基于鄰近斜坡土釘墻結(jié)構(gòu)的電力桿塔接地降阻方式研究

李 陽，劉書輝，劉子平，亓孝武，平宗飛

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濟寧供電公司，山東 濟寧 272000；2.國網(wǎng)天津市電力公司東麗供電公司，天津 東麗 300300；3.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

輸電線路桿塔接地網(wǎng)是影響線路耐雷水平的基礎(chǔ)防雷設(shè)施［1］，實際輸電線路的長度多達數(shù)十甚至數(shù)百公里，輸電線路走廊途徑山區(qū)、丘陵等多種復(fù)雜地形，高土壤電阻率條件下的桿塔接地電阻難以達標，因此降低桿塔接地網(wǎng)的接地電阻是防止輸電線路雷擊閃絡(luò)故障的基本措施。實際工程中，輸電線路桿塔往往架設(shè)在公路、斜坡、河堤等公共建筑周邊，受地形地貌以及公共交通道路等施工條件的限制，道路沿線的桿塔接地網(wǎng)設(shè)計與施工仍面臨如下問題：地形連綿起伏、地勢錯綜復(fù)雜，桿塔接地網(wǎng)施工土壤條件較差，土壤電阻率較高；道路沿線的桿塔施工區(qū)域有限，不利于大型接地網(wǎng)的敷設(shè)。桿塔接地網(wǎng)長時間運行后局部接地體出現(xiàn)腐蝕、人為損壞等問題，且道路沿線的輸電線路桿塔接地網(wǎng)不便于頻繁更換與維護。因此，道路沿線、河堤斜坡等外延施工面積受限條件下的桿塔接地降阻仍缺乏有效的施工方案［2］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對山區(qū)桿塔接地電阻較高的問題做了大量研究。為提高線路耐雷水平，降低桿塔接地網(wǎng)的接地電阻，文獻［3］提出在桿塔接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上進行外延的方式進行接地降阻，并認為外延引線本身對散流也有不同的影響作用?？紤]到桿塔接地網(wǎng)外延接地網(wǎng)面積、方向、連接線數(shù)量對于降阻效果的影響，文獻［4］提出通過增加輔助地網(wǎng)長度、面積和連接線數(shù)量進行輸電線路桿塔接地降阻的方法。而針對高土壤電阻率的情況，認為可通過增大接地網(wǎng)面積、外延接地或深井接地等方法進行降阻。苗浩銘等人［5］采用仿真計算驗證了連續(xù)沖擊作用下不同土壤地區(qū)接地裝置的散流特性，并提出接地材料選型建議。周力行等采用EMTP-ATP仿真計算軟件計算雙層土壤中桿塔接地裝置沖擊特性，雷擊的瞬間會使接地體末端迅速升溫并使土壤電離［6］，火花放電效應(yīng)能降低桿塔接地網(wǎng)的沖擊接地阻抗。高曉晶等計算了桿塔混凝土樁基接地散流特征，并提出有限施工面積條件下降低樁基自然接地電阻的方法［7］。此外，文獻［8］提及道路、河堤等地形條件下的護坡土釘墻采用鋼筋骨架，能夠起到固定斜坡土壤層，防止滑坡坍塌施工的作用?？紤]到道路、河堤等地形條件下的鄰近輸電線路桿塔接地降阻需要長距離外延，道路、河堤等地形條件下的護坡土釘墻鋼構(gòu)架可以為鄰近桿塔接地散流提供散流通道，將桿塔接地網(wǎng)外延至斜坡土釘墻鋼構(gòu)架，實現(xiàn)桿塔接地網(wǎng)面積有效增加進而降低桿塔接地電阻，該方法可以減少桿塔接地施工成本，并避免因大型工器具運輸施工造成的斜坡?lián)p壞，具有較高的工程實用價值［9-11］。

針對道路、河堤等有限施工面積條件下的鄰近桿塔接地降阻問題，建立陡坡地形下桿塔接地網(wǎng)與土釘墻的仿真模型，分析桿塔接地網(wǎng)的位置，連接線的數(shù)量、材料參數(shù)等對接地降阻效率的影響規(guī)律，驗證采用道路土釘墻進行桿塔接地降阻的可行性，相關(guān)研究結(jié)論可為道路、河堤等護坡土地墻鄰近處的電力線路設(shè)計與運維提供可行參照。

