輸電線路桿塔長距離外延接地散流特性研究

王毅，程梓航，王喆，谷凡超，安韻竹

（1.國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255000；2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

0 引言

輸電線路桿塔大多建設(shè)在山坡、沿海等較為空曠的地區(qū)，運行過程中易遭受雷擊［1-3］。降低輸電線路桿塔的接地電阻是有效提高電力線路防雷性能的重要措施，而山區(qū)輸電線路桿塔所建地區(qū)大多土壤貧瘠、土壤電阻率高，因此山區(qū)輸電線路桿塔的防雷接地形勢嚴(yán)峻［4-5］。目前主要通過輸電線路桿塔引下線及外延接地的方法將雷電流散流至周圍土壤以及終端，從而提高輸電線路的耐雷擊水平［6-8］。

目前，針對降低接地電阻的問題已有大量研究成果。鄧長征等［9］通過沖擊特性模擬實驗，提出利用環(huán)形和水平接地體組成的聯(lián)合接地體降阻。張競等［10］提出在高土壤電阻率下通過斜接地體有效降阻。廖志華等［11-12］針對不同區(qū)域提出不同降阻措施，利用“樹枝狀”的接地裝置實現(xiàn)山區(qū)輸電線路的有效降阻，在人口密集區(qū)域，采用立體均壓環(huán)降阻。除了上述接地降阻措施優(yōu)化，接地體的材料選擇也在不斷更新。胡元潮等［13-14］針對常規(guī)金屬材料接地網(wǎng)存在的易被偷竊、運輸困難和易發(fā)生腐蝕的缺點，提出柔性石墨的接地材料，在解決以上問題的同時保證了經(jīng)濟(jì)性和可靠性，具有很高的工程價值。

現(xiàn)有的研究成果對于山區(qū)輸電線路桿塔的接地網(wǎng)形狀研究較少。土壤電阻率、接地網(wǎng)形狀、外延接地體長度對輸電線路桿塔接地網(wǎng)的降阻和散流均有影響［15-16］。本文搭建了山區(qū)輸電線路桿塔接地網(wǎng)散流模型，計算分析不同形狀接地網(wǎng)、土壤電阻率、外延接地體長度、接地體材料對輸電線路桿塔接地網(wǎng)接地散流特性的影響，并提出基于“米”字形的外延石墨接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。針對山區(qū)輸電線路桿塔接地降阻，提出一種新型接地網(wǎng)級聯(lián)方式，以期為實際輸電線路桿塔接地工程中提供參考。

1 桿塔接地網(wǎng)及山區(qū)地形參數(shù)

為了研究輸電線路桿塔接地網(wǎng)雷擊散流特性，建立6 種接地網(wǎng)模型，包括單邊、雙邊、“十”字形、“T”字形、“日”字形及“米”字形接地網(wǎng)模型，如圖1所示。施工面積為100 m×100 m，引下線長度為0.8 m，常見的接地體材料為D10 mm 的鍍鋅鋼，其相對電阻率為109.7，相對磁導(dǎo)率為636。接地體長度為100 m。

圖1 不同接地網(wǎng)形式

根據(jù)文獻(xiàn)［17-18］，土壤電阻率的選擇如表1 所示。在CDEGS 仿真軟件中，設(shè)置山地模型電阻率如下：當(dāng)?shù)赝寥离娮杪蕿?50 Ω·m，巖石層土壤電阻率為5 000 Ω·m，土壤層的土壤電阻率為50 Ω·m，空氣層土壤電阻率為100 000 Ω·m。建立山地模型如圖2所示。

表1 土壤電阻率參考值

圖2 山區(qū)土壤模型

2 山區(qū)桿塔接地特性影響因素分析

在實際施工搭建接地網(wǎng)的過程中，外延長度、接地材料、接地網(wǎng)形式、土壤電阻率均會對輸電線路桿塔的接地特性產(chǎn)生影響。因此，本節(jié)計算分析了不同因素對山區(qū)輸電線路桿塔接地網(wǎng)降阻效率和散流效果的影響。

