矿区变电站进线段杆塔辅助接地网散流特性研究

谢洪平，连学森，黄涛，杜长青，陈勇，刘亮

(1.国网江苏省电力工程咨询有限公司， 江苏 南京 210024；2.山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255000)

0 引言

变电站是矿区的主要动力供应站，其安全稳定性非常重要[1-2]。矿区变电站多处于山谷地区，其输电线路多架设于山区，落雷密度大，容易发生雷电灾害。如果雷电流侵入波对矿区变电站电气设备造成损害，将导致矿井通风系统停电，矿井内部瓦斯气体浓度急剧上升，威胁工人生命安全[3]。煤矿现场实践经验表明，进线段防雷保护可有效衰减雷电流侵入波，其中降低进线端杆塔的接地电阻是防雷的关键[4]。因此，铺设简单、实用、具有高效散流特性的接地装置具有重要意义。

现阶段，对矿区变电站进线段保护及接地装置的研究逐渐增多。文献[5]对屯兰变电站进线段杆塔因遭受雷击导致主变压器损坏的事故进行了剖析研究，提出利用树枝状放射接地体优化杆塔接地电阻、装设氧化锌避雷器、采用可调式过电压保护间隙3种措施进行防雷保护。文献[6]通过研究具体矿区雷击事故得出优化接地装置、规范避雷器接地引下线长度及位置等措施可提高矿区电网供电安全性。文献[7]通过ATP-EMTP软件仿真验证了利用保护间隙配合避雷器进行差异性保护及通过接地装置降低接地电阻等措施的可行性。文献[8]分析了由于变电站进线段接地电阻过大导致的变电站雷击事故，并提出了相应的防雷保护措施。文献[9]采用仿真模拟和试验的方法研究了水平接地体、针刺型接地体在复杂土壤结构下的冲击特性。由于矿区变电站及输电线路所处地形复杂，在对杆塔接地网进行外延降阻时，往往存在地形受限、有效散流长度短、降阻效率低等问题，对外延接地进行合理设计与结构优化，对指导实际矿区变电站与输电线路防雷具有现实意义。

本文根据发电站、变电站等大型接地网采用辅助接地网降阻的思路，提出对进线段杆塔这种小型接地网采用长距离外延引线辅助接地的降阻方法。通过电力行业通用的防雷接地计算软件CDEGS建立相应仿真模型，研究钢管塔单向辅助接地网的散流特性及其影响因素，同时，研究不同土壤结构对外延辅助接地网降阻效率的影响规律。

1 接地网建模

降低进线段杆塔的接地电阻，能够有效提高其反击耐雷水平，从而降低进线端绕击事故概率。通过铺设辅助接地网和外延引线，可降低钢管塔的接地电阻，达到散流的目的。针对矿区变电站进线段钢管塔，建立“Τ”型、“Γ”型、方框型、垂直型单向辅助接地网，杆塔与辅助接地网之间由外延引线连接，如图1所示。外延引线的作用是将入地电流更多地散流至终端，以降低杆塔接地电阻。

图1 接地网模型Fig.1 Grounding grid models

在CDEGS软件中建立钢管塔塔基与单向辅助接地网模型，接地网采用φ10 mm、电阻率为1.92×10-6Ω·m、相对磁导率为636的镀锌钢接地体，直接与塔基内部钢筋连接，埋深为0.6 m。塔基埋深为0.6 m，长度为8 m，内部由24根φ22 mm钢筋沿着半径为0.44 m的圆环围成，外围混凝土厚度为0.06 m，混凝土电阻率取10 000 Ω·m。仿真中，取雷电流峰值为20 kA，通过一根长度为10 mm、直径为1 mm的引下线注流，将内部钢筋等值成内径为0.404 m、外径为0.444 m的垂直钢筒。塔基模型及其等值模型如图2所示。

根据图2所示的仿真模型，采用CDEGS软件计算接地电阻[10]，结果见表1。

由表1可知：采用2种模型计算得到的接地电阻相对误差小于2.5%，从工程角度来看，该误差在可接受范围内。由于等值模型的构建和计算更加简便，本文采用等值模型进行钢管塔外延辅助接地降阻的仿真计算。