1 接地電阻計算模型與參數(shù)

1.1 接地電阻計算理論與公式

桿塔接地電阻是衡量輸電線路耐雷水平的重要參數(shù)，桿塔接地電阻的精確計算一般可采用理論計算或CDEGS、COMSOL、ANSYS 等“場、路”仿真軟件進行數(shù)值計算。常見的方框型桿塔接地網(wǎng)可采用公式法進行近似計算，其計算精確主要與接地網(wǎng)在水平及垂直維度上的散流長度有關(guān)，不同形狀桿塔接地網(wǎng)的工頻接地電阻R一般可采用形狀修正系數(shù)α進行計算［12］，工頻接地電阻R的理論值可表征為

式中：R1為等值（等面積、等長）方框型接地網(wǎng)的接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；A為接地網(wǎng)面積，m2；L1為接地網(wǎng)周長，m；L為接地導(dǎo)體總長，m；h為接地導(dǎo)體埋深，m；d為接地導(dǎo)體直徑，m。

由式（1）可知：若降低桿塔接地網(wǎng)的接地電阻，可通過增大接地網(wǎng)面積、尺寸等措施，桿塔接地網(wǎng)連接輔助接地網(wǎng)后，通過連接線，雷電流的流經(jīng)變長，散流面積變大，因此從理論上講，輔助接地網(wǎng)可以使得桿塔接地網(wǎng)的接地電阻降低，但接地電阻的計算并非線性計算，連接輔助接地網(wǎng)后形成的新接地系統(tǒng)在形狀、面積、尺寸上均發(fā)生變化，因此，外延接地網(wǎng)的接地電阻Rio可采用式（2）［13］計算。

式中：R0為桿塔接地網(wǎng)的接地電阻，Ω；R1為外引接地網(wǎng)的接地電阻，Ω；ηio為桿塔接地網(wǎng)與外引接地網(wǎng)之間的利用系數(shù)。

由式（2）可知：桿塔接地網(wǎng)與輔助接地網(wǎng)連接后的新的接地系統(tǒng)的接地電阻計算公式形如歐姆定律的并聯(lián)計算公式。輔助接地網(wǎng)接地電阻與桿塔接地網(wǎng)的接地電阻同為計算公式中的分母，其結(jié)果在理論計算中小于僅由桿塔接地網(wǎng)接地電阻作為分母的計算結(jié)果。因此從理論上講輔助接地網(wǎng)可以起到降阻的效果。但由于桿塔接地網(wǎng)與外引接地網(wǎng)之間的利用系數(shù)ηio的存在，可以通過增加桿塔接地網(wǎng)與外延接地網(wǎng)間的連接線根數(shù)等措施使利用系數(shù)盡量大。綜合來看，桿塔接地網(wǎng)連接輔助接地網(wǎng)后的接地系統(tǒng)接地電阻取決于桿塔接地網(wǎng)、輔助接地網(wǎng)以及兩網(wǎng)之間的連接處理。

1.2 土釘墻與桿塔接地網(wǎng)模型與參數(shù)

在途經(jīng)陡坡等地勢的道路沿線地區(qū)，輸電線路桿塔接地網(wǎng)的接地電阻較大，外延降阻作為近年來簡單、高效的方法廣為使用。但在難以施工的陡坡地勢下，敷設(shè)輔助接地網(wǎng)的工程量較大且對于道路的安全通行有一定隱患，因此可以利用道路沿線常見的土釘墻支護結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋網(wǎng)作為輔助接地網(wǎng)，對桿塔接地網(wǎng)進行降阻處理。陡坡條件下桿塔與土釘墻的示意圖如圖1 所示。

圖1 陡坡條件桿塔與土釘墻示意圖Fig.1 Schematic diagram of pole tower and soil nailing wall under steep slope condition

