荒漠戈壁地区降阻剂应用效果仿真分析

2022-02-08酒泉卫星发射中心娄革伟刘旭亮

电力设备管理 2022年24期

酒泉卫星发射中心娄革伟刘旭亮李娟

随着荒漠戈壁地区电力系统的快速发展，以及工业和生活用电需求的不断增加，电力系统的运行容量随之加大，使得该地区电厂、变配电所、高压电气装置、杆塔架空线等发生单相接地故障时的入地电流升高，加之荒漠戈壁地区干旱少雨，土壤电阻率高，仅仅按照规范要求设置接地网，其接地电阻较高，在入地短路电流增加的情况下，地电位升高、接触电压和跨步电压就远远超过正常允许值，对电网的平稳运行造成极大的威胁，同时对用电安全特别是用电检修人员的施工安全也产生重大隐患。因此，有必要采取措施降低荒漠戈壁地区接地装置的接地电阻。目前，常见的降低接地电阻的方法有添加降阻剂、导电混凝土置换、增加接地网埋深、引外接地、钻孔爆破法降低接地极与土壤接触电阻等[1]。考虑到荒漠戈壁地区土壤性质以及降阻可靠性等现实条件，本文着重对使用降阻剂后荒漠戈壁地区接地装置接地电阻的降阻效率进行研究分析。

国内交流接地系统应用降阻剂改善地网电阻的研究已近30多年，郑瑞臣等对降阻剂的降阻机理进行了研究和分析，提出在选择降阻剂时，应从降阻剂的电阻率、稳定性、环境污染、对接地极的腐蚀以及价格等方面综合考虑[2]。孟晓明等对耐腐蚀接地材料和降阻接地材料在高土壤电阻率地区的应用前景进行了分析和展望[3]。张国锋等人对降阻材料的降阻效率进行了研究，发现粉体状的缓释型降阻膏的降阻效率要远高于编织型接地模块和快装式接地极[4]。传统降阻剂在实际电力系统应用中存在较多问题，诸如降阻效率低、易流失、长效性不足以保证、污染土壤水源以及加速接地极腐蚀等。随着材料科技发展，各种新型降阻材料不断涌现，在实际工程应用中有效解决了上述问题。李欢欢以钠基膨润土为基材研制出一种低电阻率、高保水性、防腐性好的长效钠基膨润土复合降阻剂，有效解决了高土壤电阻率地区接地电阻过高的问题[5]。

为了分析和研究降阻剂在荒漠戈壁地区接地装置中对接地电阻的实际降阻效果，本文首先采用四极法对荒漠戈壁地区的土壤电阻率进行了取样测算，然后在CDEGS仿真计算软件中建立接地网模型，并基于该模型对降阻剂的降阻效率及其影响因素进行仿真分析，分别从降阻剂自身电阻率、敷设位置、敷设厚度、接地网面积等不同条件来对降阻剂的降阻效果进行分析研究，总结规律，为降阻剂在荒漠戈壁地区接地装置的实际工程应用提供参考。

1 荒漠戈壁地区土壤电阻率测算

常见的土壤电阻率测量方法包括土壤试样分析法、三极法和四极法。我国现行接地设计国家标准《GB/T 50065-2011交流电气装置的接地设计规范》推荐采用等间距四极法，即将四个测量电极沿一条直线打入土壤中，假设等间距为a，打入深度为b，然后测量两个中间电极之间的电位差，除以两个最外侧电极之间流过的电流即可得到一个电阻R，如图1所示。

图1 等间距四极法测土壤电阻率

根据得到的电阻值R和极间距a可以换算得到视在土壤电阻率：

其中，pa为视在土壤电阻率，R为测量得到的电阻，a为极间距，b为电极埋深b＜＜a。如果，上式可以简化为：

测量时如果极间距较小，则电流仅仅在土壤表面层流动，当极间距较大，较多的电流就会渗透到土壤深处；当土壤层电阻率反差不大时，可以近似假设测量得到极间距a的电阻率代表深度为a的土壤视在电阻率。因此将pa与对应的a绘制成曲线可以了解到土壤电阻率随深度变化的情况。

为了能够真实地测得荒漠戈壁地区的平均土壤电阻率，同时考虑含水量等因素的影响，分别在荒漠戈壁滩、生活区、湖河沿岸三处地点对土壤电阻率进行取样测试，得到视在土壤电阻率pa（折算到20℃）与深度a的曲线关系，如图2所示。

图2 荒漠戈壁滩地域土壤电阻率测量曲线

荒漠戈壁滩、生活区、湖河沿岸的土壤电阻率大约为2710Ω.m、2660Ω.m、2630Ω.m，综合考虑，取平均土壤电阻率为三者均值，即2667Ω.m。

2 降阻剂降阻效率和影响因素分析

为较为真实地反映荒漠戈壁地区接地系统的电气性能，首先根据测得平均土壤电阻率在CDEGS仿真软件中建立荒漠戈壁地区的土壤模型，如图3所示。然后模拟实际工况条件对仿真的电气参数进行设置，接地网模型按照等间距水平接地网进行考虑，接地极材料为普通镀锌圆钢，降阻剂为普通膨润土降阻剂，其电阻率为1.8～4.2Ω.m，其他仿真参数设置见表1。

