)及軟件仿真計算對垂直接地極長度及布置方式的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行驗(yàn)證。

1 垂直接地極沖擊散流規(guī)律

1.1 仿真模型的建立

本文對某500 kV輸電桿塔TB型接地裝置進(jìn)行建模仿真，如圖1所示。接地導(dǎo)體材料使用直徑14 mm圓鋼；矩形接地框尺寸為12 m×12 m，埋深0.8 m；垂直接地極長度為10 m；土壤采用均勻土壤。注入2.6 μs/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流波，對桿塔接地裝置建模仿真。

圖1 TB型接地裝置結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of TB grounding device

1.2 導(dǎo)體段泄漏電流分布

采用第1.1節(jié)桿塔接地裝置模型，將接地導(dǎo)體分段，每1 m為1段。因?yàn)檎麄€裝置對稱分布，在研究接地裝置沖擊泄漏電流分布時，可只觀察矩形接地框一條邊及相鄰垂直接地導(dǎo)體的沖擊泄漏電流分布情況。接地裝置導(dǎo)體分段及編號情況如圖2所示。

圖2 接地裝置導(dǎo)體分段及編號Fig. 2 Grounding conductor section and numbers

注入2.5 kA標(biāo)準(zhǔn)雷電流，土壤電阻率為100 Ω·m，垂直接地導(dǎo)體長度分別為10 m、20 m時，各導(dǎo)體段的沖擊泄漏電流如圖3所示。由圖3可知，矩形接地框與垂直接地極連接處的沖擊泄漏電流最小，說明該接地裝置連接部位的散流能力較弱；矩形接地框4根導(dǎo)體段中部的沖擊泄漏電流較兩端大，散流能力相對較強(qiáng)；垂直接地極上沖擊泄漏電流的最大值出現(xiàn)在垂直接地極的末端；垂直接地導(dǎo)體長度為20 m時，相比垂直接地導(dǎo)體長度為10 m的情況，各導(dǎo)體段的沖擊泄漏電流趨近均勻。計算得到4根10 m長的垂直接地極總的沖擊泄漏電流占注入電流的55.3%，4根20 m長的垂直接地極總的沖擊泄漏電流占注入電流的75.6%，說明桿塔接地裝置增加垂直接地極后將雷電流引入地下的效果明顯。

圖3 垂直接地導(dǎo)體長度分別為10 m、20 m時，各導(dǎo)體段 的沖擊泄漏電流Fig. 3 Impulse leakage current of each grounding conductor segment as length of vertical grounding conductor is respectively 10 m and 20 m

2 垂直接地極最優(yōu)長度研究

2.1 確定最優(yōu)垂直導(dǎo)體長度的依據(jù)

由接地極的沖擊特性知，高頻沖擊電流的作用使接地極電感效應(yīng)非常強(qiáng)，沖擊電流沿垂直接地極向下流散的阻力會越來越強(qiáng)，直到接近最優(yōu)長度時電流基本不再向遠(yuǎn)端流去。針對長垂直接地極，為了能找到?jīng)_擊電流向下方流散能力最弱的位置，本文采用一種短屏蔽方法，即把長垂直接地極中長度為0.5 m的某段導(dǎo)體用絕緣漆包裹，使被絕緣的該段導(dǎo)體失去徑向電流流通路徑，只能沿軸向流散。20 m長的垂直接地導(dǎo)體分為20段，每段長度為1 m，編號13—32，每段再分為a、b兩段，編號分別為13a、13b、14a、14b、…、32a、32b，如圖4所示。在導(dǎo)體上沿13a至32b逐段進(jìn)行短屏蔽，以確定長垂直接地極最優(yōu)長度。