(a) 塔基模型

表1 塔基模型和等值模型计算结果Table 1 Calculation results of tower base model and equivalent model

2 外延引线长度对散流特性的影响

为了更好地描述单向辅助接地网对钢管塔接地电阻的影响，引入降阻效率γ:

(1)

式中：R0为没有单向辅助接地网时的杆塔接地电阻；R为有单向辅助接地网的接地电阻。

外延引线可以将更多入地电流引向辅助接地网，并在引流过程中将部分电流散流至周围土壤中，起到一定的降阻作用。在CDEGS软件中建立钢管塔塔基等值模型，用外延引线与等值模型直接连接。设置外延引线长度为20～100 m，混凝土电阻率为10 000 Ω·m，土壤电阻率为250 Ω·m，入地电流大小为20 kA，入地电流频率为50 Hz和5 000 Hz(分别代表工频和高频电流)，通过仿真计算外延引线长度L取不同值时的接地电阻，结果见表2。

由表2可看出，在工频电流的作用下，随着外延引线长度增加，接地电阻逐渐减小，减小幅度也逐渐减小。随着外延引线长度增加，最大降阻效率达到89.08%。在高频电流作用下，当外延引线长度为60 m时，降阻效率可以达到79.79%，但是接地电阻减小的趋势逐渐减缓。这是由于外延引线具有一定的有效散流长度，超出有效散流长度后，降阻效果就不会明显提升。当外延引线长度大于60 m时，辅助接地网降阻效率增大的趋势减缓。在实际工程应用中，采用镀锌钢接地材料作为外延辅助接地网的外延引线时，其长度不宜过长，否则将造成材料与施工成本的浪费。

表2 外延引线长度取不同值时的接地电阻Table 2 Grounding resistances with different extension lead length

为了定量分析外延辅助接地网的分流作用，定义流入外延引线的电流IW与总注入电流IZ的比值为分流系数η：

(2)

分流系数η用于表征外延辅助接地网对钢管塔混凝土桩基的分流能力。外延引线长度取不同值时的分流系数如图3所示。

图3 外延引线取不同值时的分流系数Fig.3 Shunt coefficients with different extension lead length

由图3可知，在工频及高频入地电流作用下，随着外延引线长度增加，接地网的分流系数增大。在工频电流作用下，最大分流系数达到92%；在高频电流作用下，最大分流系数约为85.5%。但是，由于外延引线具有一定的有效散流长度，在工频电流下外延引线长度超过60 m或在高频电流下外延引线长度超过50 m时，分流系数增大的趋势减缓。

此外，从图3还可得出，在工频电流下外延引线可以将更多电流散流至终端。这也进一步说明了在高频电流作用下，镀锌钢外延引线的电感效应与趋肤效应进一步增强，阻碍了电流流向远端，导致外延辅助接地网存在有效散流长度。

3 接地网形式对散流特性的影响

为了研究接地网形式对降阻效果的影响，建立“Τ”型、“Γ”型、垂直型、方框型4种辅助接地网模型。设置土壤电阻率为250 Ω·m，入地电流为20 kA，辅助接地网长度为40 m，垂直型接地网每段长度为8 m，垂直型接地网模型如图4所示。

图4 垂直型接地网模型Fig.4 Model of vertical grounding grid

不同形式辅助接地网的接地电阻见表3。由表3可看出，随着外延引线长度增加，不同辅助接地网形式下的接地电阻均减小，但是减小的趋势逐渐减缓。在工频电流作用下，降阻效率为81.71%～89.60%；在高频电流作用下，降阻效率保持在80%左右。这是由于在高频电流作用下，镀锌钢接地材料的电感效应和趋肤效应逐渐增强，降阻效率与工频下相比有一定下降。从表3还可看出，“Τ”型、“Γ”型、方框型接地网的接地特性比较稳定。

表3 不同形式辅助接地网的接地电阻Table 3 Grounding resistances with different auxiliary grounding grid forms

