柔性石墨接地体与金属接地体散流特性对比

詹清华，阮江军，龙明洋，黄道春，肖 微，张思寒，李恒真，罗容波

（1．广东电网公司佛山供电局，广东 佛山 528000；2．武汉大学电气工程学院，武汉430072）

柔性石墨接地体与金属接地体散流特性对比

詹清华1,2，阮江军2，龙明洋2，黄道春2，肖 微1,2，张思寒1，李恒真1，罗容波1

（1．广东电网公司佛山供电局，广东 佛山 528000；2．武汉大学电气工程学院，武汉430072）

不同接地材料因其电磁参数的不同使得接地体的工频与冲击散流特性有区别。针对石墨、锰铜和钢三种接地材料进行仿真建模计算，建立了输电线路杆塔接地网常用的方框带射线型接地网模型，分别对比分析了三种接地材料在不同频率电流、不同土壤电阻率条件下的冲击散流特性，阐述了接地体散流特性对接地阻抗的影响。通过对比分析可知：在高频电流、高土壤电阻率条件下，柔性石墨接地体在远端的散流能力要优于钢接地体，接地阻抗更小。

柔性石墨接地体；金属接地体；冲击散流特性；接地阻抗

0 引言

输电线路是电网的基本组成部分，根据统计数据发现，造成输电线路发生故障的主要原因是雷击跳闸[1－2]。输电线路杆塔接地网的长期有效性对提高线路的耐雷水平，减少雷电事故有着重要的作用。目前，杆塔接地网的主要材料为金属接地材料，这在实际运行中面临着许多问题：易腐蚀、成本高、与土壤贴合度差、施工难度大以及存在偷盗现象等[3－6]。因此，研究新型非金属接地材料并在电力系统接地领域中推广应用，对于节省我国稀缺金属资源，提高电力接地系统的安全性与稳定性具有重要意义。在这样的背景下，武汉大学团队设计并制备了一种非金属接地材料——柔性石墨复合接地材料。柔性石墨复合接地材料具有如下特性：良好的导电性与冲击电流耐受特性、可靠的耐腐蚀性、力学结构稳定、良好的热稳定性、运输及施工方便，与土壤贴合度高、预防偷盗及人为破坏、可控的生产成本[7]。接地材料的电阻率与磁导率是影响接地阻抗的重要参数。高频电流作用下，由于接地材料磁导率与电阻率的不同，会形成不同程度的趋肤效应及电感效应，此时接地体本体电阻及电感则会直接影响电流在土壤中的散流情况。显然，电流分布直接决定了接地阻抗的大小。为了研究柔性石墨接地体的冲击接地性能，笔者从冲击散流特性的角度，对比分析了柔性石墨接地体、锰铜以及钢接地材料在不同频率电流、不同土壤条件下的接地散流特性，并阐述了接地体散流特性对接地阻抗的影响，为输电线路接地选材及设计提供参考。

1 仿真计算方法及模型

选取了三种输电线路杆塔接地网常见的接地材料，其中锰铜和钢接地体的直径均为10 mm，柔性石墨接地体的直径为28 mm，几种材料的具体参数[7-8]如表1所示。仿真试验所取的接地网模型为输电线路杆塔常用的方框带射线型接地网，方框接地网的边长为 10 m，四角射线外延100 m，如图1所示。

图1 方框射线型接地网Fig.1 Box with extension lines-shaped grounding grid

表1 不同接地材料的相关参数Table 1 Parameters of different grounding materials

为分析三种接地材料的散流特性，采用矩量法对接地体散流进行计算。矩量法[9]计算时，将接地体划分成K个小导体段单元，己知各导体段中点电位和泄漏电流之间的关系为

式中：φk和In分别为导体段中点电位和泄漏电流的K维列向量；R为K阶方阵，R中元素Rij为第j段导体与第i段导体中点间的转移阻抗。

以导体段之间的交点为节点，以导体段中点电位为电压源，以无穷远为电位参考点，列写节点电压方程为

式中：φp为节点电压列向量；Is为节点注入电流列向量，如果节点上无外加注入电流，则Is中相应的元素为零；Gl为M×K矩阵，如果节点i与导体段j相连，则元素Glij为导体段j半段所对应的自电导，否则Glij为零；G为节点电压方程的电导矩阵，对于对角线上的元素，其值为与相应节点相连的所有导体段半段所对应的自电导之和，对于其它元素有：

由式（2）可得节点电压为

由节点电压和导体段中点电位可得各导体段首末2个端点流过的轴向电流为

式中：A1为节点与各导体段首端的关系矩阵，如果第i段导体的首端与第j个节点相连，则a1，ij=1，否则a1，ij=0；A2为节点与各导体段末端的关系矩阵，如果第i段导体的末端与第j个节点相连，则a2，ij=1，否则 a2，ij=0。

