不同针刺型接地网结构的雷电冲击散流特性影响分析

2022-12-24咸文涛张坤郭赢崔仙政胡元潮

山东电力技术 2022年11期

咸文涛，张坤，郭赢，崔仙政，胡元潮

（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

输电线路杆塔的重要作用体现在：在线路遭受雷击或发生短路故障等意外情况时可以迅速地提供电流散泄的通道，从而稳定电位，保证输送电设备的正常运行和工程应用中的人身财产安全［1-2］。输电线路防雷实际工程经验表明，相比于优化绝缘子性能、外加避雷设备、自动重合闸等防雷手段会增加设备投入、损耗及人工成本［3］，降低输电线路杆塔冲击接地电阻在优化线路耐雷性能方面相较于其他措施应用最广［4-6］。在高幅值雷电流作用下，杆塔接地网的火花放电现象对于接地网冲击散流性能的提高有显著作用。因此，如何充分利用接地网火花放电现象以优化接地装置的冲击散流性能，对电力系统线路雷电防护具有现实意义。

目前对接地装置的散流性能优化已进行了较多研究，路永玲团队以单根水平接地极为研究对象，采用模拟试验和数值仿真的方法，研究了接地体长度、电流幅值、电流注入点位置对冲击特性的影响，并分析了瞬时冲击接地电阻随时间的变化特性，得出了冲击电流幅值越大，火花效应越明显，冲击接地电阻和冲击接地系数越小的结论［7-8］。司马文霞等［9］为研究两种不同典型接地体冲击散流特性的异同，进行了不同土壤电阻率情况下的试验，并将结果推广到利用针刺导体改善散流性能的实际应用中；童雪芳等［10］基于自然情况下的土壤情况，设置了自然土壤电阻率下的典型接地极并改变接地参数，对不同接地装置的降阻性能进行了比较。

为了增大接地体的冲击火花放电效应，学者们提出了在主接地体上增加针刺型外延的接地形式。郑州大学李景丽［11］研究了针刺型接地的降阻方式及降阻效果，系统分析了加针刺降阻机制并通过试验对其降阻机理和效果进行分析验证。重庆大学袁涛［12］将添加针刺后接地体与针刺之间的相互影响作用作为主要研究对象，进一步探究了针刺长度、间距对接地体降阻效果的影响。

为了深入研究针刺结构对接地网的冲击接地特性的影响，搭建“一”字形水平针刺接地极冲击散流计算模型，分析针刺数量、针刺长度及针刺间距对接地网冲击散流特性的影响，从理论上对比分析不同因素对接地网周围空间电场及电流分布、冲击接地阻抗、散流效率等接地性能的影响规律。

1 针刺型接地网雷电冲击特性计算模型

1.1 针刺型接地网几何材料模型

为更加直观且准确地研究添加针刺后接地极的冲击散流特性优化效果，在长度为Ly的“一”字形接地导体上设置针刺，针刺导体与“一”字形水平接地极相互垂直，埋设在土壤中，长度为Δl。加针刺后接地装置的结构尺寸如图1所示。

图1 “一”字形接地体加针刺几何结构

为使试验结果更接近工程实际，本文利用仿真软件建立了三维立体半球形土壤模型，如图2 所示。设置土壤条件为土壤电阻率为1 000 Ω·m 的高电阻率土壤，土壤相对介电常数εr=8。“一”字形接地极埋深为0.8 m。接地极材料为直径为12 mm 的镀锌钢材料，相对电阻率ρ=109.7，相对磁导率μr=636。球体半径设置为接地体长度的10倍。