由仿真计算结果可得不同形式辅助接地网的分流系数，如图5所示。

(a) 50 Hz电流作用下的分流系数

由图5可知，由于电感效应和趋肤效应的影响，工频下接地网的分流作用明显优于高频下的分流作用。在工频入地电流作用下，“Τ”型、“Γ”型辅助接地网的分流作用最好，最大分流系数为92%。在高频入地电流作用下，“Τ”型辅助接地网的分流效果比其他3种接地网好，最大分流系数为85.8%，但是当外延引线长度超过45 m时，分流系数基本不再增大。在实际工程应用中，在土壤电阻率较小区域，可以选用“Τ”型、“Γ”型辅助接地网，以达到理想的降阻效果。

为了观察“Γ”型辅助接地网的散流过程，通过仿真计算得到外延引线长度为45 m时的散流分布情况，如图6所示，其中X为塔基直径加外延引线的铺设长度，Y为辅助接地网的铺设长度。

(a) 50 Hz电流作用下的散流

由图6可看出，在工频电流作用下，单向辅助接地网的散流更加均匀；在高频电流作用下，电流多流入接地网前端。这是因为镀锌钢接地体直径小，相对磁导率较大，当电流频率增加时，受趋肤效应影响增强，阻碍电流流向远端。此外，镀锌钢接地体有明显的端部效应，在辅助接地网尾部和塔基顶部散流相对较多。由于屏蔽效应的影响，外延引线与辅助接地网的连接点处散流最少。

4 土壤电阻率对接地网散流特性的影响

矿区进线段地形复杂多变，地质条件不一，土壤电阻率差异较大。为了最大限度地模拟地形和地质条件对接地电阻的影响，分别建立均匀土壤、分块土壤条件下的辅助接地网模型。在仿真软件中建立等值模型，设置土壤电阻率为50～1 000 Ω·m，混凝土电阻率为10 000 Ω·m，入地电流大小为20 kA，入地电流频率分别为50，5 000 Hz。通过仿真计算不采取任何降阻措施时的钢管塔塔基接地电阻，结果见表4。

表4 不采取任何降阻措施时的塔基接地电阻Table 4 Tower foundation grounding resistances without any resistance reduction measures

4.1 均匀土壤电阻率的影响

设置土壤电阻率ρ为50，250，500，750，1 000 Ω·m，建立钢管塔塔基模型，外延引线长度为45 m，辅助接地网长度为40 m，垂直型接地网每段长度为8 m，入地电流大小为20 kA，入地电流频率分别为50，5 000 Hz。计算不同土壤电阻率下的接地电阻，结果见表5。

表5 不同土壤电阻率下的接地电阻与降阻效率Table 5 Ground resistances and resistance reduction efficiencies under different soil resistivities

由表5可知，随着土壤电阻率逐渐增大，单向辅助接地网的降阻效率逐渐降低。这是由于土壤电阻率增大，接地网向周围土壤散流的能力减弱。由于趋肤效应的影响，单向辅助接地网在工频电流作用下的降阻效率高于高频电流作用下的降阻效率。在土壤电阻率较小的情况下，4种单向辅助接地网降阻效率差别不大；随着土壤电阻率增大，“Γ”型单向辅助接地网的降阻效果比其他3种单向辅助接地网好。在工频电流作用下，单向辅助接地网最大降阻效率达到95.54%，降阻效果非常明显。

均匀土壤条件下的分流系数如图7所示。由图7可知，土壤电阻率较小时，4种单向辅助接地网的分流系数大小基本没有差别；随着土壤电阻率增大，各种接地网分流系数逐渐减小，且减小趋势逐渐变缓。“Γ”型单向辅助接地网在土壤电阻率较大时的分流系数比其他3种接地网更大，这说明“Γ”型单向辅助接地网散流能力更好。从图7还可看出，工频电流作用下各种接地网的分流系数明显大于高频电流作用下的分流系数。最大分流系数约为96.5%。在实际工程应用中，建议选用“Γ”型单向辅助接地网，以获得理想的降阻效果。