最后，由导体段漏电流与流过其2个端点的轴向电流的关系

将式（5）和（6）代入式（7）并整理，可得以泄漏电流为未知量的方程为

式中：E为单位矩阵。

求解式（8）可得各导体段的泄漏电流，由泄漏电流通过式（l）可以求得各导体段中点电位。

假设方框带射线型接地网埋设在土壤电阻率为500 Ω·m的土壤中，埋深为0.8 m，注流点为方框的四个顶点，考虑电极的对称性，选取接地网的一条射线作为计算对象。将接地网四角射线每隔10 m作为一个分段（共10分段），并在各段设定观测点。计算模型如图2所示，其中Ii和Ji分别表示流入下一段导体的电流（纵向电流）和泄漏到土壤中的电流（入地电流）。

图2 接地体计算模型Fig.2 Calculation model of grounding electrode

2 不同接地材料散流特性对比

2.1 入地电流频率对散流特性的影响

自然界中的雷电流包含0～200 kHz多种频率成分，雷电流波前时间影响着电流频域宽度，而一般波前时间仅有数微秒，因此构成雷电流波前部分的频率分量主要集中在高频部分[10]。因此，杆塔接地网在雷电流作用下的响应，可以看作接地网在多个频率电流共同作用下的响应（线性系统下）。由于求解在雷电流作用下各个时刻的实时电阻与电感较为困难，本文选取了几个特定频率的电流来反映不同接地体的散流特性，仍然能够反映高频电流作用下不同接地材料散流特性的差异。计算中，取注流点电流的频率分别为 50 Hz、500 Hz、1 000 Hz、10 000 Hz、50 000 Hz和200 000 Hz，方框带射线型地网四个注流点的注入电流幅值I均取为1 kA。不同频率下，纵向电流Ii和入地电流Ji仿真结果如图3所示。

以钢接地体为例，流进钢接地体各导体段初始点的电流如图3（a）所示：钢接地体在小于1 kHz的较低频率下各段通流基本呈线性减少的趋势，随着频率的增大，流入接地网射线接地体首端的电流减小，在方框接地体中的散流增加，射线接地体各段通流开始呈现注流端高而尾端小的变化趋势。这说明钢接地体在低频下各段均能向土壤有效散流，各段通流线性减小，而在高频下，受接地体电感效应的影响，钢接地体向射线接地体远端通流的能力减弱，更多电流由注流极附近的方框地网入地。

图3（b）描述了φ10 mm钢接地体的散流特点：在电流频率不超过1 kHz时，钢接地体各段向土壤中的散流基本在20～30 A范围内，由于射线接地体与方框接地体之间存在屏蔽效应，钢接地体各段向土壤中的散流呈现明显的“端部效应”[11－12]，即首端散流少，末端散流多。随着电流频率的增大至200 kHz时，接地体散流不再均匀，而是集中在接地体首端附近进行散流，50～100 m导体段的散流趋近于0，此时接地体并未完全参与散流，造成接地材料的利用率降低，这与图3（a）是一致的。

图3 频率对散流特性的影响Fig.3 The effect of frequency on current release characteristic

图3（c）－（d）分别描述了 φ10 mm 锰铜、φ28 mm柔性石墨接地体的散流特点：由图3（c）可知，在电流频率不超过10 kHz时，锰铜接地体各段向土壤中的散流基本在17～30 A范围内，在接地体末端呈现一定的端部效应，相比之下，在10 kHz时，圆钢已经出现散流不均匀的情况，曲线斜率明显增加，端部效应已经不再明显。同样的，由图3（d）可知柔性石墨接地体与锰铜接地体散流特点基本一致，在电流频率不超过10 kHz时，除端部以外，柔性石墨接地体各段向土壤中散流基本一致，入地电流在20～30A范围内。

从以上分析可知，在不同频率电流的作用下，柔性石墨接地体和锰铜接地体的高频散流特性接近。虽然，由于外自感的存在，电感效应无法避免，随着电流频率的增加，三种接地材料利用率均降低，但相比之下，柔性石墨接地体与锰铜接地体均属于非磁性材料，高频下趋肤效应更小，因此散流比圆钢接地体均匀，有效长度更长。

2.2 土壤电阻率对散流特性的影响

为了更加全面地对比三种接地材料冲击散流特性的区别，本节将研究土壤电阻率对接地体散流特性的影响，仿真计算分别选取土壤电阻率为50Ω·m、500 Ω·m 和 2 000 Ω·m。此外，考虑到不同频率的电流散流时，土壤电阻率对接地体散流特性的影响是动态变化的。图4所示的结果中同时列出了土壤电阻率和入地电流频率（取低频、中频和高频3种频率的入地电流）对接地体散流特性的影响。

由图4（a）可知，在入地电流频率为50 Hz，土壤电阻率为50 Ω·m的条件下，锰铜接地体散流最均匀，圆钢接地体次之，柔性石墨接地体散流最不均匀。但随着土壤电阻率的增大至500 Ω·m以上，柔性石墨接地体与金属接地体的散流差别逐渐减小，同时端部效应逐渐明显。这是由于高电阻率土壤一定程度抑制了电流在地中散流，迫使电流流向接地体远端，使得接地体有效长度增加。

