山区输电线路杆塔立体均压环接地体冲击特性分析

周西杰,宋华伟,杨廷方,刘云辉,罗屹豪

(1.长沙理工大学电气与信息工程学院,长沙410114; 2.国网湖南检修公司,长沙410004)

0 引言

我国经济的飞速发展,引起了用电需求量的增加,我国电力网的结构与规模也越来越复杂和庞大,西电东送和南北互供的全国联网战略的实现,均需建设大量超/特高压输变电系统[1]。电力系统大多数故障是由雷击输电线路或杆塔,从而引起跳闸引起的[2-4]。输电线路杆塔接地体的主要作用是防雷接地,既可以保证电力系统安全运行,又可以保护设备和人员的安全[5]。

文献[6-7]研究了杆塔接地装置的散流规律,分析了水平接地装置和垂直接地装置对跨步电压的影响。文献[8-10]利用模拟实验,研究了接地装置在不同冲击电流幅值等条件下的冲击特性变化规律。文献[11-18]分析了放射状的水平接地体,在不同射线长度、射线位置等条件下对接地体的冲击特性的影响。文献[19-20]分析了水平放射极接地装置和立体均压环接地装置的地表电位分布情况。文献[21-22]研究了注流点对冲击特性的影响,并通过仿真计算研究了回流点对冲击特性的影响。文献[23-27]分析了不同形状输电杆塔接地装置对不同土壤电阻率下的冲击接地电阻的影响。文献[28]利用真型实验研究了不同冲击电流幅值、接地体尺寸和注入点下接地体的冲击特性。

以上研究仅仅是对水平接地体和垂直接地体的冲击特性进行分析,缺少对立体接地体结构的系统研究。在山区有限的空间下,输电线路杆塔接地体的施工往往会受到影响,致使输电线路杆塔接地体结构比较简单,有时虽然满足了接地电阻的要求,但其均压效果未达到安全性要求。

笔者通过使用电磁仿真软件CDEGS建立立体均压环接地装置模型,研究了不同激励电流类型、不同土壤电阻率、不同接地装置埋深、不同水平射线长度下,立体均压环接地体冲击接地电阻和跨步电压变化情况,为山区等有限区域下选择输电线路杆塔接地体结构提供了参考。

1 立体均压环结构CDEGS仿真模型

使用φ10 mm圆钢做成立体均压环结构,将其围绕在杆塔基础立柱周围,其高度为0.8 m,半径2 m。立体均压环结构主要由4部分组成,包括顶部圆环、垂直连接体、水平射线和底部圆环,见图1。

图1 立体均压环结构图Fig.1 Three-dimensional pressure equalizing ring structure diagram

2 立体均压环的冲击特性研究

接地装置周围地电位与跨步电压分布规律是研究接地装置在冲击电流作用下冲击特性的重要指标。本节主要从电流类型、土壤电阻率、接地装置埋深和水平射线长度对立体均压环结构接地体进行冲击特性研究,得出不同的条件下,接地装置冲击接地电阻与跨步电压的变化情况。

设幅值都为10 kA,雷电流采用波前时间为2.6 μs,波尾时间为50 μs的标准雷电流,其波形见图2。

图2 雷电流波形图Fig.2 Lightning current waveform

2.1 工频电流与雷电流对比分析

假设采用如图1所示的仿真模型,工频电流和雷电流都从中心流入,设埋深0.8 m,均一土壤电阻率为500 Ω·m。由CDEGS软件仿真得到工频电流和雷电流作用下立体均压环接地体周围地电位三维立体图,见图3、图4;立体均压环接地体周围跨步电压分布图见图5、图6。可以直观的看出立体均压环接地体周围地电位分布情况和幅值。

图3 工频电流作用下立体均压环接地体周围地电位分布图Fig.3 Distribution map of ground potential around the grounding body of the three-dimensional equalizing ring under the action of power frequency current

图4 雷电流作用下立体均压环接地体周围地电位分布图Fig.4 Distribution map of ground potential around the grounding body of the three-dimensional equalizing ring under the action of lightning current

