基于ATP-EMTP的杆塔接地装置冲击接地电阻仿真研究∗

王思捷 黄 松 赵海龙

（1.海南电网有限责任公司电力科学研究院 海口 570311）（2.海南省电网理化分析重点实验室 海口 570311）

1 引言

杆塔的接地电阻是影响输电线路反击耐雷水平的最敏感因素，有效地降低线路杆塔接地电阻是线路防雷的重要措施之一［1～2］。减小杆塔接地电阻能够有效降低雷击杆塔时塔顶的电位升高，从而降低反击过电压，提高线路反击耐雷水平。由于杆塔接地装置主要用于将雷电流导引入地，因此更关注其在雷电流作用下的冲击响应特性。而事实上接地装置在雷电流作用时呈现出的响应特性与工频电流作用时虽有联系，但也有差别。因此，并不能完全依据工频特性来判断杆塔接地装置的防雷效果，对接地装置的研究应在雷电冲击条件下进行。

杆塔的冲击接地电阻Rch是反映接地装置雷电冲击特性的一项重要指标，本文运用基于电路理论的仿真计算方法研究杆塔接地装置的冲击特性，仿真计算在电磁暂态分析软件ATP-EMTP平台上进行。重点分析接地装置的冲击接地电阻在雷电流作用下的变化规律，以更全面地诠释接地装置的冲击特性。

2 雷电流模型

雷电流用双指数模型表达，并依据我国规程取2.6/50 μs的标准雷电流波形，如图1所示。雷电流幅值的选取，依据DLT620-1997《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》［3］中我国雷电流幅值分布的规定，取数十kA至100kA。

图1 标准雷电流波形

3 接地装置的等值电路

雷电流经由接地装置流入大地时，接地装置可分成长度相等的若干段接地体，每一段接地体均用π型等值电路等效。各π型电路由相应接地体段的自身电阻R、自身电感L、对地电容C、对地电导G组成［6］。一段等分成四部分的伸长接地体的等值电路如图2所示。

图2 接地体的π型等值电路

依据准静态场以及镜像原理，图2中各段等值电路中的参数R、L、C、G可分别由下列公式计算［3］：

式中，ρ0表示接地体自身的电阻率；l0为接地体分段后各段的长度；r表示接地体的半径；μ0为真空磁导率，取μ0=4π×10-7H/m ；l为接地体总长度；ρ表示接地体埋设区域土壤电阻率；h为接地体埋深；ε为土壤介电常数，取ε=9×8.86×10-12F/m。

4 运用ATP-EMTP搭建接地装置仿真模型

将接地装置等效为若干段π型等值电路，计算等值电路中各项参数，即可用ATP-EMTP中的电阻、电感、电容等原件搭建接地装置的仿真电路。用来模拟雷电流的双指数冲击电流可通过电流源元件Surge产生，雷电流测量及接地装置对地电位升高的测量由电流测量元件与电压测量元件完成。仿真计算中设定计算步长为1e-4 μs，计算起止时间为 0 μs～100 μs。仿真计算时，为了模拟火花效应的影响，需要实时地根据各接地体段的入地电流计算出接地体段的等效半径，依此改变接地体段的对地电导值，再进入下一时序的计算。这一过程可通过ATP-EMTP中的TACS控制电路完成。给每一段π型等效电路增加一项TACS控制电路，该控制电路的计算程式依据前述计算接地体等效半径及接地体对地电导的公式设定，根据采集的每一时刻接地体段的入地电流值，计算出接地体段的等效半径，再依等效半径改变等效电路中的对地电导值。ATP-EMTP中搭建的仿真电路如图3所示。

图3 接地装置仿真电路图

5 典型杆塔接地装置冲击接地电阻仿真计算

本文从冲击接地电阻的角度通过仿真计算方法分析典型输电线路杆塔接地装置的冲击特性。图4为典型的输电线路杆塔接地装置结构。

如图4所示，接地装置由圆钢构成，中心为正方形，正方形的四个角分别引出四条长度相等的射线。a为中间方框的边长，l为四周射线的边长。设a为6m不变，改变雷电流、接地装置及其周围土壤等其他条件，进行接地装置冲击接地电阻仿真计算，探讨杆塔接地装置的冲击特性。