2.1 外延長度

為了對比分析外延長度對輸電線路桿塔接地網(wǎng)接地特性的影響，本節(jié)選取長度100 m、引下線0.8 m的單邊外延接地網(wǎng)模型作為研究對象。單邊外延接地網(wǎng)建于第一節(jié)山區(qū)模型的土壤層，仿真計算中，為對比高、低土壤電阻率對降阻的影響，設(shè)置山區(qū)模型土壤層電阻率分別為200 Ω·m、2 000 Ω·m，選取幅值100 kA、頻率100 kHz 高頻電流模擬雷電流，接地網(wǎng)為鍍鋅鋼材質(zhì)。不同土壤電阻率下，利用CDEGS仿真軟件計算單邊外延接地網(wǎng)的接地電阻，計算結(jié)果如圖3所示。外延接地體長度低于20 m 時，單邊外延接地網(wǎng)的接地電阻隨外延長度增加而迅速減??；當(dāng)外延接地體長度超過20 m 后，單邊外延接地網(wǎng)的接地電阻不在隨著外延接地體長度增大而變化。但超過20 m 時后降阻效率基本不變。另外，比較低土壤電阻率200 Ω·m與高土壤電阻率2 000 Ω·m，土壤電阻率越高，外延接地網(wǎng)降阻越難。

圖3 不同土壤電阻率下外延長度對接地電阻的影響

2.2 接地材料

為了分析接地材料對輸電線路桿塔接地特性的影響，本節(jié)選取鍍鋅鋼、石墨兩種接地材料（D2.8 mm的石墨，相對電阻率為1 857.1，相對磁導(dǎo)率為1）。其他計算模型及參數(shù)與2.1節(jié)一致。在不同土壤電阻率下，利用CDEGS 仿真軟件對不同土壤電阻率下、不同材料、不同外延長度的接地網(wǎng)接地電阻進(jìn)行仿真計算，得到接地材料對輸電線路桿塔接地網(wǎng)接地電阻的影響，計算結(jié)果如圖4所示。

由圖4 可知，在外延接地網(wǎng)形狀、長度及土壤電阻率不變的情況下，接地電阻材料不同導(dǎo)致降阻效率不同，石墨材料的降阻效率比鋼材料的降阻效率高，這種降阻效率在高土壤電阻率下更明顯。

圖4 不同土壤電阻率下接地體材料對接地電阻的影響

2.3 接地網(wǎng)形式的影響

接地網(wǎng)形式會改變雷電流散流方向，從而影響輸電線路桿塔接地網(wǎng)接地特性。為此，對第1 節(jié)中描述的6 種接地網(wǎng)形式的接地散利用CDEGS 仿真軟件，對不同形式接地網(wǎng)接地電阻阻值進(jìn)行計算分析。如圖5所示，“米”字形接地網(wǎng)降阻效果最優(yōu)。

圖5 不同外延接地網(wǎng)形狀對接地電阻的影響

在土壤電阻率為2 000 Ω·m 的山坡土壤層，以地面為參考平面，利用CDEGS 仿真軟件計算不同形式外延接地網(wǎng)泄漏電流，根據(jù)所得數(shù)據(jù)集，通過Origin 繪圖軟件繪制出不同形狀外延接地網(wǎng)散流云圖，如圖6所示。

圖6 不同外延接地網(wǎng)形狀對散流的影響

散流云圖計算結(jié)果表明，不同形狀外延接地網(wǎng)的散流呈現(xiàn)出不同的規(guī)律：單邊、雙邊外延接地網(wǎng)均呈現(xiàn)出明顯的“端部效應(yīng)”［19］，即靠近接地極兩端的導(dǎo)體段散流較多，導(dǎo)體段中部的散流較少。對于“T”字形、“十”字形、“米”字形外延接地網(wǎng)，除了“端部效應(yīng)”外，還會存在“屏蔽效應(yīng)”［16］，注入電流點附近泄漏電流隨距注入點連接導(dǎo)體數(shù)的增加而逐漸減小。相較“十”字形外延接地網(wǎng)，“日”字形外延接地極“屏蔽效應(yīng)”［16］更為明顯且具有特殊性：處于“日”字形接地網(wǎng)內(nèi)部的導(dǎo)體段在屏蔽作用下，散流效率較差；而接地網(wǎng)周圍導(dǎo)體段的散流效率較高且分流對稱。