图4（b）－（c）可知，随着入地电流频率增加，电感效应对接地体散流的影响开始凸显，土壤电阻率

图4 土壤电阻率对散流特性的影响Fig.4 The effect of soil resistivity on current release characteristic

使电流散流均匀的作用开始减弱，如图4（b）中，土壤电阻率为500 Ω·m时，由于圆钢接地体磁导率最大，趋肤效应及电感效应最明显，因此圆钢接地体首先呈现散流不均匀的情况。而当频率增加至200 kHz，如图4（c）所示，土壤电阻率为 50 Ω·m 时，注流点的散流较多，距离注流点20 m之后的远端接地体向土壤散流接近于0，接地材料的利用率较低。在土壤电阻率500 Ω·m以及2000 Ω·m时三种接地材料的端部效应已经消失，均呈现首端大，末端小的情况。同时，高土壤电阻率下，各材料的差别会有所减小，这是地中散流减少，接地体有效长度增加造成的，与50 Hz下的影响一致。由上述分析可知，在高土壤电阻率和高频电流作用下，受接地体趋肤效应与电感效应的影响，相对于常见的φ10 mm圆钢接地材料，φ28 mm柔性石墨接地体散流更趋于均匀。

2.3 接地阻抗对比分析

注入接地体中的电流通过沿着接地体流向远端以及在此过程中的向土壤散流完成“接地”过程。因此，接地体的散流特性决定着参与散流的接地体和土壤的多少，且以接地体的接地阻抗作为外在表征。按照上述接地体散流模型，以上几种接地材料在不同土壤电阻率以及不同频率电流下的散流特性使得其接地阻抗表现出差异，对比结果如图5所示。

图5 接地阻抗对比Fig.5 Grounding impedance contrast

由图5几种接地材料在同一土壤条件的接地阻抗横向对比可知，随着电流频率的增大，受电感效应的影响，各接地体向远端的散流能力减弱，接地阻抗均呈现出不同程度的增大，且钢接地体增加的幅度要明显大于柔性石墨接地体。而通过纵向对比可知，这种增加幅度还受到土壤条件的制约。

结合图4可知，在低频电流（50 Hz）下，由于电感效应小，钢接地体较柔性石墨接地体散流更为均匀，此时钢接地体的接地阻抗更小。随着电流频率增大，结合图4（b）、4（c）可知，钢接地体向土壤中散流的不均匀程度增大，此时柔性石墨接地体的接地阻抗较之更小。当土壤电阻率增大时，即使在低频下，柔性石墨接地体也比钢接地体更为均匀，其接地阻抗也体现出优势。因此，柔性石墨接地体虽然自身电阻率较金属接地体高，但在一些高频电流、高土壤电阻条件下，其散流特性要优于现行φ10 mm钢接地体，具有更小的接地阻抗，这在输电线路杆塔接地网中具有较为明显的工程实用价值。

3 结论

1）在不同频率电流的作用下，柔性石墨接地体和锰铜接地体的散流特性基本一致，在高频电流、高土壤电阻率条件下，φ28 mm柔性石墨接地体的散流特性要优于φ10 mm钢接地体。

2）冲击散流的均匀度与接地阻抗大小直接相关，因此柔性石墨接地体比圆钢更适用于输电线路杆塔防雷接地工程，且在高频电流、高土壤电阻率条件下，优势明显。

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Comparison Study on Current Dispersing Characteristic of Flexible Graphite Grounding Material and Metal Grounding Material

ZHAN Qinghua1,2，RUAN Jiangjun2，LONG Mingyang2，HUANG Daochun2，XIAO Wei1,2，ZHANG Sihan1，LI Hengzhen1，LUO Rongbo1
（1.Foshan Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Company，Foshan 528000，China；2.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Different grounding materials have different current dispersing characteristics of power frequency and impulse grounding because of different material parameters.Simulation?modeling calculation of graphite，copper and steel grounding materials are conducted，the box with extension lines－shaped grounding grid model which is common in transmission tower grounding grid is established.Then comparison and analysis of three grounding materials are carried out with different frequencies and different soil conditions.At last，the influence of grounding material current dispersing characteristic on grounding impedance are proposed.By comparing the results of data analysis，it can be found that under the condition of high frequency current and high soil resistivity，the impulse current dispersing characteristic of flexible graphite grounding material is better than that of steel grounding material at the end and the grounding impedance is also smaller.

flexible graphite grounding material；metal grounding material；impulse current dispersing characteristic；grounding impedance

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.013

2016－03－04

詹清华（1977—），男，博士，高级工程师，研究方向为高压输电技术及管理工作。

南网科技支撑项目（编号：K－GD2014－0867）。