某城市110 kV钢管塔接地安全校核及改进设计

2022-10-24易俊华刘宇彬曾军琴

电瓷避雷器 2022年5期

杨鑫，易俊华，刘宇彬，曾军琴，董盼，姚铮

(1．长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114； 2．湖南经研电力设计有限公司，长沙 410014)

0 引言

考虑到经济效益等问题，现阶段城市输电网仍然较多采用架空线路的形式。钢管塔是城市输电线路杆塔的典型型式。城市输电钢管塔大都分布在马路边或马路中央的花坛中，属于人流密集区域。当城市输电钢管塔发生工频或雷击接地短路故障时，会造成杆塔周围地电位的急剧升高，在杆塔周围产生危险的跨步电压和接触电压，从而威胁人身安全[1-2]。因而，对于城市钢管塔的接地安全指标，除了接地电阻之外，还应注重考虑接触电压和跨步电压等安全性指标。针对城市输电钢管塔接地装置的安全优化设计对确保周围人员安全具有重要意义。

国内外对接地装置的安全性设计和研究主要针对发电厂、变电站的接地网。通过对矩形地网内部网格调控，地表铺设沥青、砾石等方法，使得周边电位梯度、设备接触电压和跨步电压等接地安全参数满足安全值的要求[3-6]。对于输电线路杆塔接地的研究主要集中在高土壤电阻率地区(尤其是山岩地区)接地降阻方面，提出了针刺式接地装置[7-9]、柔性石墨接地极[10-11]、长垂直接地极[12-13]和空腹式接地装置[14]等新型接地降阻方法。

但针对输电线路杆塔接地装置对人身安全的影响以及接地装置的安全优化设计的研究较少。刘国华等人分析了影响跨步电压及接触电压大小的主要几个因素，并提出了杆塔故障电流、杆塔接地电阻是影响跨步电压及接触电压的主要因素[15]。周锋等人利用ANSYS有限元计算软件及Matlab仿真软件，通过建立相关数学模型，对输电杆塔周围跨步电压的分布情况进行了分析，评估了跨步电压对周围人身安全的影响[16]；姜鹏等人通过研究杆塔接地装置的散流特性对地面电位分布及人身安全的影响，得出最大跨步电压轨迹包络线分布规律[17]。可见，在输电杆塔接地安全设计方面：1)安全优化设计缺少针对性的指标参数(雷击或者工频接地短路造成的接地安全指标)，接地安全指标优化设计对象不明确；2)输电杆塔接地安全优化设计的原理和方法研究仍较少。

综上，针对输电钢管塔接地设计存在的问题，笔者首先通过研究输电杆塔接地装置的安全指标及其计算方法，以现有输电钢管塔典型接地设计为模型，利用CDEGS接地计算软件对其安全指标值进行计算，得到影响杆塔接地安全性的关键指标；继而，针对存在的工频跨步电压安全性问题，研究降低水平接地体工频跨步电压的原理和方法；针对城市输电钢管塔接地装置的特点，提出在接地体末端添加水平夹角射线，辅以垂直接地极的结构来降低接地装置工频跨步电压的方法；最后，综合考虑各项指标，结合实际要求，对钢管塔接地装置进行了全面综合优化。所得结果证明了所提安全优化方法能够满足各项安全性要求，为实际城市输电钢管塔接地设计和施工提供了方法指导。

1 城市输电钢管塔接地装置的典型设计

1.1 城市输电钢管塔接地装置的典型设计

目前城市输电杆塔的类型多种多样，直线钢管塔是常见的城市输电杆塔型式，其塔身外形及常用的接地体基本型式见图1。

图1 直线钢管塔的基本型式Fig.1 The basic form of linear steel tube tower

城市输电杆塔大多安装在马路边或者马路中央的花圃中，以钢管塔所处的典型位置，其接地装置一般通过采用水平射线接地体和垂直接地极组成的立体地网。在现阶段城市输电钢管塔的接地设计指标中，一般只考虑了杆塔接地电阻，其接地体采用的典型材料尺寸参数见表1。

表1 材料参数表Table 1 Material parameter table

根据表1中现有城市输电钢管塔的材料参数表，结合图1(b)直线钢管塔典型的接地型式及相关典型参数设置，以接地电阻小于10 Ω为目标，计算了现有城市输电钢管塔在土壤电阻率为500 Ω·m的条件下，采用表1所示的接地体材料(水平射线等效直径为12.5 mm，垂直接地极等效直径为21.78 mm)，其水平接地体总长度L为88 m，垂直接地极单根长度为2 m，间隔4 m，总根数为23根。