(a) 50 Hz电流作用下的分流系数

为了直观地看出“Γ”型接地网在电阻率较大情况下的散流过程，通过仿真计算得到土壤电阻率为1 000 Ω·m时外延辅助接地网的散流分布，如图8所示。

(a) 50 Hz电流作用下的散流情况

由图8可知，在土壤电阻率较大的条件下，镀锌钢接地体受端部效应的影响特别显著,辅助接地网终端及塔基处散流最多。由于土壤电阻大，屏蔽效应强，外延引线及辅助接地网中段向周围土壤散流较少，且散流比较均衡。与工频电流作用下的散流情况相比，在高频电流作用下，趋肤效应增强，不利于均衡散流，且屏蔽效应增强，辅助接地网与外延引线连接处散流少，更多电流在端部流至周围土壤中，单向辅助接地网终端散流减少。

4.2 分块土壤电阻率的影响

设置左侧土壤电阻率为250 Ω·m，右侧土壤电阻率ρ1为50，250，500，750，1 000 Ω·m，建立分块土壤模型，如图9所示。设外延引线及辅助接地网参数与均匀土壤电阻率下的参数相同，计算分块土壤条件下的接地电阻与降阻效率，结果见表6。

图9 分块土壤模型Fig.9 Block soil model

表6 分块土壤条件下的接地电阻与降阻效率Table 6 Grounding resistances and resistance reduction efficiencies under block soil conditions

由表6可知，右侧土壤电阻率越低，单向辅助接地网的降阻效果越好。工频电流作用下，最大降阻效率达到95.12%，最小为75.53%。因此，单向辅助接地网能够很好地解决钢管塔接地电阻较大的问题。从表6还可看出，“Γ”型单向辅助接地网的降阻效果最好，建议在实际工程中选用“Γ”型单向辅助接地网。

分块土壤条件下的分流系数见表7。由表7可知，由于趋肤效应的影响，在高频电流作用下，镀锌钢材料的散流特性变差，不利于向周围土壤散流，因此工频电流作用下的分流系数大于高频电流作用下的分流系数。当右侧土壤电阻率为50 Ω·m时，辅助接地网分流作用最强，工频电流作用下，最大分流系数达到96.85%。随着右侧土壤电阻率增加，分流系数逐渐减小。

表7 分块土壤条件下的分流系数Table 7 Shunt coefficients under block soil conditions

在实际工程应用中，应尽可能将辅助接地网铺设于土壤电阻率较小的区域或者对局部土壤采取换土措施，如将辅助接地网铺设于近水源的水沟、水塘、沼泽等区域(确保附近无人触及)，或将外延引线铺设至路基两侧的低洼处、草地等，以进一步提高钢管塔辅助接地网的降阻效率。

5 结论

(1) 外延引线长度对进线段杆塔的接地电阻有显著影响。外延引线长度越大，降阻效果越好。在工频电流下外延引线长度超过60 m或在高频电流下外延引线长度超过50 m时，分流系数增大的趋势减缓,在工频电流作用下，降阻效率可以稳定在85%以上。从实际工程经济性考虑，建议矿区钢管塔外延引线长度不超过60 m。

(2) 单向辅助接地网可以明显降低钢管塔的接地电阻。“Τ”型、“Γ”型单向辅助接地网的分流作用最好，最大分流系数约为92%。由于趋肤效应的影响，高频电流作用下单向辅助接地网的降阻效果变差，分流作用减弱。在实际工程应用中，建议采用“Τ”型或“Γ”型单向辅助接地网。

(3) 在均匀土壤条件下，“Γ”型单向辅助接地网的接地电阻最小，分流作用最好；在土壤电阻率较大区域，降阻效率在75%左右；在土壤电阻率较小区域，降阻效率可以达到95.5%。在分块土壤条件下，土壤电阻率较大区域辅助接地网降阻效率仍在70%以上。在实际工程应用中，建议将辅助接地网铺设于土壤电阻率较小区域，或者对土壤电阻率较大区域进行局部换土措施，以提高辅助接地网的降阻效率。