綜合上述分析，在僅改變外延接地網(wǎng)形狀的前提下，外延接地網(wǎng)形狀對降阻效果影響不同，按降阻效率排序：單邊外延接地網(wǎng)＜雙邊外延接地網(wǎng)＜“T”字形外延接地網(wǎng)＜“日”字形外延接地網(wǎng)＜“十”字形外延接地網(wǎng)＜“米”字形外延接地網(wǎng)。比較散流效果，“米”字形外延接地網(wǎng)具有更好的散流效果。

3 山區(qū)輸電線路桿塔接地網(wǎng)級聯(lián)原理與仿真驗證

對于建設(shè)在平原以及山區(qū)的輸電線路桿塔，由于其所處地帶較空曠，易遭受雷擊，因此良好的接地網(wǎng)對于輸電線路桿塔的防雷不可或缺，但是由于輸電線路桿塔所要求的接地電阻阻值盡量小，需要較長的外延來實現(xiàn)降阻，而山區(qū)等地區(qū)往往難于施工，因此考慮將輸電線路桿塔接地網(wǎng)級聯(lián)，來減少施工面積、成本，并且達(dá)到更好的降阻效率以及散流效果。

3.1 輸電線路桿塔接地網(wǎng)級聯(lián)的原理

本節(jié)闡述輸電線路桿塔接地網(wǎng)級聯(lián)原理，其實質(zhì)是輸電線路桿塔接地網(wǎng)的串級，即輸電線路桿塔兩接地網(wǎng)的串聯(lián)，如圖7所示。

圖7 輸電線路桿塔接地網(wǎng)級聯(lián)模型

若兩輸電線路桿塔接地網(wǎng)級聯(lián)，當(dāng)其中一個輸電線路桿塔遭受雷擊，雷電流通過其引下線進(jìn)入接地網(wǎng)（I=100 kA），由于兩輸電線路桿塔接地網(wǎng)級聯(lián)，電流在沿著其自身接地網(wǎng)向周圍土壤散流的同時，也會通過級聯(lián)導(dǎo)線向另一個輸電線路桿塔接地網(wǎng)散流，有利于更好地向周圍土壤散流。由于兩接地網(wǎng)的級聯(lián)，此連接方式能達(dá)到更高的降阻效率。

3.2 輸電線路桿塔接地網(wǎng)級聯(lián)與非級聯(lián)的接地散流特性分析

建立激勵為100 kA 的電流源，為更好地研究雷電流入地時導(dǎo)體散流特性［20］，選擇入地電流起始頻率為10 kHz，接地體材料為鍍鋅鋼時的級聯(lián)接地網(wǎng)模型，研究山坡輸電線路桿塔接地網(wǎng)級聯(lián)與非級聯(lián)的區(qū)別，探討輸電線路桿塔級聯(lián)的優(yōu)越性能以及潛在缺陷。首先使用CDEGS仿真軟件的MALZ模塊，在第一節(jié)山區(qū)土壤模型中，設(shè)置土壤電阻率500 Ω·m，建立方框外延級聯(lián)接地網(wǎng)、非級聯(lián)接地網(wǎng)模型，每個接地網(wǎng)施工面積為15 m×15 m，引下線為0.8 m，設(shè)置兩接地網(wǎng)級聯(lián)導(dǎo)線長200 m，計算其接地電阻阻值、泄漏電流以及接觸電壓。計算出該山區(qū)輸電線路桿塔接地網(wǎng)級聯(lián)接地電阻阻值為18.40 Ω，接地網(wǎng)非級聯(lián)接地電阻阻值為23.34 Ω。為研究級聯(lián)與非級聯(lián)接地網(wǎng)的泄漏電流和接觸電壓，經(jīng)CDEGS 仿真軟件計算泄漏電流、接觸電壓數(shù)據(jù)，并通過Origin 繪圖軟件繪制泄漏電流、接觸電壓云圖，得到如圖8和圖9所示結(jié)果。

