输电线路杆塔长距离外延接地散流特性研究

2022-12-24王毅程梓航王喆谷凡超安韵竹

山东电力技术 2022年11期

王毅，程梓航，王喆，谷凡超，安韵竹

（1.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东淄博 255000；2.山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博 255000）

0 引言

输电线路杆塔大多建设在山坡、沿海等较为空旷的地区，运行过程中易遭受雷击［1-3］。降低输电线路杆塔的接地电阻是有效提高电力线路防雷性能的重要措施，而山区输电线路杆塔所建地区大多土壤贫瘠、土壤电阻率高，因此山区输电线路杆塔的防雷接地形势严峻［4-5］。目前主要通过输电线路杆塔引下线及外延接地的方法将雷电流散流至周围土壤以及终端，从而提高输电线路的耐雷击水平［6-8］。

目前，针对降低接地电阻的问题已有大量研究成果。邓长征等［9］通过冲击特性模拟实验，提出利用环形和水平接地体组成的联合接地体降阻。张竞等［10］提出在高土壤电阻率下通过斜接地体有效降阻。廖志华等［11-12］针对不同区域提出不同降阻措施，利用“树枝状”的接地装置实现山区输电线路的有效降阻，在人口密集区域，采用立体均压环降阻。除了上述接地降阻措施优化，接地体的材料选择也在不断更新。胡元潮等［13-14］针对常规金属材料接地网存在的易被偷窃、运输困难和易发生腐蚀的缺点，提出柔性石墨的接地材料，在解决以上问题的同时保证了经济性和可靠性，具有很高的工程价值。

现有的研究成果对于山区输电线路杆塔的接地网形状研究较少。土壤电阻率、接地网形状、外延接地体长度对输电线路杆塔接地网的降阻和散流均有影响［15-16］。本文搭建了山区输电线路杆塔接地网散流模型，计算分析不同形状接地网、土壤电阻率、外延接地体长度、接地体材料对输电线路杆塔接地网接地散流特性的影响，并提出基于“米”字形的外延石墨接地网结构优化方案。针对山区输电线路杆塔接地降阻，提出一种新型接地网级联方式，以期为实际输电线路杆塔接地工程中提供参考。

1 杆塔接地网及山区地形参数

为了研究输电线路杆塔接地网雷击散流特性，建立6 种接地网模型，包括单边、双边、“十”字形、“T”字形、“日”字形及“米”字形接地网模型，如图1所示。施工面积为100 m×100 m，引下线长度为0.8 m，常见的接地体材料为D10 mm 的镀锌钢，其相对电阻率为109.7，相对磁导率为636。接地体长度为100 m。

图1 不同接地网形式

根据文献［17-18］，土壤电阻率的选择如表1 所示。在CDEGS 仿真软件中，设置山地模型电阻率如下：当地土壤电阻率为350 Ω·m，岩石层土壤电阻率为5 000 Ω·m，土壤层的土壤电阻率为50 Ω·m，空气层土壤电阻率为100 000 Ω·m。建立山地模型如图2所示。

表1 土壤电阻率参考值

图2 山区土壤模型

2 山区杆塔接地特性影响因素分析

在实际施工搭建接地网的过程中，外延长度、接地材料、接地网形式、土壤电阻率均会对输电线路杆塔的接地特性产生影响。因此，本节计算分析了不同因素对山区输电线路杆塔接地网降阻效率和散流效果的影响。

2.1 外延长度

为了对比分析外延长度对输电线路杆塔接地网接地特性的影响，本节选取长度100 m、引下线0.8 m的单边外延接地网模型作为研究对象。单边外延接地网建于第一节山区模型的土壤层，仿真计算中，为对比高、低土壤电阻率对降阻的影响，设置山区模型土壤层电阻率分别为200 Ω·m、2 000 Ω·m，选取幅值100 kA、频率100 kHz 高频电流模拟雷电流，接地网为镀锌钢材质。不同土壤电阻率下，利用CDEGS仿真软件计算单边外延接地网的接地电阻，计算结果如图3所示。外延接地体长度低于20 m 时，单边外延接地网的接地电阻随外延长度增加而迅速减小；当外延接地体长度超过20 m 后，单边外延接地网的接地电阻不在随着外延接地体长度增大而变化。但超过20 m 时后降阻效率基本不变。另外，比较低土壤电阻率200 Ω·m与高土壤电阻率2 000 Ω·m，土壤电阻率越高，外延接地网降阻越难。

