胡元潮 李 騰 安韻竹 高曉晶 周 蠡 姜志鵬

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 山東 淄博 255000;2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,武漢 430000;3.國網(wǎng)湖北省電力有限公司鄂州供電公司, 湖北 鄂州 436000)

雷擊引起的線路跳閘事故嚴(yán)重影響高壓輸電線路正常運(yùn)行[1],桿塔輸電線路地處曠野,地形、地勢復(fù)雜,極易遭到雷擊[2].在輸電線路防雷接地工程中,桿塔接地性能良好可以有效減少雷擊閃絡(luò)次數(shù),提高電力系統(tǒng)安全運(yùn)行水平[3-4].

目前,國內(nèi)外普遍運(yùn)用的降阻方法有外延接地、使用降阻劑、利用自然接地體、改變接地體材料、接地模塊等方法[5-6].工程中,桿塔接地一般采用簡單結(jié)構(gòu)的水平接地體[7].文獻(xiàn)[8]研究了桿塔接地裝置沖擊泄漏電阻分布規(guī)律以及外部射線長度對整體散流分布的影響規(guī)律,分析了土壤電阻率與有效散流長度之間的關(guān)系.文獻(xiàn)[9-10]分析了石墨接地材料的電磁特性對于降低沖擊接地電阻的影響.文獻(xiàn)[11]仿真計(jì)算了各類基礎(chǔ)的自然接地電阻,模擬了有無接地裝置情況下桿塔附近的電位水平和分布特征.文獻(xiàn)[12]研究了垂直分層土壤下輸電桿塔接地電阻的擬合算法.

本文模擬高土壤電阻率、高電流頻率的輸電線路架設(shè)環(huán)境,先建立單向輔助接地網(wǎng),研究連接線長度、數(shù)量以及連接線與輔助終端的比值對接地網(wǎng)散流特性的影響.進(jìn)而仿真對比土壤電阻率、電流頻率對單向與雙向輔助接地網(wǎng)的影響,進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,結(jié)論可為輸電線路桿塔的散流降阻提供一定的理論依據(jù).

1 單向輔助接地網(wǎng)散流特性影響因素

1.1 單向輔助接地網(wǎng)模型

為了研究連接線長度及數(shù)量對桿塔單向輔助接地網(wǎng)散流特性的影響,進(jìn)而對桿塔接地網(wǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,建立Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型單向輔助接地網(wǎng),如圖1所示.220 k V輸電線路桿塔根開一般為8～10 m,取主接地網(wǎng)的邊長為12 m,接地網(wǎng)采用鍍鋅鋼材料,直徑為10 mm,相對電阻率ρ為109.7,相對磁導(dǎo)率μr為636,接地網(wǎng)埋深0.8 m.雷電流的峰值一般在20～200 k A范圍內(nèi),設(shè)置桿塔單腿入地電流20 k A,CDEGS仿真軟件中的輔助接地網(wǎng)模型如圖2所示.

圖1 單向輔助接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 CDEGS仿真模型示意圖

1.2 連接線長度的影響

為表征桿塔輔助接地網(wǎng)的分流能力,本文引入分流系數(shù)η,其含義為流入外延接地網(wǎng)的電流I外延與桿塔的總電流I總的比值,即：

為了研究輔助接地網(wǎng)連接線長度對輸電線路桿塔散流和降阻特性的影響,設(shè)置均勻土壤電阻率1 000Ω·m,電流頻率100 k Hz,輔助接地網(wǎng)連接線長度為10～70 m,仿真計(jì)算不同連接線長度下的降阻效率和分流系數(shù),見表1.

表1 改變連接線長度的降阻效率和分流系數(shù)

由表1計(jì)算結(jié)果可知：不同連接線長度下的降阻效率和分流系數(shù)差別較小,說明在土壤電阻率較高、電流頻率較大的環(huán)境下,電流向大地散流能力較弱.增加連接線長度在一定范圍內(nèi)可以提高降阻能力和分流能力,但當(dāng)連接線長度超過有效散流長度時(shí),降阻能力和分流能力隨之減弱.通過比較可知,連接線長度在10～40 m范圍內(nèi)效果較為理想,仿真繪制25 m時(shí)的散流圖如圖3所示.

圖3 連接線長度為25 m時(shí)的散流圖

由圖3仿真結(jié)果可知：在土壤電阻率1 000Ω·m,入地電流頻率100 k Hz的條件下,輔助接地網(wǎng)的散流強(qiáng)度隨著觀測點(diǎn)與電流注入點(diǎn)距離的拉遠(yuǎn)而逐漸變?nèi)?輔助終端出現(xiàn)端部效應(yīng).連接線和端部散流緩解了注入點(diǎn)附近的散流壓力,但注入點(diǎn)周圍的散流密度依然很高,主要是由于土壤電阻率較高.