基于上述确定的直线钢管塔的典型参数设置，根据规程[18]中水平和垂直接地体组合的接地电阻计算公式，可计算得出现有城市输电钢管塔在典型参数设置下接地体的工频接地电阻为7.61 Ω。

1.2 城市输电钢管塔接地装置的安全性指标

目前城市输电钢管塔的接地设计主要考虑接地电阻这一项指标，但城市钢管塔所处位置在市区，属于人流密集地区，其接地装置设计不仅应考虑接地电阻达标，还应考虑接地安全问题。接地安全指标主要涉及工频接地短路和雷电流入地时人体的安全跨步电压及接触电压指标。

以一个体重为50 kg的人体作为标准，计算钢管塔在发生工频接地短路或者雷电流入地时，人体允许的安全跨步电压和接触电压。

1.2.1 工频接地短路时的安全指标

根据电击事故时人体的分布参数等效电路，当人在地面行走时，人的两脚和地面的接触电阻RF及人体电阻RB是串联的，此时得到两脚间人体允许的跨步电位差US为[19]

(1)

当人站立地面用手去接触接地体的金属导体时，人的两只脚和土壤间的接触电阻是并联的，因此人的手和脚间人体允许的安全接触电压UT为

(2)

式(1)和(2)中：RB-人体电阻；ρ-表层土壤电阻率；t-工频短路故障持续时间。

1.2.2 雷电流入地时的安全指标

相关研究结果表明：人体在工频50 Hz～60 Hz的电流作用下，其伤害最为严重，低于或高于这个频率，其伤害都会降低很多，在3 kHz～10 kHz的频率范围内，人体可以承受更高的电流。当电流的频率为10 kHz时，人体感觉电流的阀值可达工频时的13倍[19]。

根据雷电流的幅频特性可知，雷电流的能量主要集中在几万赫兹以下的中低频部分[20]，因此可以选择10 kHz作为人体安全电流的计算参考点。

根据电击事故时人体的分布参数等效电路，结合雷电流的频率特征，可得出雷电流入地时两点间人体允许的安全跨步电压USLJ计算公式见式(3)[19]。

(3)

式(3)中，T-雷电流持续时间。

雷电流入地时两点间人体允许的安全接触电压UTLJ计算公式见式(4)。

(4)

1.2.3 典型参数设置下的接地安全指标计算

根据上述工频故障和雷电流入地故障下人体允许的安全接触电压和跨步电压计算公式：人体的电阻RB取1 000 Ω，工频故障持续时间t取0.25 s，雷电流持续时间T取150 μs，土壤电阻率取500 Ω·m；可得工频和雷击故障下人体允许的接触电压和跨步电压见表2。

表2 人体允许的安全电压值Table 2 Safe voltage value allowed by human body

2 城市输电钢管塔接地装置的安全性分析

2.1 钢管塔接地装置安全指标的计算方法

利用接地计算软件CDEGS进行城市输电钢管塔接地装置的仿真计算，主要计算工频接地短路和雷电流入地两种故障情况下钢管塔接地装置的跨步电压和接触电压。

在CDEGS的SESCAD模块中搭建了接地体仿真模型，见图2。根据1.1中确定的直线钢管塔的典型接地参数进行设置，土壤模型采用电阻ρ=500 Ω·m的均匀土壤模型。

工频故障参数可以利用MALZ模块计算，本研究在图2所示钢管塔接地体模型的基础上，根据110 kV杆塔装有双避雷线的分流系数(取0.86)及该城市110 kV钢管塔的系统短路电流(取6 000 A)，仿真模型的工频激励源可以采用幅值为5 280 A的工频电流源，分析计算接地装置的工频跨步电压和接触电压。

图2 钢管塔接地体仿真模型示意图Fig.2 Schematic diagram of simulation model of steel pipe tower grounding body

雷电流入地故障参数可以利用FFTSES和HIFREQ模块计算。雷电流波形采用双指数函数波形，其数学表达式为

i(t)=kIm(e-αt-e-βt)

(5)

式(5)中，i(t)为雷电流t时刻的瞬时值，k为雷电流峰值的调节系数，α和β是根据波前时间和波尾时间设置的参数。我国规程推荐的防雷计算波形参数为2.6/50 μs标准雷电流波形，其中k取1.047 4，α取14 790.18，β取1 877 833，Im=20 kA。

2.2 城市钢管塔接地装置的安全指标分析

根据图2搭建的钢管塔接地装置模型以及工频接地短路和雷电流入地故障下接地装置各项参数的计算方法，计算得到的工频和雷电流激励下跨步电压和接触电压的最大值见表3，工频激励下的跨步电压和接触电压分布分别见图3和图4(工频和雷电流激励下，接地体的接触电压选择塔身距地面1.8 m，地面距离杆塔0.8 m的两点之间的电位差进行计算)。