常見的山體陡坡海拔起伏較大，且地勢連綿，一般由表面3～5 m 深的黏土及坡內(nèi)巖石組成，黏土一般呈現(xiàn)低土壤電阻率，而巖石、道路瀝青及砂石土質(zhì)結(jié)構(gòu)多呈現(xiàn)高土壤電阻率。據(jù)此，結(jié)合實際工程，建立陡坡地形下的桿塔接地網(wǎng)與土釘墻模型如圖2 所示，仿真模型參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真模型參數(shù)表Table 1 Parameter table of simulation models

圖2 桿塔接地網(wǎng)與土釘墻模型圖Fig.2 Model of tower grounding grid and soil nailing wall

在仿真計算中，各類鋼材的相對電阻率近似為109.7，相對磁導(dǎo)率為636［14］。接地網(wǎng)均水平敷設(shè)于地下0.8 m。設(shè)置激勵為邊角注流，電流為1 kA，頻率為10 kHz。根據(jù)公共道路工程施工要求，土釘墻內(nèi)網(wǎng)的土釘與水平面呈10°傾角施工鑲嵌于土墻以內(nèi)。通過外延接地導(dǎo)線連接，護坡土釘墻鋼構(gòu)架可以為鄰近桿塔接地散流提供散流通道，將桿塔接地網(wǎng)外延至斜坡土釘墻鋼構(gòu)架，從而增加輸電線路桿塔接地網(wǎng)的有效散流面積［15-16］。

2 土釘墻對桿塔接地網(wǎng)接地特性影響

為分析陡坡地形下土釘墻對桿塔接地網(wǎng)接地電阻的影響，對桿塔接地網(wǎng)與土釘墻分別單獨注流激勵。在不同土壤電阻率條件下，桿塔接地網(wǎng)、土釘墻的接地電阻計算結(jié)果如表2 所示。

表2 接地電阻數(shù)值表Table 2 Parameter table of grounding resistance

由表2 可知，桿塔接地網(wǎng)與土釘墻的接地電阻均隨土壤電阻率的增大而增大。桿塔接地網(wǎng)在土壤電阻率大于300 Ω·m 的條件下接地電阻為13.49 Ω，超過安全標準限值10 Ω。而土釘墻即使在較大土壤電阻率900 Ω·m 時，接地電阻不超過6 Ω，滿足安全標準要求。結(jié)合式（2）可知，土釘墻在理論上可以為桿塔接地網(wǎng)作輔助散流的外延接地網(wǎng)。

為研究土釘墻對于桿塔接地網(wǎng)接地電阻的影響，采用鍍鋅鋼材質(zhì)的一根連接線，將土釘墻與桿塔接地網(wǎng)連接，對比連接前后的接地系統(tǒng)接地電阻的變化如圖3 所示。

圖3 桿塔接地網(wǎng)接地電阻Fig.3 Ground resistance of tower grounding grid

由圖3 可知，連接土釘墻后的桿塔接地網(wǎng)接地電阻明顯下降，均滿足桿塔接地要求，且土壤電阻率越高，降阻效果越明顯。降阻效率在土壤電阻率為100 Ω·m 時達到25.3%，土壤電阻率為900 Ω·m 時，降阻效率達到72.5%?？梢姡玲攭Ω咄寥离娮杪实貐^(qū)降阻效果良好。

跨步電壓為衡量接地安全的標準之一，是指發(fā)生接地故障時，在接地電流入地點周圍的人兩腳之間的電壓。一般跨步電壓的幅值低于40 kV 時，幾乎難以造成傷害，但當幅值大于40 kV，則會造成損傷甚至永久性影響。為分析連接土釘墻后桿塔接地網(wǎng)附近跨步電壓的變化，設(shè)置在1 000 Ω·m 土壤電阻率的仿真條件，激勵雷電流的幅值為10 kA，從桿塔接地網(wǎng)的引一根連接線連接土釘墻中央，其中桿塔接地網(wǎng)與土釘墻均為角鋼材料。觀察連接前后土釘墻是否對桿塔接地網(wǎng)周圍跨步電壓的變化造成影響，圖4 為連接土釘墻前后桿塔接地網(wǎng)的跨步電壓數(shù)值。

