杆塔接地网跨越公路路基接地散流特性与行人安全防护

陈 宁,安韵竹,黄 涛,程 蒙,沈文韬,谢洪平

(1.山东理工大学电气与电子工程学院,山东 淄博 255000;2.国网江苏省电力有限公司建设分公司,南京 210000)

0 引言

随着我国电网结构不断优化和城镇化建设规模的扩大,输电线路杆塔逐渐接近公众活动区域,导致部分输电线路杆塔处于人口密集区[1]。当发生雷击时,雷电流通过引下线流入接地网中,导致地面标量电势升高[2-4],在周围活动的人员容易遭受跨步电压和接触电压的触电危险[5-8]。现如今土地资源相对紧张[9],受制于地形、房屋、耕地等环境因素需要接地网跨越公路路基,但跨越公路路基会对接地网的散流特性以及行人安全造成影响。因此,研究接地网跨越公路路基时的接地散流特性以及跨步电压分布能够为人口密集区域输电线路杆塔接地设计提供参照。

针对接地装置的散流特性与跨步电压分布,电力领域专家进行了大量的仿真计算以及试验研究。黄士君[10]等人采用CDEGS仿真软件研究了铜、钢以及柔性石墨复合接地材料在不同土壤电阻率、不同入地电流频率以及不同直径下的散流特性,得到接地散流特性对接地阻抗的影响规律。潘文霞[11]等人通过建立典型杆塔基础与水平接地体仿真模型,探究水平接地体根数、长度等因素对降阻率及散流比的影响。文献[12-16]研究了考虑土壤非线性电离对接地体冲击散流特性的影响。文献[17-18]分析了双圆环直流接地极上方跨步电压分布规律。韩学民[19]等人通过模拟试验绘制典型接地装置地面电位分布,进而估算出接地体附近地面作用于人体的瞬态跨步电压。杨廷方[20]等人对圆环形接地网以及传统方形接地网的跨步电压分布进行研究对比。文献[21]对常规接地网的设计提出了两种优化方案,以尽可能在雷电流流入接地网时使地电位升分布均匀。文献[22]发现接地网采用不等间距布置时能够有效均匀地表电位梯度,达到降低跨步电压的目的。目前,对接地网外延引线跨越公路路基时接地网散流特性以及跨步电压分布的研究较少。

本研究针对接地网外延引线跨越公路路基现象进行仿真计算,研究外延引线跨越公路路基对接地网散流特性、跨步电压的影响,并提出降低路面跨步电压的防护措施。首先,采用CDEGS仿真软件建立杆塔接地网和公路路基模型;然后,研究不同公路路基宽度、主接地网与公路路基距离以及不同辅助接地网形式下对接地网分流系数以及跨步电压的影响;最后,提出能够降低路面跨步电压的防护措施。

1 跨越公路路基接地散流仿真模型

土壤电阻率较大的地区,输电线路杆塔接地网的接地电阻往往不能满足规程要求,此时需要采取降低接地电阻的措施,而外延降阻是近些年来最简单、最有效的降阻方法[23]。但在外延引线铺设过程中可能会遭遇公路,这时会出现外延引线跨越公路路基的情况。外延引线跨越公路示意图和仿真模型剖面图如图1所示。

图1 跨越公路示意图和仿真模型Fig.1 Diagram and simulation model of crossing highway

本研究采用CDEGS仿真计算软件建立输电线路杆塔接地网以及公路路基仿真模型,仿真所采用的公路路基模型参数如表1所示。输电线路杆塔主接地网采用方框接地网,边长L为10 m,埋深0.8 m,外延引线长度为100 m,跨越公路路基接地体距地面0.1 m,杆塔总入地电流取20 kA。接地网材料采用φ28 mm柔性石墨复合接地材料[24-28],相对电阻率为1 857.1,相对磁导率为1。

表1 公路路基参数表Table 1 Highwaysubgrade parameterTable

2 公路路基对接地网接地特性影响

为了更加清晰地表征和分析外延引线跨越公路路基对接地网散流特性的影响,引入接地网分流系数η为

(1)