图2 三维土壤模型

1.2 数学模型及边界条件

1.2.1 数学模型

当雷云天气下杆塔受到雷击时，雷电流由接地极进入大地，此时土壤中所产生的电磁场随时间变化。该过程可由方程（1）描述。

式中：H为磁场强度；D为电位移向量；E为电场强度；J为由传导电流Jc和位移电流构成的全电流密度［4］。

1.2.2 边界条件

引进变量电位φ，使其满足E=-∇φ，当电流注入接地极首端时，散流过程如方程（2）所示。

式中：γ、ɛ分别为散流媒质的电导率和介电常数。

在接地装置散流过程中，式（3）表示在无穷远处，电流场引起的电位为零，且水平地面垂直方向上的电流为零，即

式中：ω为入地电流的角频率；n为垂直于地面方向上的向量。

另外，在接地极一端注入电流时，该端点处满足条件

式中：s为接地极长度。

在该模型所设置条件中，接地装置与土壤、不同电阻率的土壤与土壤的连接处均符合连续性边界条件的设定。

在网格拆分求解过程中，用空间坐标变换将无穷大的散流空间映射为有限区域，并采用有限元网格划分的方法，对于时间域的求解，本文采用的是有限差分网格划分的方式［13-16］。

在仿真计算中，采用双指数函数描述幅值100 kA、波形2.6/50 μs的雷电流如式（5）所示。

式中：Im为注入电流峰值；t为时间变量。

雷电流注入位置为“一”字形接地极首端，波形如图3 所示。冲击电流迅速达到幅值100 kA 后缓慢下降。

图3 注入冲击电流波形图（100 kA）

2 结构型式对针刺型接地网冲击特性影响分析

针刺形式对接地网的雷电冲击特性具有显著影响，为此，本节计算分析了针刺数量、针刺长度及针刺尺寸等因素对接地网雷电冲击特性的影响。

2.1 针刺数量

实际接地网中针刺数量会影响接地网的雷电流散流路径，改变接地网的冲击散流特性。仿真计算中，针刺长度ΔL=1 m，针刺间的距离为Δd=0.2 m，针刺数量分别选取1、2、3、4、5 个。在幅值为100 kA 的2.6/50 μs 雷电流作用下，不同数量的针刺对“一”字形水平接地极周围电流密度、电场强度、电位分布如图4—图6所示。

图4 不同数量针刺的接地极电流密度分布云图

图5 不同数量针刺的接地极电场分布云图

图6 不同数量针刺的接地极电位分布云图

从图5 中可以看出，在添加不同数量针刺的“一”字形水平接地极上，100 kA、2.6/50 μs 的冲击雷电流产生的电场强度最高可达5×103kV/m，远远超过了土壤电阻率为1 000 Ω·m 的土壤击穿场强300 kV/m［17-18］，所以在分析接地极向大地散流这一过程时，需要考虑土壤火花放电的影响。因此在冲击电流经接地导体向土壤流散过程中必定发生火花放电。

如图6 所示，由于针刺结构等效于为“一”字形单根水平接地极增加人为端部，短导体周围出现端部效应，短导体周围的电流密度增大，注入的冲击电流在短导体处散流进土壤，使短导体附近的散流比例上升，增强了该接地极的散流效率，从而增强了散流性能。为了进一步分析针刺数量对“一”字形水平接地体的冲击接地特性的影响，计算了不同针刺数量下水平接地体的冲击接地电阻，如图7 所示，计算结果表明该“一”字形水平接地极的冲击接地电阻随针刺数量的增大而减小。

图7 不同针刺数量下水平接地体接地电阻

2.2 针刺长度

针刺过短，会受到水平接地极本身的火花放电效应的影响；针刺过长，则在工程实际应用中会造成建造成本增加的后果［19］。针刺长度变化会影响针刺电极间的屏蔽效应，从而改变接地极表面的雷电冲击散流特性。因此，确定合适的针刺长度保证针刺短导体降阻效果的重要依据。为此，本节选取单针刺“一”字形接地极作为研究对象，针刺长度分别为0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m。