圖4 桿塔接地網(wǎng)跨步電壓分布Fig.4 Step voltage distribution of tower grounding grid

由圖4 可知，桿塔接地網(wǎng)跨步電壓在其四角與邊框處較大，未連接土釘墻以前跨步電壓最大可達14 kV，在雨雪雷暴天氣下，有一定的安全隱患；連接土釘墻后的桿塔接地網(wǎng)跨步電壓明顯減少，最高不超過6 kV，小于國家安全標準限值，驗證了土釘墻作為輔助接地網(wǎng)在安全方面的可行性。

3 不同因素對土釘墻輔助降阻效果的影響

為更明顯表征和分析土釘墻條件下，各因素對桿塔接地網(wǎng)散流特性的影響，定義流入連接線的電流I外流與總激勵電流I總的比值為分流系數(shù)η［17］，如式（3）所示，用以表征其散流能力，反映土釘墻對主接地網(wǎng)的散流與降阻效果。

3.1 連接線數(shù)量的影響分析

土釘墻作為外延接地網(wǎng)，其與桿塔接地網(wǎng)之間的連接線的數(shù)量，會影響接地網(wǎng)接地電阻的大小。為探究土釘墻與桿塔接地網(wǎng)間連接線數(shù)量對接地電阻的影響，設(shè)置連接線的數(shù)量分別為1～5根，建立輸電線路桿塔外延接地降阻模型如圖5所示。

圖5 不同根數(shù)連接線的接地網(wǎng)模型Fig.5 Grounding grid model with different number of connection lines

根據(jù)圖5 的所示的不同仿真計算模型，在土壤電阻率分別為100 Ω·m、300 Ω·m、500 Ω·m、700 Ω·m、900 Ω·m 的條件下進行仿真計算，得到不同數(shù)量連接線條件下的桿塔接地網(wǎng)的接地電阻數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6 所示，并以土壤電阻率為100 Ω·m 的條件為例，觀察連接線數(shù)量對分流系數(shù)的影響如表3 所示。

表3 分流系數(shù)與連接線數(shù)量的關(guān)系Table 3 The relationship between the number of connecting conductors and current divider coefficient

圖6 接地電阻與土壤電阻率、連接線數(shù)量關(guān)系Fig.6 The relationship between grounding resistance and soil resistance and number of connecting conductor

綜合圖6 和表3 的仿真計算結(jié)果可知：增加桿塔接地網(wǎng)與土釘墻內(nèi)網(wǎng)的連接線，可增強土釘墻內(nèi)網(wǎng)對桿塔接地網(wǎng)的降阻效果，可達25%～55%。但隨著土壤電阻率的升高，降阻效果與連接線數(shù)量的正相關(guān)關(guān)系逐漸衰弱，數(shù)量為4 根時達到飽和狀態(tài)，分流系數(shù)達到54.32%，繼續(xù)增加外引線數(shù)量反而不能使接地電阻降低。這是由于屏蔽效應(yīng)的影響，單位面積內(nèi)接地導(dǎo)體越多，其屏蔽效應(yīng)越強，因此所能利用的有效散流面積就越?。?8］。在工程中若利用土釘墻內(nèi)網(wǎng)或其他輔助接地網(wǎng)進行降阻處理，可利用1～2 根接地導(dǎo)體將土釘墻與桿塔接地網(wǎng)進行連接。

3.2 連接位置的影響分析

土釘墻作為桿塔接地網(wǎng)的外延接地網(wǎng)，其所受激勵由連接線傳導(dǎo)，連接線末端即為土釘墻激勵點。探究不同激勵點對接地電阻的影響，利用3 根連接線，分別采用3 根分散連接土釘墻內(nèi)網(wǎng)邊框、3 根集中連接土釘墻內(nèi)網(wǎng)邊框、3 根集中連接土釘墻內(nèi)網(wǎng)中心的不同連接位置，建立如圖7 所示的模型。

圖7 不同連接位置的接地網(wǎng)模型Fig.7 Grounding grid models with different connection positions

對圖7 的3 種模型，在100 Ω·m、300 Ω·m、500 Ω·m、700 Ω·m、900 Ω·m 的土壤電阻率條件下，進行仿真計算。通過仿真計算，不同連接位置下的桿塔接地網(wǎng)的接地電阻結(jié)果如圖8 所示，并以土壤電阻率為100 Ω·m 的條件為例，觀察連接位置對分流系數(shù)的影響如表4 所示。