圖4 導(dǎo)體短屏蔽方式Fig. 4 Short shielding mode of conductor

采用短屏蔽方法確定長垂直接地極最優(yōu)長度前，先要研究屏蔽0.5 m導(dǎo)體段對整體裝置散流的影響。圖5對比了垂直接地導(dǎo)體段無屏蔽、首端13a號導(dǎo)體屏蔽、末端32b號導(dǎo)體屏蔽時的各段導(dǎo)體沖擊泄漏電流分布，可以看出13a號導(dǎo)體表面被短屏蔽后，整個13號導(dǎo)體段的沖擊泄漏電流為10.8 A，由13b導(dǎo)體表面徑向散流。12號與14號導(dǎo)體段的徑向散流增加約1 A，短屏蔽方法會影響鄰近1～2 m導(dǎo)體段的沖擊泄漏電流，對接地裝置整體散流分布影響不大。

圖5 短屏蔽對各導(dǎo)體段沖擊泄漏電流的影響Fig. 5 Influence of short shielding on impulse leakage current

土壤電阻率為100 Ω·m時，取垂直接地導(dǎo)體長度為20 m、30 m、40 m來研究短屏蔽對不同長度垂直接地導(dǎo)體沖擊接地電阻的影響，表1給出了3種長度垂直接地導(dǎo)體在無屏蔽、首端短屏蔽、末端短屏蔽時的沖擊接地電阻。在垂直接地導(dǎo)體無短屏蔽時，隨著接地裝置垂直接地導(dǎo)體長度的增加，沖擊接地電阻基本不變，這是垂直接地導(dǎo)體超過最優(yōu)長度導(dǎo)致。首端短屏蔽相對無屏蔽時沖擊接地電阻增大，且增大程度比末端短屏蔽時更明顯。這是因?yàn)榫匦谓拥乜蚺c垂直接地導(dǎo)體交點(diǎn)處的沖擊泄漏電阻較大，在首端增加短屏蔽后該處更難散流，因此沖擊接地電阻增大，該散流抑制效果隨著垂直接地導(dǎo)體長度增加而減弱。

表1 短屏蔽對不同長度垂直接地導(dǎo)體沖擊接地電阻的影響
Tab.1 Influence of short shield on impulse grounding impedance of vertical grounding conductor

接地導(dǎo)體長度/m無短屏蔽時沖擊接地電阻/Ω首端短屏蔽時沖擊接地電阻/Ω末端短屏蔽時沖擊接地電阻/Ω202.162.662.58302.132.742.67402.122.782.73

對于20 m長垂直接地導(dǎo)體，將20b導(dǎo)體短屏蔽，整個裝置沖擊接地電阻變?yōu)?.19 Ω，其值低于首端短屏蔽時的值，說明在接近最優(yōu)長度時，沖擊接地電阻值最小。因此，基于短屏蔽方法計算得到最小沖擊接地電阻值時，短屏蔽位置上方至垂直導(dǎo)體首端的長度定義為該土壤電阻率和該布置方式下的垂直接地導(dǎo)體最優(yōu)長度。

2.2 確定最優(yōu)垂直導(dǎo)體長度的具體方法

在CDEGS中構(gòu)建如圖1所示的輸電桿塔TB型接地裝置模型。接地導(dǎo)體材料使用直徑14 mm圓鋼；矩形接地框尺寸為12 m×12 m，埋深為0.8 m；垂直接地導(dǎo)體長度為20 m。注入2.6 μs/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流波，從13a至32b號導(dǎo)體逐段進(jìn)行短屏蔽，每次短屏蔽計算一次沖擊接地電阻，找到對應(yīng)沖擊接地電阻最小值時屏蔽段上方至導(dǎo)體首端長度，即為該接地裝置垂直接地導(dǎo)體的最優(yōu)長度。表2給出了該模型在不同土壤電阻率下的最優(yōu)垂直導(dǎo)體長度。土壤電阻率為1 000 Ω·m時，接地裝置整體的沖擊接地電阻已達(dá)到16.38 Ω，此時繼續(xù)提高土壤電阻率意義不大。