图4 典型的线路杆塔接地装置结构

5.1 雷电流注入点对冲击接地电阻的影响

由于电感效应会阻止雷电流在接地装置中向接地装置的远端传播，雷电流注入接地装置后，其在接地装置中的散流是不均匀的。忽略端部效应，越靠近雷电流注入点的接地体段，经其流入土壤中的雷电流越大，反之，离雷电流注入点越远的接地体段，经其流入土壤中的雷电流越小。因此雷电流注入杆塔接地装置的位置直接影响到雷电流进入接地装置后流散的路径，从而影响到接地装置的散流效果。

设典型杆塔接地装置如图4所示，接地导体半径为0.005m，埋深0.6m，接地装置周围土壤的电阻率为500Ω·m。本小结在仿真计算中分别按照表1中所示的方式对接地装置注入幅值为20kA的雷电流。图5为表1中前两种注入方式示例，计算接地装置的冲击接地电阻，计算结果列于表1中。

图5 雷电流注入点图例

观察表1中的计算结果可知：计算得到的冲击接地电阻值随雷电流注入点数的增加或是雷电流注入点分布均匀程度的提高（图5（c）中雷电流注入点的分布较图5（b）更为均匀）而略微下降，计算结果相差很小。雷电流注入点数较少时，电感效应的存在使雷电流在接地装置中分布不均匀，影响了接地装置的利用率，冲击接地电阻稍大。雷电流注入点数越多，电流在接地装置中分布越均匀，冲击接地电阻越低。不过接地装置中间方框的边长a毕竟仅为6m，形成的电感效应有限，因此即使雷电流注入点数只有一个，雷电流在接地装置中的分布也与四点注入的情况相差不大，此时的冲击接地电阻值与四点注入差别很小。继续增加雷电流的注入点数，接地装置的冲击接地电阻会略微下降。

表1 雷电流注入点不同时的冲击接地电阻

5.2 接地装置长度对冲击接地电阻的影响

由于在典型杆塔接地装置结构中，中间方框的大小由塔基限定，因此本研究通过改变接地装置四周射线的长度，计算具有不同射线长度的接地装置的冲击接地电阻值，来分析杆塔接地装置长度对其冲击接地电阻值的影响。

采用雷电流四点注入方式，雷电流从20kA逐步升高至100kA，改变接地装置四周射线的长度，其余条件不变，计算不同射线长度的接地装置在不同雷电流条件下的冲击接地电阻值。

图6 不同长度接地装置的冲击接地电阻

观察图6并分析可知：杆塔接地装置的冲击接地电阻随其长度的增加而减小，同时由于电感效应的作用，冲击接地电阻降低的幅度随接地装置长度增加而减小。l=40m与l=50m的两种接地装置冲击接地电阻值十分接近，说明对于本研究所针对的接地装置，当l=40m时，即使再延长l的长度，对降低接地装置的冲击接地电阻也已基本无效果，因为接地装置中的雷电流会由于电感效应而无法再传导至新增加的接地体段，新增接地体段并不能在雷电流散流中发挥作用。该接地装置射线的有效长度（即在雷电冲击条件下可以被利用到的射线长度）应小于40m。图6中同样可以观察到接地装置的冲击接地电阻值随雷电流幅值的升高而降低，且这种降低随着雷电流幅值的升高趋于饱和。显然，在图6中，接地装置长度越长，其冲击接地电阻值随雷电流幅值升高而降低的趋势越弱，即火花效应的影响越弱。这是因为接地装置长度的增加增大了雷电流的散流路径，使土壤中的电流密度降低的缘故。