1.3 連接線數(shù)量的影響

1.3.1 頻率的影響

為了進(jìn)一步提高輔助接地網(wǎng)的散流降阻能力,在土壤電阻率1 000Ω·m,電流頻率50～200 k Hz的條件下,連接線長度25 m,電流頻率100 k Hz,繪制3根連接線數(shù)量的輔助接地網(wǎng)的散流分布如圖4所示.

圖4 3根連接線數(shù)量的散流圖

由圖3、圖4對比結(jié)果可得：隨著連接線數(shù)量的增加,輔助接地網(wǎng)的散流特性逐漸變好,輔助接地網(wǎng)的端部效應(yīng)更加顯著,明顯緩解了注入點(diǎn)附近的散流壓力.說明在外延長度固定的情況下增加輔助地網(wǎng)的覆蓋面積可以改善接地網(wǎng)的散流特性.為了對比不同連接線數(shù)量的輔助接地網(wǎng)的分流能力,根據(jù)公式(1)計(jì)算分流系數(shù)η,如圖5所示.

圖5 同一土壤電阻率改變連接線數(shù)量的分流系數(shù)

由圖5計(jì)算數(shù)據(jù)可知：隨著電流頻率的增加,輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù)逐漸降低,低頻情況下分流系數(shù)較高,分流能力較強(qiáng);高頻情況下分流系數(shù)急劇降低,分流能力變差.增加連接線數(shù)量能有效提高分流系數(shù),增強(qiáng)接地網(wǎng)的分流能力.當(dāng)電流頻率處于中高頻(100 k Hz以上)條件下,3根連接線的輔助接地網(wǎng)有著明顯的散流優(yōu)勢.為了對比不同輔助接地網(wǎng)的降阻效率,仿真計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 同一土壤電阻率下改變頻率的降阻效率(單位：%)

由表2計(jì)算數(shù)據(jù)可知：隨著電流頻率的增加,輔助接地網(wǎng)的降阻效率隨之降低,工頻條件下,降阻效率可達(dá)到45%以上,中高頻條件下降阻效率下降明顯.3根連接線的輔助接地網(wǎng)有著明顯的降阻優(yōu)勢,工頻條件下降阻效率達(dá)到50%以上,中高頻條件下降阻效率能夠保持在40%以上.

1.3.2 土壤電阻率的影響

為了研究土壤電阻率對分布式輔助接地網(wǎng)的影響,取連接線數(shù)量為3根,電流頻率100 k Hz,土壤電阻率500～2 500Ω·m,分布式輔助接地網(wǎng)的散流分布如圖6所示.

圖6 土壤電阻率為2 500Ω·m時(shí)的散流圖

由圖6仿真計(jì)算結(jié)果可知：在土壤電阻率高的地方敷設(shè)分布式輔助接地網(wǎng),外延引線能夠很好的散流,端部效應(yīng)明顯.為了詳細(xì)得出土壤電阻率對輔助接地網(wǎng)的散流影響,根據(jù)公式(1)計(jì)算出散流系數(shù),如圖7所示.

圖7 同一頻率下改變連接線數(shù)量的分流系數(shù)

由圖7仿真計(jì)算結(jié)果可知：隨著土壤電阻率的增大,分布式輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù)逐漸變大,土壤電阻率高的地方敷設(shè)外延接地網(wǎng)更有利于電流向遠(yuǎn)端散流.3根連接線的輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù)最大,散流能力最好.為比較土壤電阻率對輔助接地網(wǎng)的降阻影響,仿真計(jì)算降阻效率見表3.

表3 同一頻率下改變土壤電阻率的降阻效率(單位：%)

表3仿真計(jì)算結(jié)果表明：隨著土壤電阻率的增加,各分布式輔助接地網(wǎng)的降阻效率逐漸變大,降阻效果更好.3根連接線的輔助接地網(wǎng)的降阻效率最好,在高土壤電阻率的環(huán)境下,降阻效率可以達(dá)到50%左右.因此,增加連接線數(shù)量可以明顯增強(qiáng)接地網(wǎng)的散流能力和降低接地網(wǎng)的接地電阻,實(shí)際施工過程中,增加外延引線的數(shù)量具有實(shí)際意義.

2 單向輔助接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為進(jìn)一步對單向輔助接地網(wǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,取L0/L1分別為1/3、1/2、1/1、2/1和3/1,L0的長度為120 m不變,分別研究電流頻率、土壤電阻率及分塊土壤對其影響.

2.1 頻率的影響

為研究頻率對單向輔助接地網(wǎng)的影響,不同L0/L1的單向輔助接地網(wǎng)分流系數(shù)如圖8所示.