不同针刺长度下单针刺“一”字形水平接地极周围剖面电场、电流密度、电位分布云图如图8—图10所示。

图8 不同长度针刺的接地极电场分布云图

图9 不同长度针刺的接地极电流密度分布云图

图10 不同长度针刺的接地极电位分布云图

为了对比针刺长度对接地极冲击接地特性的影响，计算不同针刺长度下接地极的冲击接地电阻如图11所示。

图11 不同针刺长度下水平接地体接地电阻

如图11 所示，当添加针刺长度小于0.05 m 时，冲击接地电阻的阻值随着针刺长度的增加而增加；当短导体长度时大于0.05 m 时，接地电阻的阻值与长度成反比。

之所以“一”字形水平接地极的冲击接地电阻值随添加针刺长度的变化趋势出现以0.05 m 为转折点的现象，是因为在当前模拟试验条件下，由于“一”字形接地极与针刺之间在冲击电流作用下产生了屏蔽效应［20］，该效应作用的范围半径在0.05 m 左右，而此时所设置的针刺长度正好被包裹在该屏蔽区域内。这种屏蔽作用使得针刺与水平接地极所衔接的部分的电场相斥，电场强度下降，冲击接地电阻上升。而当设置针刺长度大于0.05 m 时，针刺给“一”字形接地极带来的人为“端部”所增加的散流性能超过与原接地极之间屏蔽效应对火花放电区域所带来的负面影响，从而使整体冲击接地电阻呈现下降趋势，达到改善接地极冲击散流性能的目的。

2.3 针刺间距

在针刺数量和针刺长度固定不变的基础上，针刺间距作为影响短导体之间屏蔽效应强弱的重要因素，在针刺降阻问题中占据重要地位。本节设置针刺的不同间距仿真模型，对仿真计算结果进行分析。仿真计算中，针刺长度ΔL=0.1 m，针刺数量n个，针刺间的距离为Δd=1 m、0.5 m、0.4 m、0.2 m。

为直观体现针刺间距对接地极冲击散流性能的影响，定义各测量节点如图12所示。

图12 测量节点

为了表征某一因素对于杆塔接地电阻的影响程度，引入散流比例η作为标准，降阻效率定义为

式中：Imax为注入总电流峰值；I（n）为测量节点n的沿水平接地极方向上的电流峰值。

将“一”字形水平接地极添加短导体后的结构划分为5段等长度导体，利用计算后的散流比例η对添加不同间距的等长度针刺的“一”字形导体进行散流性能的评价与比较。当散流比例较高时，说明各针刺之间的屏蔽作用较弱，接地极的散流性能得到了加强；散流比例较低时，说明各针刺之间存在较强的屏蔽效应，此情况下添加的针刺间距未能达到提高接地极散流性能，降低冲击接地电阻的目的。所研究的四种间距的五段等距离导体上的轴向电流分布如表1所示。

表1 接地极轴向电流分布

由表1 可知，针刺间距改变会使接地极各段导体的散流比例发生明显变化。在某一间距下接地极首端及末端的散流比例较大，中间各段散流比例较小，整体呈现U 形变化趋势。这是因为由于冲击电流入地后接地极存在端部效应，两端由于火花放电导致散流程度大，所以端部的散流比例较大。针刺间距不同时，在接地极上设置的针刺间距越大，各段导体的散流比例也随之增加。这说明在针刺长度不变的情况下，相邻短导体之间的距离越近，屏蔽效应越显著越不利于提高各段导体的散流性能。

不同间距针刺下针刺“一”字形水平接地极周围剖面电流密度、电场、电位分布云图如图13—图15所示。

图13 不同间距针刺的接地极电流密度分布云图

图14 不同间距针刺的接地极电场分布云图

图15 不同间距针刺的接地极电位分布云图

从图13 可知，在针刺长度不发生改变的情况下，在“一”字形水平接地极上添加不同间距的针刺会导致“一”字形水平接地极周围的电流密度发生改变，随着添加针刺密度的增加，相邻的针刺之间存在的屏蔽效应增大，电流密度减小。

对“一”字形水平接地极添加相同长度，不同间距的针刺，对冲击接地电阻进行计算，计算结果如图16 所示。随着对水平“一”字形接地极添加针刺的间距的增大，接地极的冲击接地电阻也随之下降。当间距小于0.4 m 时，冲击接地阻抗下降的速度较快，当间距处于0.4m到1m之间时，冲击接地阻抗值下降的速度较慢。冲击接地阻抗下降的原因是各短导体之间存在的屏蔽效应由于间距增大而下降，接地极的散流性能增强，更有利于冲击电流的散泄。但随着添加针刺密度的减小，针刺数量也随之下降，由于添加端部而带来的散流效果也被削弱。此时相邻针刺彼此存在的屏蔽效应很弱，针刺数量改变带来的影响成为主要影响因素。