表4 分流系數(shù)與連接位置的關(guān)系Table 4 The relationship between the connecting position and current divider coefficient

圖8 接地電阻與連接位置關(guān)系Fig.8 The relationship between grounding resistance and connecting position

綜合圖8 和表4 的仿真計算結(jié)果可知：對比連接線分散連接土釘墻與連接線集中于一點連接土釘墻，在任意土壤電阻率條件下，分散連接的接地電阻均小于同等條件下兩種集中連接方式后的桿塔接地網(wǎng)接地電阻。分散連接后，土釘墻分流系數(shù)可以達到53.13%，在土壤電阻率為500 Ω·m 時，接地電阻為4.903 42 Ω，小于同等土壤電阻率條件下兩種集中連接處理后的5.179 00 Ω、5.317 66 Ω。因此在實際工程中，利用多根連接線連接桿塔接地網(wǎng)與土釘墻時，應(yīng)分散每根連接線的連接點，并使得每根連接線之間保持一定的間距，減少導(dǎo)體屏蔽效應(yīng)，提高接地導(dǎo)體的散流，使得桿塔接地電阻降低。

3.3 連接線材質(zhì)的影響分析

鍍鋅鋼因其耐腐蝕性較差，在道路沿線的陡坡等地勢下，難以保證長時間的運行而不損壞［19-21］。作為金屬活躍性較差的銅和非金屬材料石墨復(fù)合材料，耐腐蝕性強，力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)良，且具有良好的散流效果，同時可避免迅速溫升，成為現(xiàn)如今接地導(dǎo)體的可選材料。在接地計算仿真軟件中鍍鋅鋼、石墨復(fù)合材料、銅的相對電阻率與相對磁導(dǎo)率如表5［22］所示。

表5 各材料的相對電阻率、磁導(dǎo)率Table 5 Relative resistivity and permeability of each materials

為探究相同條件下不同材質(zhì)連接線對桿塔接地電阻的影響，分別選用以上3 種材料作為連接線材質(zhì)，將土釘墻與桿塔接地網(wǎng)用3 根連接線分散連接的連接方式，在100 Ω·m、300 Ω·m、500 Ω·m、700 Ω·m、900 Ω·m 的土壤電阻率條件下，進行仿真計算。通過仿真計算，不同連接線材料下的桿塔接地網(wǎng)的接地電阻結(jié)果如圖9 所示，并以土壤電阻率為100 Ω·m 的條件為例，觀察連接線材質(zhì)對分流系數(shù)的影響如表6 所示。

表6 分流系數(shù)與連接線材質(zhì)的關(guān)系Table 6 The relationship between the material of connecting conductor and current divider coefficient

圖9 接地電阻與連接線材質(zhì)關(guān)系Fig.9 The relationship between grounding resistance and material of connecting conductor

結(jié)合圖9 和表6 的仿真計算結(jié)果可知：相同條件下，利用銅材質(zhì)與石墨復(fù)合材料的連接線比利用鍍鋅鋼材質(zhì)的連接線更有利于桿塔接地網(wǎng)的散流降阻，其中銅材質(zhì)的連接線比石墨復(fù)合材料連接線的桿塔接地網(wǎng)接地電阻更低。但分流系數(shù)的仿真結(jié)果顯示石墨復(fù)合材料的接地導(dǎo)體分流系數(shù)可以達到62.01%，而銅為57.44%，均高于鍍鋅鋼材質(zhì)的53.13%。分析其原因：銅與石墨復(fù)合材料的相對磁導(dǎo)率較低，屏蔽效應(yīng)的影響較小，流入接地導(dǎo)體的電流幅值更大，因而分流系數(shù)高。而石墨復(fù)合材料的接地導(dǎo)體分流系數(shù)大于銅材質(zhì)的分流系數(shù)，但桿塔接地電阻反而更大，是因為石墨復(fù)合材料作為一種非金屬導(dǎo)電材料，其導(dǎo)電性弱于銅材料，雷電流在石墨復(fù)合材料的連接線處的散流弱于銅材質(zhì)，同時土釘墻的散流效果達到飽和，導(dǎo)致采用石墨復(fù)合材料連接線的桿塔接地網(wǎng)接地電阻略大于銅材質(zhì)。從施工及材料成本的角度看，宜選擇石墨復(fù)合材料作為連接線材質(zhì)。