圖8 不同頻率下改變L 0/L 1比值的分流系數(shù)

圖8仿真計(jì)算結(jié)果顯示：隨著電流頻率的增加,輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù)逐漸下降,中高頻(100 k Hz以上)條件下,分流系數(shù)降到10%以下.不同L0/L1的單向輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù)差距很小,由此可見,改變L0/L1的值對于改善接地網(wǎng)散流能力效果不顯著.電流頻率對于不同L0/L1的降阻效率的影響見表4.

表4 不同頻率下改變L 0/L 1比值的降阻效率(單位：%)

表4計(jì)算結(jié)果顯示：單向輔助接地網(wǎng)在低頻條件下降阻效率高,在中高頻條件下降阻效率明顯降低.不同L0/L1的輔助接地網(wǎng)的降阻效率近乎一致,并無絕對的優(yōu)越性可言.

2.2 土壤電阻率的影響

為研究土壤電阻率對單向輔助接地網(wǎng)的影響,取入地電流頻率100 k Hz,土壤電阻率500～2 500Ω·m,仿真計(jì)算不同L0/L1的輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù),如圖9所示.

圖9 不同土壤電阻率下改變L 0/L 1比值的分流系數(shù)

由圖9計(jì)算結(jié)果可知：在同一土壤條件下,不同L0/L1下的輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù)差別不大,L0/L1為1/3的輔助接地網(wǎng)的散流效果最好.不同比值的輔助接地網(wǎng)的降阻效率見表5.

表5 不同土壤電阻率下改變L 0/L 1比值的降阻效率(單位：%)

表5計(jì)算結(jié)果對比表明：在低阻土壤環(huán)境下,不同比值的輔助接地網(wǎng)的降阻效率區(qū)別不大,在高土壤電阻率環(huán)境下,L0/L1為1/3的輔助接地網(wǎng)降阻效果最優(yōu),降阻效率高出約3%.由此可見,輔助接地網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中,在外延引線長度一定的情況下,增加輔助終端的長度會(huì)提高接地網(wǎng)的降阻效率.

2.3 分塊土壤的影響

為研究分塊土壤條件下不同比值的輔助接地網(wǎng)散流效果和降阻特性,從外延連接線長度L0的中點(diǎn)垂直分層,取主接地網(wǎng)土壤電阻率為2 000Ω·m,輔助接地網(wǎng)土壤電阻率50～1 600Ω·m變化時(shí),輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù)如圖10所示.

圖10 分塊土壤下改變L 0/L 1比值的分流系數(shù)

由圖10仿真對比結(jié)果可知：隨著分塊土壤電阻率的差值變小,輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù)減小,散流能力變?nèi)?相比于L0/L1為3/1的輔助接地網(wǎng),L0/L1為1/3的輔助接地網(wǎng)分流系數(shù)可以提高1.5%以上.對于分塊土壤的施工環(huán)境,設(shè)計(jì)L0/L1為1/3比值的輔助接地網(wǎng)可以提高接地網(wǎng)的散流能力.計(jì)算對比不同比值的輔助接地網(wǎng)的降阻效率見表6.由表6計(jì)算結(jié)果可以看出：隨著分塊土壤電阻率的差值變小,輔助接地網(wǎng)的降阻效率逐漸下降.L0/L1為1/3的輔助接地網(wǎng)有著明顯的降阻優(yōu)勢,降阻效率可以達(dá)到40%以上.因此,接地網(wǎng)敷設(shè)過程中,在外延引線一定的情況下,加長輔助終端的長度可以改善接地網(wǎng)的散流效果和降阻特性.

表6 分塊土壤下改變L 0/L 1比值的降阻效率(單位：%)

3 多向分布式輔助接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 多向分布式輔助接地網(wǎng)模型

為對比單向與多向分布式輔助接地網(wǎng)的差異,建立多向分布式輔助接地網(wǎng)Ⅳ、Ⅴ,連接線L0總長度為120 m,輔助終端L1長度為30 m,Ⅳ為雙向平衡輔助接地網(wǎng),左右長度均為L0/2;Ⅴ為雙向不平衡輔助接地網(wǎng),左側(cè)為L0/3,右側(cè)為2L0/3,模型如圖11所示.

圖11 多向輔助接地網(wǎng)模型圖

3.2 頻率的影響

為研究入地電流頻率對于多向輔助接地網(wǎng)的影響,取土壤電阻率1 000Ω·m,仿真在50～200 k Hz下的散流分布,雙向平衡輔助接地網(wǎng)散流分布如圖12所示.

圖12 雙向平衡輔助接地網(wǎng)散流圖

由圖12仿真結(jié)果可知：雙向分布式輔助接地網(wǎng)是在單向輔助接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上將單向接地網(wǎng)進(jìn)行對稱敷設(shè),有利于實(shí)現(xiàn)電流同時(shí)迅速向多個(gè)方向散流.雙向平衡輔助接地網(wǎng)朝著外延引線方向呈現(xiàn)出“對稱式”端部效應(yīng),外延引線和端部散流較強(qiáng),緩解了注入點(diǎn)附近的散流壓力.