图5 工频电流作用下立体均压环接地体周围跨步电压分布图Fig.5 Distribution diagram of step voltage around the grounding body of the three-dimensional equalizing ring under the action of power frequency current

图6 雷电流作用下立体均压环接地体周围跨步电压分布图Fig.6 Distribution diagram of step voltage around the grounding body of the three-dimensional equalizing ring under the action of lightning current

由图3和图4可知,工频电流作用下,最大地电位升达到365.023 kV;雷电流作用下,最大地电位升达到382.535 kV,比工频电流作用下增大了4.8%。由图5和图6可知,工频电流作用下,最大跨步电压幅值达到74.217 kV;雷电流作用下,最大跨步电压幅值达到79.063 kV,比工频电流作用下增大了6.5%。

选取圆环形接地体与立体均压环形接地体作比较。仿真设圆环形接地体采用φ10 mm圆钢,半径为2 m,相对磁导率μr=250,埋深0.8 m。在土壤电阻率ρ=500 Ω·m,相对介电常数εr=9,10 kA雷电流作用下,圆环形接地体周围地电位和跨步电压分布图见图7、图8。

图7 雷电流作用下圆环接地体周围地电位分布图Fig.7 Distribution map of ground potential around the ring grounding body under the action of lightning current

图8 雷电流作用下圆环接地体周围跨步电压分布图Fig.8 Distribution diagram of step voltage around ring grounding body under the action of lightning current

从图7、图8可知,圆环形接地体最大地电位升为432.943 kV,最大跨步电压为100.053 kV。相比之下,立体均压环形接地体最大地电位升比圆环形接地体最大地电位升降低了11.6%;立体均压环形接地体最大跨步电压比圆环形接地体最大跨步电压降低了20.9%。从上面的分析可以看出,立体均压环形接地体在均压和散流效果上比圆环形接地体更优。

2.2 不同土壤电阻率的对比分析

随着输电线路分布越来越广泛,山区输电杆塔接地体周围的地质结构也多种多样[29],其中土壤电阻率是影响土壤散流电阻大小的最主要因素。本小节选取传统圆环形接地体与立体均压环形接地体进行对比分析。

在10 kA雷电流作用下,圆环形接地体和立体均压环形接地体的冲击接地电阻和最大跨步电压在不同土壤电阻率的幅值和变化曲线见表1和图9,其中线a、b分别为圆环形接地体的冲击接地电阻和最大跨步电压,线c、d分别为立体均压环形接地体的冲击接地电阻和最大跨步电压。

表1 不同土壤电阻率冲击接地电阻和最大跨步电压Table 1 Impulse grounding resistance and maximum step voltage of different soil resistivity

图9 不同土壤电阻率冲击接地电阻和最大跨步电压变化曲线图Fig.9 Variation curves of impulse grounding resistance and maximum step voltage with different soil resistivity

由仿真结果可知,随着土壤电阻率的增大,输电线路杆塔接地体冲击接地电阻和最大跨步电压都逐渐增大,当土壤电阻率达到一定程度时,其增大趋势逐渐平缓。图9可以看出,当土壤电阻率较小时,土壤的导电性比较好,能够容易的将雷电流泄放到土壤中,圆环形接地体和立体均压环形接地体的冲击接地电阻和最大跨步电压差距不大;当土壤电阻率较大时,土壤的导电性下降,击穿区域变大,不易于雷电流在土壤中散流。相同土壤电阻率下,立体均压环形接地体的冲击接地电阻比圆环形接地体的冲击接地电阻至少可降低8.9%,最大跨步电压可降低16.0%。在高土壤电阻率下,其降低幅度增大。

2.3 不同埋设深度对比分析

输电走廊的紧张使得线路不得不向山区发展,山区输电线路由于地形、地势复杂,施工难度大,输电线路杆塔接地体的埋设深度也不能随意设置[30],需要根据当时的条件,选择一个最合适的埋设深度。设施加雷电流幅值10 kA,土壤电阻率500 Ω·m,埋设深度分别为0.5 m、0.8 m、1 m、1.5 m、2 m、3 m。选其中两种情况的接地体周围地电位升和跨步电压三维立体图进行分析,见图10到图13。