3.4 桿塔接地網(wǎng)位置的影響分析

在部分陡坡因施工難度、距離等原因，桿塔接地網(wǎng)會埋設(shè)于陡坡的斜坡處。斜坡處的接地網(wǎng)因位置、傾斜角度、距離等與坡頂處的接地網(wǎng)有所不同，因此為探究桿塔位置對接地電阻的影響，設(shè)置坡頂與斜坡兩位置的接地網(wǎng)如圖10 所示。

圖10 不同位置的桿塔接地網(wǎng)模型Fig.10 Models of tower grounding grid with different positions

在100 Ω·m、300 Ω·m、500 Ω·m、700 Ω·m、900 Ω·m 的土壤電阻率條件下，對圖10 所示的坡頂、斜坡兩位置的桿塔接地網(wǎng)分別進行仿真計算。通過仿真計算，不同位置條件下的桿塔接地網(wǎng)的接地電阻結(jié)果如圖11 所示。

圖11 接地電阻與接地網(wǎng)位置關(guān)系Fig.11 The relationship between grounding resistance and position of grounding grid

在相同的條件下，位于斜坡上的桿塔接地網(wǎng)比坡頂?shù)臈U塔接地網(wǎng)接地電阻更低。經(jīng)過計算可得，位置在坡頂時，桿塔接地網(wǎng)連接線的分流系數(shù)為53.13%，位于斜坡時則達到63.32%，遠高于坡頂位置。分析其原因：斜坡的桿塔接地網(wǎng)距離土釘墻更近，雷電流較為均衡地分散到面積更廣的土釘墻的鋼筋網(wǎng)；而坡頂?shù)臈U塔接地網(wǎng)的連接線較長，部分電流在連接線的傳導(dǎo)過程中散流使得雷電流向土釘墻的散流有限，使得分流系數(shù)相對小一些。

以上仿真計算結(jié)果表明：在實際的桿塔接地設(shè)計與施工工程中，在施工條件允許的條件下，可將接地網(wǎng)設(shè)于距離土釘墻相對近的斜坡土層內(nèi)，以降低桿塔接地網(wǎng)的接地電阻，連接線的數(shù)量一般1～3 根為宜。同時，考慮到鄰近道路的輸電線路桿塔的特殊位置，應(yīng)注意若采用在靠近行人或者道路位置處的土釘墻進行接地散流時，土釘墻內(nèi)的鋼筋不宜大面積裸露在地表，應(yīng)做掩埋覆蓋處理，防止雷電流入地散流時因高電位引出造成跨步電壓或者接觸電壓的潛在危險。

4 結(jié)論

仿真計算陡坡條件下土釘墻對桿塔接地網(wǎng)接地電阻、跨步電壓的影響，對比了土釘墻與桿塔接地網(wǎng)的連接線數(shù)量、連接位置、連接材質(zhì)以及桿塔接地網(wǎng)的位置4 種因素對桿塔接地網(wǎng)接地電阻的影響。得到結(jié)論如下：

1）在陡坡條件下，土釘墻對桿塔接地網(wǎng)具有明顯的降阻效果，且隨土壤電阻率的升高，降阻比越高。在土壤電阻率100 Ω·m 時，降阻比達19.3%；在土壤電阻率900 Ω·m 時，降阻可達73.4%。同時，跨步電壓的仿真分布驗證了土釘墻在安全方面的合理性。

2）對比分析各因素對桿塔接地網(wǎng)接地電阻的影響，可以得知：土釘墻與桿塔接地網(wǎng)的連接線數(shù)量越多，降阻效果越高，但在連接線達到3～4 根時分流系數(shù)飽和，在工程中一般利用1～3 根即可；連接線采用分散連接方框的連接方式降阻效果更加明顯，分流系數(shù)更高（53.13%）；相比于桿塔接地網(wǎng)設(shè)于陡坡坡頂，設(shè)于斜坡處的接地網(wǎng)具有更低的接地電阻。