表2 不同土壤電阻率下垂直接地導(dǎo)體最優(yōu)長度
Tab.2 Optimum length of vertical grounding conductor under different soil resistivity

土壤電阻率/(Ω·m)垂直導(dǎo)體原始長度/m最優(yōu)長度/m50207.570208.5100209.5200201230030165003020700302210003024

對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得到TB型接地裝置垂直導(dǎo)體最優(yōu)長度le與土壤電阻率ρ之間的分段函數(shù)表達(dá)式為

(1)

土壤電阻率越大，最優(yōu)長度le越長，這是因?yàn)橥寥赖碾娮杪试酱?，垂直接地?dǎo)體的徑向散流受阻，沖擊電流更多的流向末端，增大了最優(yōu)長度。

2.3 有效性分析

實(shí)際施工大多根據(jù)接地設(shè)計的相關(guān)規(guī)范對垂直接地導(dǎo)體的長度進(jìn)行限定及實(shí)施。例如GB 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》中建議根據(jù)水平接地網(wǎng)接地電阻的大小和實(shí)際的降阻要求以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)來確定垂直接地導(dǎo)體的根數(shù)及實(shí)際長度；清華大學(xué)學(xué)者何金良和曾嶸所著的《電力系統(tǒng)接地技術(shù)》給出了單根垂直接地導(dǎo)體的最優(yōu)長度計算公式為

(2)

式中：Im為雷電流幅值，kA；τ為雷電流波前時間，μs。

式(2)說明，本研究中雷電流幅值為2.5 kA、波前時間為2.6 μs時，垂直接地導(dǎo)體最優(yōu)長度隨土壤電阻率的增大而增大，與式(1)一致。不同的是，由于接地裝置采用多根垂直接地導(dǎo)體時的最優(yōu)長度暫時沒有明確的計算方式，只能依據(jù)單根垂直接地導(dǎo)體最優(yōu)長度估計。根據(jù)研究，多根垂直接地導(dǎo)體并聯(lián)時會有明顯的屏蔽效應(yīng)，從而減小最優(yōu)長度，造成了接地材料浪費(fèi)。

例如，土壤電阻率為400 Ω·m時，對于矩形接地框?yàn)?2 m×12 m的TB型接地裝置，由式(1)計算得到的最優(yōu)長度約為18 m，4根接地導(dǎo)體總的最優(yōu)長度為72 m，4根垂直接地導(dǎo)體布置下的沖擊接地電阻為8.80 Ω。由式(2)計算得到的單根垂直接地導(dǎo)體最優(yōu)長度為48 m。若采用單根垂直接地導(dǎo)體，雖然接地材料節(jié)省，但是沖擊接地電阻為12.04 Ω；采用2根垂直接地導(dǎo)體布置，需要96 m接地材料，且2根布置下沖擊接地電阻為9.60 Ω；4根布置下沖擊接地電阻雖為7.20 Ω，但是需要192 m接地材料，產(chǎn)生了嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，接地裝置使用垂直接地極時，有必要考慮多根垂直接地導(dǎo)體間的屏蔽效應(yīng)。

3 垂直接地導(dǎo)體優(yōu)化布置方式

由第2節(jié)最優(yōu)長度計算公式知，土壤電阻率為500 Ω·m時，垂直接地導(dǎo)體最優(yōu)總長為80 m。取總長度32 m、56 m、64 m、80 m、96 m、128 m、160 m，分別計算布置4根垂直導(dǎo)體和8根垂直導(dǎo)體(如圖6所示)時的沖擊接地電阻，結(jié)果如圖7所示。

圖6 8根垂直接地導(dǎo)體布置方式Fig. 6 Arrangement patterns of eight vertical grounding conductors

圖7 矩形接地框尺寸為12 m×12 m時的沖擊接地電阻Fig. 7 Impulse grounding resistance as size of rectangle grounding frame is 12×12 m