式(1)中:I0为流入接地网的总电流,A;I1为流入外延引线的电流,A。

2.1 公路路基宽度的影响

随着公路路基宽度d发生变化时,接地网外延引线跨越公路路基长度也随之改变。固定主接地网与公路路基之间距离L1为50 m,取入地电流频率为50 Hz,当土壤电阻率ρ在100～2 000 Ω·m之间变化时,接地网分流系数随公路路基宽度在0～25 m范围内变化规律如图2所示。

图2 不同公路路基宽度d下接地网分流系数Fig 2 Shunt coefficient of grounding grid under different highway subgrade width d

由图2可知:随着公路路基宽度d的增加,接地网分流系数呈线性下降趋势。这是由于跨越公路路基接地体处在电阻率较大的水泥层中导致散流能力减弱,使得流入外延引线的电流降低,接地网分流系数下降。当公路路基宽度d由0 增加至25 m时,在土壤电阻率100 Ω·m下接地网分流系数下降了2.3%,土壤电阻率2 000 Ω·m下接地网分流系数下降了3.1%。分析其原因:高土壤电阻率下未跨越公路路基时,主接地网的散流能力有限使得电流倾向于沿外延引线以及末端流散,导致此时接地网分流系数受公路路基宽度d的影响较大。

为了分析外延引线跨越公路路基时跨步电压分布,通过仿真结果绘制土壤电阻率500 Ω·m时跨步电压分布如图3所示。

图3 不同公路路基宽度d下跨步电压分布Fig.3 Step voltage distribution under different road subgrade width d

由图3可知:当公路路基宽度d从5 m增加至25 m时,引下线附近最大跨步电压增加了10 kV,路面附近最大跨步电压增加了19.3 kV。分析其原因:当公路路基宽度增加时,引下线周围泄漏电流增加,导致地面标量电势升高,使得附近地面电位梯度更大,因此引下线附近跨步电压增加;由于跨越公路路基接地体距地面较近,路面标量电势高,造成跨步电压大,并且当公路路基宽度增加时,导致跨越公路路基接地体泄漏电流增加,跨步电压增大。因此,在实际工程中输电线路杆塔架设时应考虑公路路基宽度,避免因跨越公路路基接地体过长导致接地网性能降低以及路面跨步电压增大。

2.2 主接地网与公路路基距离的影响

在实际情况中输电线路杆塔与公路路基之间距离并不固定,并且随着频率的改变雷电流在接地网上的散流分布不同,故公路路基对接地网散流特性的影响也不同。为了分析在不同入地电流频率下主接地网与公路路基距离L1对接地网散流特性的影响,仿真计算时固定土壤电阻率为500 Ω·m,公路路基宽度d为10 m,取入地电流频率50～200 kHz,主接地网与公路路基距离L1在5 m～85 m变化时接地网分流系数如图4所示。

图4 主接地网与公路距离L1下分流系数Fig.4 Shunt coefficient under different distance L1 between main grounding grid and highway

由图4可知:在入地电流频率为50 Hz时,主接地网与公路路基距离L1增加对接地网分流系数无太大影响。分析其原因:入地电流频率较低,未跨越公路路基时沿外延引线向土壤中流散的电流分布均匀,因此随着主接地网与公路路基距离L1变化公路路基对接地网分流系数影响不明显。在入地电流频率为50 kHz时,随着主接地网与公路路基距离L1的增加使得接地网分流系数逐渐增大。这是因为在入地电流频率较高时,电感效应导致沿外延引线流散的电流逐渐降低,因此随着主接地网与公路路基距离L1增加公路路基对接地网分流系数的影响变小,接地网分流系数逐渐增大。在入地电流频率为200 kHz时,随着主接地网与公路路基距离L1增加接地网分流系数先增大后趋于平稳。分析其原因:未跨越公路路基时由于频率的影响电感效应和趋肤效应更加强烈,电流主要集中在主接地网及外延引线首端流散,因此公路路基距离主接地网近时对接地网分流系数影响大,接地网分流系数低。可见在高频电流下主接地网与公路路基距离越远,接地网分流系数受公路路基影响越小。

为了分析主接地网与公路路基距离L1对于跨步电压的影响,通过仿真计算结果绘制入地电流频率为50 kHz时的跨步电压分布如图5所示。

图5 主接地网与公路距离L1下跨步电压分布Fig.5 Step voltage distribution under different L1 distance between main grounding grid and highway