圖8 接地網(wǎng)級聯(lián)與非級聯(lián)泄漏電流

圖9 接地網(wǎng)級聯(lián)與非級聯(lián)接觸電壓

根據(jù)上述云圖，為研究級聯(lián)接地網(wǎng)的降阻能力，設(shè)非級聯(lián)接地網(wǎng)電阻為R0，級聯(lián)接地網(wǎng)接地電阻為R1，定義降阻效率η為

式（1）中，由CDEGS仿真軟件計算得R0=23.34 Ω，R1=18.40 Ω，經(jīng)計算η=21.2%。級聯(lián)接地網(wǎng)接地電阻有更高的降阻效率，但由于入地電流頻率較高導(dǎo)致的電感效應(yīng)，接地網(wǎng)難以向外散流，另外，巖石層較高的土壤電阻率也會阻礙接地網(wǎng)散流，因此級聯(lián)時接地電阻的降阻不明顯。

為研究級聯(lián)接地網(wǎng)的散流能力，設(shè)非級聯(lián)接地網(wǎng)泄漏電流最大值為I0，級聯(lián)接地網(wǎng)泄漏電流最大值為I1，則定義散流系數(shù)τ為

式（2）中，根據(jù)CDEGS 仿真軟件計算數(shù)據(jù)，I0=1 874.07 A，I1=1 464.78 A，經(jīng)計算τ=21.8%，級聯(lián)接地網(wǎng)散流效率提高。

為研究級聯(lián)接地網(wǎng)降低接觸電壓的能力，設(shè)非級聯(lián)接地網(wǎng)接觸電壓最大值為U0，級聯(lián)接地網(wǎng)接觸電壓最大值U1，定義降壓系數(shù)Γ為

式（3）中，根據(jù)CDEGS 仿真軟件計算數(shù)據(jù)，U0=2 123.55 kV，U1=1 665.93 kV，經(jīng)計算Γ=21.5%，級聯(lián)接地網(wǎng)能夠降低接觸電壓。

通過以上計算分析，總結(jié)輸電線路桿塔級聯(lián)具備的優(yōu)點：具有更高的降阻效率、散流效率；有效降低接觸電壓；節(jié)省施工使用材料以及施工面積，降低施工成本，性價比高，并且以后的建設(shè)中，拓展容易。

4 結(jié)語

對不同形式接地網(wǎng)進(jìn)行仿真計算，并分析接地網(wǎng)形式、外延長度、土壤電阻率和導(dǎo)體材料對接地網(wǎng)降阻以及散流的影響，并對輸電線路桿塔接地網(wǎng)級聯(lián)進(jìn)行一個簡單的研究，得到的結(jié)果如下：

1）外延接地網(wǎng)形狀、長度及材料相同，高土壤電阻率下比低土壤電阻率下更難降阻。接地電阻隨外延長度增加而減小，但僅在一個范圍內(nèi)降阻明顯。

2）接地電阻材料不同導(dǎo)致降阻效率不同，石墨材料接地體的降阻效率比鋼材料的降阻效率高。

3）外延接地網(wǎng)形狀對降阻效率的影響，按降阻效率排序：單邊外延接地網(wǎng)＜雙邊外延接地網(wǎng)＜“T”字形外延接地網(wǎng)＜“日”字形外延接地網(wǎng)＜“十”字形外延接地網(wǎng)＜“米”字形外延接地網(wǎng)。

4）輸電線路桿塔接地網(wǎng)級聯(lián)具有以下優(yōu)點：具有更高的降阻效率、散流效率；有效降低接觸電壓；節(jié)省施工材料以及施工面積，在以后的建設(shè)中，拓展容易。