由圖7可知，在垂直接地導(dǎo)體總長度一定的情況下，當(dāng)垂直接地導(dǎo)體總長度小于132 m時，4根垂直導(dǎo)體時的沖擊接地電阻小于8根垂直導(dǎo)體時的沖擊接地電阻。垂直接地導(dǎo)體總長度為80～132 m時，此時4根垂直導(dǎo)體已經(jīng)達(dá)到最優(yōu)散流長度，沖擊接地電阻小于8根垂直導(dǎo)體布置的主要原因是8根垂直導(dǎo)體相鄰間距為6 m，屏蔽效應(yīng)抑制散流，導(dǎo)致沖擊接地電阻較高。但是在垂直接地導(dǎo)體總長度為160 m時，8根垂直導(dǎo)體布置時的沖擊接地電阻小于4根布置時的沖擊接地電阻。

對TB型接地裝置矩形接地框尺寸為18 m×18 m和24 m×24 m兩種情況進(jìn)行上述仿真計算，垂直導(dǎo)體長度設(shè)定見表3，土壤電阻率取 500 Ω·m，計算結(jié)果如圖8、圖9所示。其中4根垂直導(dǎo)體布置時，通過短屏蔽方法得到矩形接地框尺寸為18 m×18 m時的單根最優(yōu)長度為23.5 m，矩形接地框尺寸為24 m×24 m時的單根最優(yōu)長度為28 m。

表3 垂直導(dǎo)體長度設(shè)定
Tab.3 Vertical conductor length setting

18 m×18 m矩形接地框24 m×24 m矩形接地框4根布置時單根長度/m8根布置時單根長度/m4根布置時單根長度/m8根布置時單根長度/m1471261681682010241223.511.752814281436183618402040204422

圖9 矩形接地框尺寸為24 m×24 m時的沖擊接地電阻Fig. 9 Impulse grounding resistance as size of rectangle grounding frame is 24×24 m

由圖8和圖9可以得出，矩形接地框尺寸為18 m×18 m時，布置4根垂直導(dǎo)體的沖擊接地電阻小于布置8根垂直導(dǎo)體的沖擊接地電阻時的垂直導(dǎo)體總長度臨界值為120 m，大于總的最優(yōu)長度(94 m)；矩形接地框尺寸為24 m×24 m時，該臨界值為116 m，與總的最優(yōu)長度(112 m)相近。說明矩形接地框尺寸為24 m×24 m時，在垂直接地導(dǎo)體未達(dá)到總的最優(yōu)長度情況下，延長單根垂直接地導(dǎo)體長度比增加垂直導(dǎo)體數(shù)量的沖擊降阻效果更好。

通過對上述3種不同尺寸TB型接地裝置最優(yōu)布置方式的研究，得出的結(jié)論是：當(dāng)接地裝置尺寸較小時，由于屏蔽效應(yīng)強(qiáng)，延長單根垂直接地導(dǎo)體長度的沖擊降阻效果比增加垂直接地導(dǎo)體數(shù)量好。當(dāng)接地裝置尺寸較大時，如矩形接地框尺寸為 24 m×24 m的TB型接地裝置，在總的最優(yōu)長度內(nèi)，延長單根垂直接地導(dǎo)體長度效果較好；超過總的最優(yōu)長度時，反之。