图3 不同土壤电阻率下外延长度对接地电阻的影响

2.2 接地材料

为了分析接地材料对输电线路杆塔接地特性的影响，本节选取镀锌钢、石墨两种接地材料（D2.8 mm的石墨，相对电阻率为1 857.1，相对磁导率为1）。其他计算模型及参数与2.1节一致。在不同土壤电阻率下，利用CDEGS 仿真软件对不同土壤电阻率下、不同材料、不同外延长度的接地网接地电阻进行仿真计算，得到接地材料对输电线路杆塔接地网接地电阻的影响，计算结果如图4所示。

由图4 可知，在外延接地网形状、长度及土壤电阻率不变的情况下，接地电阻材料不同导致降阻效率不同，石墨材料的降阻效率比钢材料的降阻效率高，这种降阻效率在高土壤电阻率下更明显。

图4 不同土壤电阻率下接地体材料对接地电阻的影响

2.3 接地网形式的影响

接地网形式会改变雷电流散流方向，从而影响输电线路杆塔接地网接地特性。为此，对第1 节中描述的6 种接地网形式的接地散利用CDEGS 仿真软件，对不同形式接地网接地电阻阻值进行计算分析。如图5所示，“米”字形接地网降阻效果最优。

图5 不同外延接地网形状对接地电阻的影响

在土壤电阻率为2 000 Ω·m 的山坡土壤层，以地面为参考平面，利用CDEGS 仿真软件计算不同形式外延接地网泄漏电流，根据所得数据集，通过Origin 绘图软件绘制出不同形状外延接地网散流云图，如图6所示。

图6 不同外延接地网形状对散流的影响

散流云图计算结果表明，不同形状外延接地网的散流呈现出不同的规律：单边、双边外延接地网均呈现出明显的“端部效应”［19］，即靠近接地极两端的导体段散流较多，导体段中部的散流较少。对于“T”字形、“十”字形、“米”字形外延接地网，除了“端部效应”外，还会存在“屏蔽效应”［16］，注入电流点附近泄漏电流随距注入点连接导体数的增加而逐渐减小。相较“十”字形外延接地网，“日”字形外延接地极“屏蔽效应”［16］更为明显且具有特殊性：处于“日”字形接地网内部的导体段在屏蔽作用下，散流效率较差；而接地网周围导体段的散流效率较高且分流对称。

综合上述分析，在仅改变外延接地网形状的前提下，外延接地网形状对降阻效果影响不同，按降阻效率排序：单边外延接地网＜双边外延接地网＜“T”字形外延接地网＜“日”字形外延接地网＜“十”字形外延接地网＜“米”字形外延接地网。比较散流效果，“米”字形外延接地网具有更好的散流效果。

3 山区输电线路杆塔接地网级联原理与仿真验证

对于建设在平原以及山区的输电线路杆塔，由于其所处地带较空旷，易遭受雷击，因此良好的接地网对于输电线路杆塔的防雷不可或缺，但是由于输电线路杆塔所要求的接地电阻阻值尽量小，需要较长的外延来实现降阻，而山区等地区往往难于施工，因此考虑将输电线路杆塔接地网级联，来减少施工面积、成本，并且达到更好的降阻效率以及散流效果。

3.1 输电线路杆塔接地网级联的原理

本节阐述输电线路杆塔接地网级联原理，其实质是输电线路杆塔接地网的串级，即输电线路杆塔两接地网的串联，如图7所示。

图7 输电线路杆塔接地网级联模型

若两输电线路杆塔接地网级联，当其中一个输电线路杆塔遭受雷击，雷电流通过其引下线进入接地网（I=100 kA），由于两输电线路杆塔接地网级联，电流在沿着其自身接地网向周围土壤散流的同时，也会通过级联导线向另一个输电线路杆塔接地网散流，有利于更好地向周围土壤散流。由于两接地网的级联，此连接方式能达到更高的降阻效率。

3.2 输电线路杆塔接地网级联与非级联的接地散流特性分析

建立激励为100 kA 的电流源，为更好地研究雷电流入地时导体散流特性［20］，选择入地电流起始频率为10 kHz，接地体材料为镀锌钢时的级联接地网模型，研究山坡输电线路杆塔接地网级联与非级联的区别，探讨输电线路杆塔级联的优越性能以及潜在缺陷。首先使用CDEGS仿真软件的MALZ模块，在第一节山区土壤模型中，设置土壤电阻率500 Ω·m，建立方框外延级联接地网、非级联接地网模型，每个接地网施工面积为15 m×15 m，引下线为0.8 m，设置两接地网级联导线长200 m，计算其接地电阻阻值、泄漏电流以及接触电压。计算出该山区输电线路杆塔接地网级联接地电阻阻值为18.40 Ω，接地网非级联接地电阻阻值为23.34 Ω。为研究级联与非级联接地网的泄漏电流和接触电压，经CDEGS 仿真软件计算泄漏电流、接触电压数据，并通过Origin 绘图软件绘制泄漏电流、接触电压云图，得到如图8和图9所示结果。