图10 埋深0.5 m接地体周围地电位升分布图Fig.10 Distribution of ground potential rise around grounding body with buried depth of 0.5 m

图11 埋深0.5 m接地体周围跨步电压分布图Fig.11 Step voltage distribution around grounding body with buried depth of 0.5 m

图12 埋深1.5 m接地体周围地电位升分布图Fig.12 Distribution map of ground potential rise around grounding body with buried depth of 1.5 m

图13 埋深1.5 m接地体周围跨步电压分布图Fig.13 Step voltage distribution around the ground body with buried depth of 1.5 m

从仿真结果可知,接地体埋设深度从0.5 m增加到1.5 m时,接地体周围最大地电位升从391.520 kV下降到292.831 kV,下降了25.21%;最大跨步电压从95.355 kV下降到43.762 kV,下降了54.11%。接地体埋设深度从2 m增加到3 m时,接地体周围最大地电位升从252.033 kV下降到192.378 kV,下降了23.67%;跨步电压从32.333 kV下降到19.284 kV,下降了40.36%。接地体周围最大地电位升和最大跨步电压都随着接地体埋设深度的增大逐渐减小,且下降的比例逐渐减小。

通过仿真出来的接地体最大地电位升,能够计算出冲击接地电阻,并将其与最大跨步电压绘成如图14所示的折线图,其中线A、B分别为接地体的冲击接地电阻和最大跨步电压随埋设深度的变化曲线,这样可以更直观的看出变化情况。可以看出,增加接地体埋设深度能够有效降低冲击接地电阻和最大跨步电压,但降低的幅度逐渐减小。通过以上分析,该接地体埋设深度选取1 m～1.5 m比较合适。

图14 不同接地体埋设深度冲击接地电阻和最大跨步电压变化折线图Fig.14 Broken line diagram of impact grounding resistance and maximum step voltage changes at different grounding depths

2.4 不同水平射线长度分析

在条件允许的情况下,可以在底部圆环周围再引出若干辐射状射线,以此来增加电流散流通道。本节设置射线长度为0 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m,其它因素一致,来对比分析接地体的冲击特性。通过仿真得到见表2数据,并将其绘制成折线图,见图15,其中线X、Y分别为接地体的冲击接地电阻和最大跨步电压随射线长度的变化曲线。

表2 不同射线长度冲击接地电阻和最大跨步电压Table 2 Impulse grounding resistance and maximum step voltage of different ray lengths

图15 不同射线长度冲击接地电阻和最大跨步电压变化折线图Fig.15 Line graph of impact grounding resistance and maximum step voltage changes with different ray lengths

由图15可知,随着水平射线长度的增加,输电线路杆塔接地体冲击接地电阻和最大跨步电压逐渐降低,当射线长度达到一定数值时,冲击接地电阻和最大跨步电压逐渐趋于平缓。这是由于电感效应的存在,使得雷电流无法再传导至新增加的导体段,阻碍了雷电流向水平射线远端泄流,射线长度得不到有效利用。本研究使用的接地体模型直径为4 m,从图15中仔细分析可知,当水平射线长度小于4 m时,冲击接地电阻和最大跨步电压的下降速度逐渐增大;当水平射线长度大于4 m时,冲击接地电阻和最大跨步电压的下降速度逐渐趋于平缓。

3 结论

1)立体均压环结构接地体,增加了散流面积,更加有效地使冲击电流在大地均匀地扩散,从而降低了杆塔附近人员因跨步电压所造成的触电事故的发生。

2)不同土壤电阻率下,立体均压环结构接地体冲击接地电阻和最大跨步电压随着其增大而增大,但其增大的幅度会逐渐减小。在高电阻率的环境下,该接地体比常规圆环形接地体的降阻和散流效果更加明显。

3)通过以上分析,立体均压环结构接地体埋设深度选取1 m～1.5 m比较合适;由于水平射线存在有效长度,不宜设置的过长,该接地体水平射线的长度选取4 m左右最佳。

4)在条件允许的情况下,可将上述结论有效结合起来,以求达到更好的效果。