5.3 土壤电阻率对冲击接地电阻的影响

取图4所示的典型杆塔接地装置a=6m，l=10m，接地导体半径为0.005m，埋深0.6m。改变接地装置周围土壤的电阻率为500Ω·m～2000Ω·m，计算接地装置在20kA～100kA幅值的雷电流作用下的冲击接地电阻值。计算结果如图7所示。

图7 不同土壤电阻率下冲击接地电阻

观察并分析图7，图7（a）显示接地装置的冲击接地电阻随土壤电阻率的增大而明显增大，同时增大的幅度会随土壤电阻率的增大而有所减小，这是因为在相同幅值雷电流的作用下，土壤电阻率越高，土壤击穿区域越大，火花效应越明显的缘故。图7（b）也显示出随着土壤电阻率的增大，冲击接地电阻随冲击电流的幅值升高而下降的趋势越明显，火花效应越显著。正是由于火花效应更显著，高土壤电阻率下的接地装置冲击接地电阻与低土壤电阻率下的冲击接地电阻的差别会随雷电流幅值的增大而缩小。

表2给出了仿真中雷电流幅值为40kA时，在不同土壤电阻率条件下，接地装置中间方框部分紧靠雷电流注入点的接地体段土壤击穿区域的半径。

表2 不同土壤电阻率条件下接地装置周围土壤的击穿半径

6 实际杆塔冲击接地计算与分析

利用前述的仿真计算方法，选取某地区实际线路杆塔的接地装置，对其在10kA～100kA的雷电流作用下的冲击接地电阻值进行了仿真计算。图8所示为接地体结构。接地装置相关参数见表3。

图8 接地体结构

表3 接地装置相关参数

表4给出了1号杆塔至8号杆塔接地装置冲击接地电阻在雷电流幅值为10kA～100kA条件下的值，Rchn表示第n号杆塔接地装置的冲击接地电阻值。

表4 实际杆塔接地装置冲击接地电阻值

由计算结果可以看出：1号杆为单一伸长水平接地体，总长度已达40m，但冲击接地电阻仍有10Ω左右，偏高。这是因为接地体较长，受电感效应的影响，其本身并未得到充分利用。可见单一伸长接地体结构过于简单，接地体利用率低，接地效果不佳，宜改变接地装置结构，例如使用2号杆接地装置结构，可在不增加接地装置总长度的条件下取得更好的接地效果。2、3、6号杆使用典型杆塔接地装置结构，接地装置周围土壤电阻率较低，取得了较好的接地效果，冲击接地电阻均在6Ω以下。4、5号杆由于所处位置土壤电阻率较高，虽然接地装置结构合理，且总长度较长，但冲击接地电阻值仍然较高。5号杆接地装置的射线部分已长达60m，由于电感效应的存在，即使再增加射线长度，所增加的接地装置部分的利用率也会比较低下。这种情况可考虑使用降阻剂降低土壤电阻率的方式来达到降低接地装置冲击接地电阻的目的。7、8号杆的接地装置合理地利用了垂直接地体，将水平接地体与垂直接地体相结合，取得了不错的效果。这样结构的接地装置耗费材料少，且占地面积小，给杆塔接地装置的设计提供了一些新思路。

7 结语

1）本文基于电磁暂态软件ATP-EMTP搭建了雷电冲击条件下的接地装置模型，该模型通过改变接地导体的等值半径而实现了火花效应影响的模拟。

2）针对典型接地装置，研究了不同雷电流幅值下雷电流注入点、接地装置长度以及土壤电阻率的变化对对接地电阻值的影响，得到接地电阻的变化曲线。结果表明：雷电流注入点数增加会使接地电阻值略微下降；随着接地体长度的增加，接地电阻降低，且降低幅度逐渐减小，再延长接地装置的长度，对降低冲击接地电阻已基本无效果；由于火花效应更显著，高、低土壤电阻率下的冲击接地电阻的差别会随雷电流幅值的增大而缩小。

3）对8个实际输电线路杆塔的接地装置冲击接地电阻进行了仿真计算，分析了这些接地装置在实际应用中的接地性能。