由圖13計(jì)算結(jié)果可知：雙向輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù)明顯高于單向輔助接地網(wǎng),說明電流更容易朝多個(gè)方向散流.雙向平衡和不平衡輔助接地網(wǎng)的分流系數(shù)近乎一致,無明顯的優(yōu)劣性之分.為比較3種輔助接地網(wǎng)的降阻能力,對比降阻效率見表7.

圖13 同一土壤電阻率下輔助接地網(wǎng)分流系數(shù)

表7 不同頻率下輔助接地網(wǎng)降阻效率(單位：%)

表7仿真計(jì)算結(jié)果顯示：在低頻條件下,單向和雙向輔助接地網(wǎng)的降阻效率相差不大,中高頻條件下,雙向輔助接地網(wǎng)有著良好的降阻效率,降阻效率高出單向輔助接地網(wǎng)15%左右.雙向平衡和不平衡輔助接地網(wǎng)的降阻效率相差很小.

3.3 分塊土壤的影響

為研究多向輔助接地網(wǎng)在分塊土壤結(jié)構(gòu)下降阻規(guī)律,取電流頻率100 k Hz,主接地網(wǎng)土壤電阻率2 000Ω·m,輔助接地網(wǎng)土壤電阻率50～1 600Ω·m,根據(jù)公式(1)計(jì)算分流系數(shù),如圖14所示.

圖14 分塊土壤下輔助接地網(wǎng)散流圖

由圖14仿真對比可見：雙向平衡輔助接地網(wǎng)具有顯著的散流優(yōu)勢.當(dāng)分塊土壤電阻率差值較大時(shí),雙向不平衡輔助接地網(wǎng)的散流能力高于單向輔助接地網(wǎng),但當(dāng)土壤電阻率差值減小時(shí),雙向不平衡輔助接地網(wǎng)的散流系數(shù)急劇下降,低于單向輔助接地網(wǎng),主要由于雙向不平衡輔助接地網(wǎng)向2 000Ω·m的一側(cè)散流能力差,向低土壤電阻率一側(cè)散流長度短于單向輔助接地網(wǎng)的外延長度,所以分流系數(shù)不及單向輔助接地網(wǎng).為對比3種輔助接地網(wǎng)的降阻能力,降阻效率見表8.

表8 分塊土壤下輔助接地網(wǎng)降阻效率(單位：%)

表8仿真結(jié)果看出：在分塊土壤電阻率的施工環(huán)境下,敷設(shè)雙向輔助接地網(wǎng)具有顯著的降阻優(yōu)勢,降阻效率可以達(dá)到55%以上,單向輔助接地網(wǎng)的降阻效率相比于雙向輔助接地網(wǎng)較差,最高的降阻效率為56%左右.雙向平衡和不平衡輔助接地網(wǎng)的降阻效果相差不明顯,雙向平衡輔助接地網(wǎng)具有微弱的降阻優(yōu)勢.在輸電桿塔建設(shè)施工中,可根據(jù)地形、地貌的區(qū)別選擇采用雙向平衡或者不平衡輔助接地網(wǎng)來代替單向輔助接地網(wǎng)承擔(dān)散流降阻的作用.

4 結(jié) 論

本文采用CDEGS軟件對輸電線路桿塔輔助接地網(wǎng)散流特性及影響因素進(jìn)行仿真計(jì)算研究,得到規(guī)律性的結(jié)論如下：

1)輸電線路桿塔處在高土壤電阻率環(huán)境下,桿塔輔助接地網(wǎng)有效外延長度較短,超過有效外延長度不會(huì)明顯改善散流和降阻效果;增加外延連接線數(shù)量能夠明顯改善接地網(wǎng)的散流特性和提高降阻效率,外延連接線的數(shù)量由1條增加至3條時(shí),降阻效率可以提升18%左右.

2)在外延引線總長度固定的情況下,改變連接線與輔助終端的比值對輔助接地網(wǎng)的散流和降阻影響較小.在土壤條件不同時(shí),適當(dāng)增加輔助終端的長度可以改善散流效果和提高降阻效率.

3)多向輔助接地網(wǎng)的散流特性和降阻效率要明顯優(yōu)于單向輔助接地網(wǎng),改善多向輔助接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)有助于實(shí)現(xiàn)入地電流的均衡散流,注入電流頻率為100 k Hz的高阻土壤環(huán)境中,多向輔助接地網(wǎng)的散流和降阻效率大約為57%左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單向輔助接地網(wǎng).在輸電桿塔建設(shè)施工中,可根據(jù)地形、地貌的區(qū)別選擇采用雙向平衡或者不平衡輔助接地網(wǎng)來代替單向輔助接地網(wǎng)承擔(dān)散流降阻的作用.