由图5可知:当主接地网与公路路基距离L1从5 m增加至85 m时,引下线附近最大跨步电压降低了14 kV,跨越公路路基接地体附近最大跨步电压降低了48.2 kV。这是由于主接地网与公路路基由近变远时,引下线周围泄漏电流降低,导致地面标量电势减小,跨步电压降低;由于电感效应的影响,当主接地网与公路路基距离L1增加时,跨越公路路基接地体泄漏电流降低,路面的标量电势减小,跨步电压降低。因此,在实际工程中输电线路杆塔架设时应避免与公路路基相距太近,防止引下线附近跨步电压过大而对路面行人造成触电危险。

2.3 跨越路基对不同辅助终端形式的影响

在采用外延降阻技术降低接地网接地电阻时,为使接地网的散流降阻效果更优,常在外延引线末端人工敷设辅助接地网,主要包括垂直辅助接地网、单边辅助接地网、双边辅助接地网以及方框辅助接地网[29]。不同接地网形式如图6所示。

图6 不同辅助接地网形式Fig.6 Different auxiliary grounding grid forms

为了研究跨越公路路基对不同辅助终端形式散流特性的影响差异性,并进一步分析在跨越公路路基时四种接地网跨步电压分布,仿真建立其跨越公路路基模型。其中辅助接地网采用Φ28 mm柔性石墨复合接地材料,辅助接地网总长度为12 m,固定公路路基距主接地网L1为50 m,公路路基宽度d为10 m,土壤电阻率取500 Ω·m,入地电流频率取50 Hz。计算外延引线未跨越与跨越公路路基不同辅助终端形式接地网分流系数如表2所示。

表2 不同辅助终端形式接地网分流系数Table 2 Shunt coefficient of different auxiliary grounding grids

由表2可知:在外延引线未跨越公路路基和跨越公路路基时,垂直型辅助接地网分流系数最大,方框型辅助接地网分流系数最小。当外延引线未跨越公路路基与跨越公路路基进行对比时,不同辅助终端形式接地网分流系数均有所下降,垂直型辅助接地网分流系数下降幅度最小,方框型辅助接地网分流系数下降幅度最大。这主要是因为垂直辅助接地网能够将电流引向大地更深更远处流散,外延引线泄漏电流小,跨越公路路基对接地网分流系数影响小;而方框辅助接地网因接地体排列紧密产生的屏蔽效应增强,外延引线泄漏电流大,跨越公路路基对接地网分流系数影响大。

为分析在不同辅助终端形式下外延引线跨越公路路基时对跨步电压的影响,利用计算结果绘制垂直型和方框型辅助接地网跨步电压分布如图7所示。

图7 不同辅助终端形式下接地网跨步电压分布Fig.7 Step voltage distribution of grounding grid under different auxiliary terminals

由图7可知:相对于垂直型辅助接地网,方框型辅助接地网引下线附近最大跨步电压增加了2 kV,跨越公路路基接地体附近最大跨步电压增加了2.1 kV。这是由于方框辅助接地网的屏蔽效应增强导致引下线周围泄漏电流增大,地面标量电势升高,因此跨步电压增加;方框型辅助接地网跨越公路路基接地体泄漏电流比其他形式接地网要大,使得路面跨步电压增加。

相对于其他接地网形式,垂直型辅助接地网拥有更好的散流特性且受公路路基影响最小,具有比方框型辅助接地网更小的跨步电压。因此,在实际工程应用中人工敷设辅助接地网时应优先考虑垂直辅助接地网,若由于地形条件或施工难度无法敷设垂直辅助接地网时,应考虑单边辅助接地网以及双边辅助接地网。

3 跨越路基绝缘层防护仿真计算

通过上述仿真计算可知,当外延引线跨越公路路基时,由于接地体距离公路路面较近导致跨步电压增大,因此需要寻找一种有效的防护措施来降低公路路面的跨步电压。

为了探究跨越公路路基接地体添加绝缘层对接地网接地电阻和分流系数的影响,分析路面跨步电压分布,在仿真中取绝缘层的厚度为0.002 m、电阻系数为106Ω·m,添加绝缘层位置A～D如图1(b)所示。图1(b)中主接地网距公路路基L1为50 m,跨越公路路基长度d为10 m,固定土壤电阻率为500 Ω·m,入地电流频率取10 kHz。仿真计算添加绝缘层不同位置时接地网接地电阻以及分流系数如表3所示。