表3 接触电压和跨步电压最大值Table 3 Maximum touch voltage and step voltage

图3 工频跨步电压分布二维色块图Fig.3 Two-dimensional color block diagram of power frequency step voltage distribution

图4 工频接触电压分布二维色块图Fig.4 Two-dimensional color block diagram of power frequency touch voltage distribution

综合分析对比表2和表3，可知：1)工频短路故障下，接地体的接触电压和跨步电压的实际值都超过了目标值，不满足安全要求；2)雷击电流下，该接地体的接触电压和跨步电压均满足安全要求。

可见，城市钢管塔接地安全的关键问题在于降低工频跨步电压和工频设备接触电压。

若表层土壤电阻率增大，接触电压安全值也随之增大；人只有接触了塔身才有可能发生接触电击。从式(2)也可得到，若在钢管塔塔身距离地面2 m高的范围内涂敷高电阻率的绝缘漆，则相当于提高了土壤电阻ρ，就能提高杆塔的接触电压安全值。目前，城市输电杆塔的塔身尤其是靠近地面附近的区域，见图5，均涂敷有防锈绝缘漆，可以有效提高工频接触电压的目标值。

图5 塔身涂敷防锈绝缘漆Fig.5 The tower body is coated with anti-rust insulating paint

根据式(2)可得土壤电阻率与工频接触电压安全值的关系式：

(6)

若式(6)中的UT取城市输电钢管塔发生工频接地短路故障时距离杆塔0.8 m范围内接触电压的最大值13 898 V，根据式(6)可计算得到此时的土壤电阻率ρ为4 493.23 Ω·m。因此，若在城市输电钢管塔表面刷涂电阻率大于4 493.23Ω·m的绝缘材料，这样就能使工频故障下城市输电钢管塔接地装置的接触电压满足人体安全性要求。

综上，城市钢管塔的接地安全指标关键在于工频跨步电压。由于钢管塔大都位于花圃中，土壤表层为草地，难以提高其电阻率。因而，需要通过接地体的优化设计使工频跨步电压的实际值小于允许的安全目标值，以满足安全性的要求。

3 降低钢管塔接地装置工频跨步电压的方法

3.1 降低杆塔接地装置工频跨步电压的原理

由图3工频接地短路时接地装置跨步电压分布图可知，针对现有钢管塔接地装置，跨步电压最大值集中在接地体的末端区域。

在钢管塔水平接地体模型的地表对应位置设置一条观测线，长度与接地体水平射线总长度L保持一致。利用CDEGS计算得到钢管塔接地体模型地表对应位置的跨步电压分布，见图6。(图6中，观测线坐标44 m处为杆塔位置，即电流注入点)

图6 水平地表接地体对应位置跨步电压值Fig.6 The step voltage value of the corresponding position of the horizontal grounding body

由图6可知，最大跨步电压分布在水平接地体的末端。因而，降低输电钢管塔接地体的跨步电压关键在于降低接地体末端跨步电压的最大值。

按同样的方法，利用CDEGS计算可得到钢管塔水平接地体的工频泄漏电流分布，见图7。(图7中，观测线坐标44 m处为杆塔位置，即电流注入点)

图7 钢管塔接地体的泄漏电流分布Fig.7 Leakage current distribution of the grounding body of steel pipe tower

综合分析对比图6和图7，可知钢管塔接地体中水平射线的泄漏电流从电流注入点到射线末端逐渐增大，即水平射线末端接地体的散流效果最好。地表沿线的跨步电压分布也有相同规律，即在射线末端对应区域工频跨步电压的值最大。

因而，可以认为造成接地体末端工频跨步电压集中的原因是该处接地散流的效果最好。解决工频跨步电压集中的关键在于改善接地体末端工频电流的散流方式。

3.2 降低水平射线接地体工频跨步电压的方法

与发电厂、变电站的接地装置不同，输电线路杆塔接地装置采用以水平接地体为主的放射性结构，因而，降低水平射线接地体的工频跨步电压是满足城市钢管塔安全性要求的关键。

根据3.1的计算结果，均衡输电杆塔接地装置跨步电压分布的方法应改善水平射线接地体末端的散流方式。因而，采用在单根水平接地体末端添加不同的接地型式，以分析其对工频跨步电压的影响。