4 優(yōu)化布置的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證第3節(jié)所得結(jié)論的正確性，在220 kV順都甲線79號桿塔所在場地進(jìn)行了垂直接地極的沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)原理如圖10所示。桿塔接地裝置為12 m×12 m矩形接地框，埋深為0.8 m。為了模擬真實(shí)雷電散流情況，以接地裝置為中心，設(shè)置了半徑約30 m的金屬回流環(huán)，金屬回流環(huán)為接地編織銅線，每隔10 m打入回流電極，回流電極打入深度為0.8 m。為了獲得足夠的容量，用柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電。沖擊電流通過銅排注入接地裝置，銅排用絕緣子支撐，避免接觸地面。試驗(yàn)時，通過電阻分壓器及高精度Rogowski線圈測得沖擊電流下的接地裝置對地電位升和注入電流。其中，電阻分壓器的分壓比為1 000∶1；羅氏線圈為PEARSON 101型，測量頻率范圍為0.25 Hz～ 4 MHz，靈敏度為0.01，最大可測沖擊電流峰值為50 kA。沖擊接地電阻通過接地裝置的最大對地電位升和注入的沖擊電流峰值計算得到。為了獲得較為準(zhǔn)確的沖擊接地電阻，通過調(diào)整金屬回流環(huán)的大小[17-21]，對比仿真模型理論計算值，若測量值與理論值接近，則近似認(rèn)為測量值為真實(shí)的沖擊接地電阻。

1—高壓電流互感器；2—沖擊電流發(fā)生裝置；3—分壓器；4—電壓參考極。圖10 試驗(yàn)原理Fig. 10 Experiment principle

采用ETCR3000B土壤電阻率測試儀測得試驗(yàn)場地的土壤電阻率為116 Ω·m。通過第2.2節(jié)最優(yōu)長度計算公式得到該土壤電阻率下布置4根垂直導(dǎo)體時單根最優(yōu)長度約為10 m，總的最優(yōu)長度為40 m。試驗(yàn)時通過調(diào)整放電回路中的調(diào)波電阻與調(diào)波電感，注入幅值為2.5 kA、波形為2.6 μs/50 μs的沖擊電流。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)結(jié)果
Tab.4 Test result

垂直接地導(dǎo)體根數(shù)單根垂直接地導(dǎo)體長度/m試驗(yàn)次數(shù)沖擊接地電阻均值/Ω41043.321643.082042.928543.68843.121042.88

由表4可知，12 m×12 m矩形接地框垂直接地導(dǎo)體總長度為40 m時，延長原有4根垂直接地導(dǎo)體長度的沖擊降阻效果比8根垂直接地導(dǎo)體好；總長度為64 m時，4根垂直接地導(dǎo)體布置的沖擊降阻效果與8根垂直接地導(dǎo)體布置相當(dāng)；總長度為80 m時，8根垂直接地導(dǎo)體布置的沖擊降阻效果比延長原有4根垂直接地導(dǎo)體長度好。該結(jié)論與與第3節(jié)得出的結(jié)論相同。

5 結(jié)論

a)對接地裝置各導(dǎo)體段沖擊泄漏電流分布的研究發(fā)現(xiàn)：接地裝置與垂直接地導(dǎo)體連接部位的散流能力相對較弱；垂直接地導(dǎo)體越長，接地裝置上沖擊泄漏電流分布越均勻。

b)設(shè)計了一種絕緣短屏蔽的方法，用以確定接地裝置垂直接地導(dǎo)體的最優(yōu)長度。通過計算不同土壤電阻率下垂直接地導(dǎo)體最優(yōu)長度，擬合了TB型接地裝置垂直接地導(dǎo)體最優(yōu)長度隨土壤電阻率變化關(guān)系式。土壤電阻率越大，最優(yōu)長度越長。

c)通過對3種不同尺寸TB型接地裝置的垂直接地導(dǎo)體最優(yōu)布置方式的研究可知：當(dāng)接地裝置矩形框邊長大于24 m時，在垂直接地導(dǎo)體總的最優(yōu)長度內(nèi)，延長原有4根垂直接地導(dǎo)體長度的沖擊降阻效果好；超過總的最優(yōu)長度時，采用8根垂直接地導(dǎo)體的降阻效果較好。當(dāng)接地裝置矩形框邊長小于24 m時，4根垂直導(dǎo)體布置的沖擊降阻效果優(yōu)于8根垂直導(dǎo)體布置的沖擊降阻效果。