表3 不同绝缘涂层位置接地网接地电阻及分流系数Table 3 Grounding resistance and shunt coefficient of grounding grid at different insulation coating positions

由表3计算结果可知:跨越公路路基接地体无绝缘层和添加绝缘层不同位置的接地电阻最大相差0.05 Ω,分流系数最大相差0.18%,可见接地电阻和分流系数差距不大。这是由于公路路基和绝缘层的电阻率相对于土壤电阻率较大,导致跨越公路路基接地体未能向外流散的电流几乎相同且电流将在接地网其余部分流散,因此施加绝缘层不会对接地电阻和分流系数产生太大影响。

为了研究绝缘层不同位置对引下线以及路面跨步电压的影响,根据仿真计算结果绘制接地网跨步电压分布如图8所示。

图8 不同绝缘涂层位置下接地网跨步电压分布Fig.8 Step voltage distribution of grounding grid under different insulation coating positions

由图8可知:跨越公路路基接地体无绝缘层和添加绝缘层时引下线附近最大跨步电压无明显变化,分析其原因:不同位置添加绝缘层对引下线周围散流影响不大,因此地面标量电势无明显变化,跨步电压不变。随着添加绝缘层位置的改变,路面附近最大跨步电压由60.9 kV下降至18.17 kV。随着绝缘层位置的改变,跨越公路路基接地体向外流散的电流极小,导致路面标量电势降低,因此路面附近跨步电压减小。由于雷电流持续时间短且等值频率较高,使人出现致死危险的冲击电流可以达到20 A～40 A,而我国接地安全设计时取人体电阻为 1 500 Ω[30],此时人体能够耐受的跨步电压为30～60 kV。在不考虑人脚和公路沥青层之间的接触电阻分压时,此时跨越公路路基接地体全部添加绝缘层的路面跨步电压已低于人体所能够耐受的跨步电压。

由以上仿真算例分析可知:当电力工程输电线路杆塔接地网与道路临近或交叉跨越时,在输电线路杆塔雷击泄流瞬间,道路因接地体的雷电散流产生瞬态过电压,使得临近处的土壤瞬态电位增加至数十甚至上百千伏,此时,杆塔临近处的道路有一定的瞬态跨步电压风险。由于输电线路雷电冲击瞬态持续时间一般为微秒级,单次雷击的能量值只有几十千瓦时,同时,考虑到公路表层一般敷设水泥层或者沥青层,路面的介质电阻率高,且行人绝缘鞋底使得人体能接触到的电位下降明显,在路面较为干燥的情况下,鞋底绝缘层可为人体提供安全保护作用,道路上的行人因跨步电压触电风险低;当雷雨天气使得路面被积水(尤其是脚面以上的深度积水)覆盖时,行人因跨步电压而引起的触电风险将会增加,此时,建议增加防触电危险标识,提醒行人在雷雨或者积水情况下远离输电线路与道路临近交叉点。

此外,当道路建设因设计或者建筑面积所限需要跨越杆塔外延的防雷接地体时,需要为该段防雷接地体涂覆绝缘层或者热缩护套,降低电力线路与道路临近交叉时的行人触电安全风险。

4 结论

通过CDEGS仿真软件对输电线路杆塔接地网跨越公路路基接地特性进行仿真计算,得到以下结论:

1)跨越公路路基接地体散流效果不佳,公路路基宽度的增加会降低接地网分流系数,增大引下线以及路面附近跨步电压。

2)接地网分流系数η在入地电流频率为50 Hz时,随着主接地网与公路路基距离的增加变化不明显;入地电流频率50 kHz时,分流系数η随着主接地网与公路路基距离的增加逐渐升高,而公路路面附近跨步电压逐渐降低;入地电流频率200 kHz时,分流系数η随着主接地网与公路路基距离的增加先升高后趋于平稳。

3)在外延引线跨越公路路基时,垂直型辅助接地网的分流系数大于其他辅助终端形式接地网分流系数,引下线与路面附近跨步电压小于方框型辅助接地网。

4)为跨越公路路基接地体全部添加绝缘层后,接地网接地电阻和分流系数并无太大变化,但路面附近跨步电压将降低42.2 kV,有利于减小行人触电的风险。