图3 荒漠戈壁地区土壤结构仿真模型

表1 CDEGS仿真参数设置

在不使用降阻剂时单根水平接地极的工频接地电阻可由式（3）近似求得：

其中，Rh为单根水平接地极的工频接地电阻，p为土壤电阻率，Lh为水平接地极的长度，d为接地极的等效直径，A为形状系数取-0.6。经计算Rh为38.229Ω。

2.1 降阻剂自身电阻率对降阻效率的影响分析

实际工程应用中，采用电阻率测试仪测得的降阻剂实际电阻率往往比其标称电阻率要大很多。为了分析降阻剂自身降阻率对降阻效率的影响，在CDEGS软件中建立等间距水平接地网模型，单根接地导体如图4所示，接地极总长度为100m，引下线为单端引下线，降阻剂敷设厚度为0.2mm，当电阻率分别为4.2Ω.m、3.8Ω.m、3.4Ω.m、3.0Ω.m、2.6Ω.m、2.2Ω.m、1.8Ω.m时，采用表1所示参数设置，对不同条件下的接地电阻和降阻效率进行仿真计算，结果如表2及图5所示。

图4 等间距水平接地导体仿真模型

图5 降阻剂自身电阻率对降阻效率的影响

表2 降阻率自身电阻率对降阻效率的影响

可以看出，降阻剂的电阻率越低，电导越大，接地装置的接地电阻也越低，降阻效率越来越好但整体降低幅度不大，并且降阻剂电阻率较高时，通过降低降阻剂的电阻率可以获得一定的降阻效率提升，但达到一定程度之后，降阻效果不再提升。主要原因是在高土壤电阻率条件下，降阻剂对土壤的散流性能的提升是有限的，使用电阻率低的降阻剂并不能有效地改善荒漠戈壁地区接地装置的工频接地电阻。

2.2 敷设位置对降阻效率的影响分析

为分析研究降阻剂敷设位置不同对降阻效率的影响，在CDEGS仿真软件中，假设有一水平接地体，长度为120m，分成6段，每段长度为20m，分别为0～20m、20～40m、40～60m、60～80m、80～100m、100～120m。降阻剂电阻率1.8Ω.m，敷设厚度0.14m，敷设长度为20m，其他参数设置同表1。现分别在接地体的6个不同位置进行敷设降阻剂，仿真计算结果如图6所示。

图6 不同敷设位置条件下降阻剂的降阻效率

当降阻剂敷设在水平接地体越靠近端部区域时，降阻效率越高，敷设在端部的降阻效率要比敷设在中间位置的降阻效率高2.5%左右。这主要是由于在荒漠戈壁地区的接地装置中，受到集肤效应和端部效应的影响，接地体的不同位置与土壤接触时的散流特性是有差异的，因此对接地体特别是水平接地体来说，降阻剂敷设位置不同，降阻效率就不同，越靠近接地体两端进行敷设，降阻剂的降阻效果就越好。

2.3 敷设厚度对降阻效率的影响分析

在CDEGS仿真软件建立一水平接地体模型，长度为100m，其他参数同表1。为分析研究降阻剂敷设厚度对降阻效率的影响，在CDEGS软件中将降阻剂模拟为水平接地体的导体涂层，降阻剂敷设厚度以涂层厚度来表征。厚度分别设为0.04m、0.06m、0.08m、0.1m、0.12m、0.14m、0.16m。仿真计算结果如图7所示。

图7 敷设厚度对降阻效率的影响

随着降阻剂敷设厚度的增加，降阻效率有比较明显的增加，但其增加的幅度逐渐降低，在敷设厚度超过0.1m时，再增加降阻剂的敷设量，对接地电阻的改善作用效果不大，降阻效率最多不超过21%。这表明，使用降阻剂能有效改善荒漠戈壁地区高土壤电阻率条件下接地体周围土壤的电阻率，增大了接地体的等效散流半径，从而起到降阻作用，但随着降阻剂敷设厚度的增加，由于集肤效应和邻近效应的影响，接地体和降阻剂之间的屏蔽作用增强，接地装置的降阻效率的提高幅度逐渐趋于平缓。

2.4 接地网面积对降阻效率的影响分析

为研究不同接地网面积条件下，降阻剂对接地装置的降阻效率，在CDEGS仿真软件中构建接地网模型，参数设置同表1，降阻剂沿接地体整体敷设，敷设厚度0.08m。接地网面积初始值为10m2，每次增加2m2做一次仿真计算，得到降阻效率与接地网面积之间的折线图，如图8所示。

图8 接地网面积对降阻剂降阻效率的影响

由图8可以看出，在相同的土壤条件及敷设参数下，随着接地网面积的增加，降阻剂的降阻效率呈现下滑的趋势。这主要是由于在高土壤电阻率地区，接地网面积越大，降阻剂所带来的土壤散流特性提升越小，单纯使用降阻剂并不足以有效地改善土壤电阻率高的缺陷。在降阻剂使用数量有限的情况下，接地电阻的减小更多地依赖于扩大接地网面积或者是增加接地体数量，相对于接地网本身对接地电阻的影响，降阻剂的作用在接地网规模扩大时会越来越弱化。