在CDEGS中搭建单根水平接地体，接地体的长度为10 m，接地参数设置见表2，接地体激励源为幅值5 280 A的工频电流。利用CDEGS的MALZ模块计算得到接地体工频跨步电压分布见图8。

图8 水平接地体工频跨步电压分布Fig.8 Power frequency step voltage distribution of horizontal grounding body

由图8可见，接地体跨步电压的最大值为42 065 V，跨步电压畸变区域主要集中在射线末端区域。

基于图8中的单根水平接地体模型，在其末端添加水平夹角射线及其与垂直接地极相结合的两种接地体型式。结构见图9。两种接地型式的夹角射线总长度设为4 m，其他参数与原有接地体保持一致。

根据图9所示搭建接地体模型，改变θ1和θ2，计算不同接地体模型的工频跨步电压最大值，计算结果见图10。

图9 水平接地体末端添加不同接地型式Fig.9 Add different grounding types to the end of the horizontal grounding body

图10 不同接地体模型工频跨步电压最大值Fig.10 Maximum power frequency step voltage of different grounding body models

综合分析对比图10中单根水平射线末端添加不同夹角大小的水平夹角射线和水平垂直夹角射线结构的工频跨步电压最大值，可得：

1)在单根水平接地体末端所添接地体的接地型式一定的情况下，随着所添结构夹角从30°增大到150°，两种接地型式下接地体的工频跨步电压均出现了先减小后增大的变化趋势。

对于水平夹角射线结构，当夹角θ1为90°时，其跨步电压最大值最小，此时相比于原有单根水平接地体的跨步电压最大值降低了3.79%。

2)在单根水平接地体末端所添接地体的夹角大小一定的情况下，添加水平夹角射线+垂直接地极结构的接地体工频跨步电压最大值均小于水平夹角射线结构。可见，添加垂直接地极能够进一步改善水平射线的跨步电压。

对于水平夹角射线+垂直接地极结构，当夹角θ2为60°时，其跨步电压最大值最小，此时相比于原有单根水平接地体的跨步电压最大值降低了10.87%。

3)由于垂直接地极和不同夹角的水平射线存在一定的屏蔽效应，图10所示2条曲线的变化规律并不一致。即对工频跨步电压改善的最优夹角与接地装置的具体接地型式相关。应结合具体的接地形式进行计算。

综上，可以通过在接地体末端添加水平夹角射线，辅以垂直接地极的结构，降低接地装置工频跨步电压。

3.3 降低城市输电钢管塔接地装置工频跨步电压的方法

根据3.2节中降低水平射线接地装置工频跨步电压的方法，选择在钢管塔接地装置末端添加水平夹角射线与垂直接地极相结合的接地体型式。实际的输电钢管塔接地装置采用水平和垂直接地体结合的立体地网结构，由于屏蔽效应，需对末端所添结构的夹角大小以及垂直接地极的布置方式进一步优化，具体的优化模型见图11。

图11 钢管塔接地装置优化模型Fig.11 Optimization model of grounding device of steel pipe tower

3.3.1 水平射线夹角的优化设计

改变图11中夹角θ的大小，垂直接地极的根数n取1根，计算得到钢管塔接地体末端添加不同夹角大小的水平夹角射线结构的接地体的最大跨步电压值，见图12。

根据图12的仿真计算结果，可知：针对实际钢管塔的接地形式，水平射线夹角取90°时，接地装置最大工频跨步电压值最小，相比原有钢管塔接地体工频跨步电压最大值降低了19.12%。因此，可以选择采用夹角为90°的水平夹角射线结构作为城市输电钢管塔接地装置安全优化设计的方法。

图12 不同夹角的工频跨步电压最大值Fig.12 Maximum power frequency step voltage at different angles

3.3.2 垂直接地极布置方式的优化设计

在接地体末端添加垂直接地极可进一步均衡工频跨步电压分布。改变图11中垂直接地极的根数n，根据3.3.1计算结果，夹角θ取90°，考虑实际施工难度，单根垂直接地极的长度取2 m，计算不同垂直接地极根数对钢管塔接地装置工频跨步电压的影响，计算结果见图13。

图13 不同垂直接地极根数的工频跨步电压最大值Fig.13 Maximum power frequency step voltage with different number of vertical grounding poles

根据图13的计算结果可知，当单根水平夹角射线上所加垂直接地极的数目不断增多，接地体的工频跨步电压最大值逐渐减小，但减小的幅度随之垂直接地极根数的增多不断趋于缓和。当垂直接地极根数为4根时，接地装置的工频跨步电压的下降趋势区域饱和，因此，在实际的接地装置设计时，所添结构中单根水平夹角射线上的垂直接地极不宜超过4根。