胡元潮 李 腾 安韵竹 高晓晶 周 蠡 姜志鹏

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院, 山东 淄博 255000;2.国网湖北省电力有限公司经济技术研究院,武汉 430000;3.国网湖北省电力有限公司鄂州供电公司, 湖北 鄂州 436000)

雷击引起的线路跳闸事故严重影响高压输电线路正常运行[1],杆塔输电线路地处旷野,地形、地势复杂,极易遭到雷击[2].在输电线路防雷接地工程中,杆塔接地性能良好可以有效减少雷击闪络次数,提高电力系统安全运行水平[3-4].

目前,国内外普遍运用的降阻方法有外延接地、使用降阻剂、利用自然接地体、改变接地体材料、接地模块等方法[5-6].工程中,杆塔接地一般采用简单结构的水平接地体[7].文献[8]研究了杆塔接地装置冲击泄漏电阻分布规律以及外部射线长度对整体散流分布的影响规律,分析了土壤电阻率与有效散流长度之间的关系.文献[9-10]分析了石墨接地材料的电磁特性对于降低冲击接地电阻的影响.文献[11]仿真计算了各类基础的自然接地电阻,模拟了有无接地装置情况下杆塔附近的电位水平和分布特征.文献[12]研究了垂直分层土壤下输电杆塔接地电阻的拟合算法.

本文模拟高土壤电阻率、高电流频率的输电线路架设环境,先建立单向辅助接地网,研究连接线长度、数量以及连接线与辅助终端的比值对接地网散流特性的影响.进而仿真对比土壤电阻率、电流频率对单向与双向辅助接地网的影响,进行结构优化,结论可为输电线路杆塔的散流降阻提供一定的理论依据.

1 单向辅助接地网散流特性影响因素

1.1 单向辅助接地网模型

为了研究连接线长度及数量对杆塔单向辅助接地网散流特性的影响,进而对杆塔接地网进行结构优化,建立Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型单向辅助接地网,如图1所示.220 k V输电线路杆塔根开一般为8～10 m,取主接地网的边长为12 m,接地网采用镀锌钢材料,直径为10 mm,相对电阻率ρ为109.7,相对磁导率μr为636,接地网埋深0.8 m.雷电流的峰值一般在20～200 k A范围内,设置杆塔单腿入地电流20 k A,CDEGS仿真软件中的辅助接地网模型如图2所示.

图1 单向辅助接地网结构图

图2 CDEGS仿真模型示意图

1.2 连接线长度的影响

为表征杆塔辅助接地网的分流能力,本文引入分流系数η,其含义为流入外延接地网的电流I外延与杆塔的总电流I总的比值,即：

为了研究辅助接地网连接线长度对输电线路杆塔散流和降阻特性的影响,设置均匀土壤电阻率1 000Ω·m,电流频率100 k Hz,辅助接地网连接线长度为10～70 m,仿真计算不同连接线长度下的降阻效率和分流系数,见表1.

表1 改变连接线长度的降阻效率和分流系数

由表1计算结果可知：不同连接线长度下的降阻效率和分流系数差别较小,说明在土壤电阻率较高、电流频率较大的环境下,电流向大地散流能力较弱.增加连接线长度在一定范围内可以提高降阻能力和分流能力,但当连接线长度超过有效散流长度时,降阻能力和分流能力随之减弱.通过比较可知,连接线长度在10～40 m范围内效果较为理想,仿真绘制25 m时的散流图如图3所示.

图3 连接线长度为25 m时的散流图

由图3仿真结果可知：在土壤电阻率1 000Ω·m,入地电流频率100 k Hz的条件下,辅助接地网的散流强度随着观测点与电流注入点距离的拉远而逐渐变弱,辅助终端出现端部效应.连接线和端部散流缓解了注入点附近的散流压力,但注入点周围的散流密度依然很高,主要是由于土壤电阻率较高.

1.3 连接线数量的影响

1.3.1 频率的影响

为了进一步提高辅助接地网的散流降阻能力,在土壤电阻率1 000Ω·m,电流频率50～200 k Hz的条件下,连接线长度25 m,电流频率100 k Hz,绘制3根连接线数量的辅助接地网的散流分布如图4所示.

图4 3根连接线数量的散流图

由图3、图4对比结果可得：随着连接线数量的增加,辅助接地网的散流特性逐渐变好,辅助接地网的端部效应更加显著,明显缓解了注入点附近的散流压力.说明在外延长度固定的情况下增加辅助地网的覆盖面积可以改善接地网的散流特性.为了对比不同连接线数量的辅助接地网的分流能力,根据公式(1)计算分流系数η,如图5所示.

图5 同一土壤电阻率改变连接线数量的分流系数

由图5计算数据可知：随着电流频率的增加,辅助接地网的分流系数逐渐降低,低频情况下分流系数较高,分流能力较强;高频情况下分流系数急剧降低,分流能力变差.增加连接线数量能有效提高分流系数,增强接地网的分流能力.当电流频率处于中高频(100 k Hz以上)条件下,3根连接线的辅助接地网有着明显的散流优势.为了对比不同辅助接地网的降阻效率,仿真计算结果见表2.

表2 同一土壤电阻率下改变频率的降阻效率(单位：%)

由表2计算数据可知：随着电流频率的增加,辅助接地网的降阻效率随之降低,工频条件下,降阻效率可达到45%以上,中高频条件下降阻效率下降明显.3根连接线的辅助接地网有着明显的降阻优势,工频条件下降阻效率达到50%以上,中高频条件下降阻效率能够保持在40%以上.

1.3.2 土壤电阻率的影响

为了研究土壤电阻率对分布式辅助接地网的影响,取连接线数量为3根,电流频率100 k Hz,土壤电阻率500～2 500Ω·m,分布式辅助接地网的散流分布如图6所示.

图6 土壤电阻率为2 500Ω·m时的散流图

由图6仿真计算结果可知：在土壤电阻率高的地方敷设分布式辅助接地网,外延引线能够很好的散流,端部效应明显.为了详细得出土壤电阻率对辅助接地网的散流影响,根据公式(1)计算出散流系数,如图7所示.

图7 同一频率下改变连接线数量的分流系数

由图7仿真计算结果可知：随着土壤电阻率的增大,分布式辅助接地网的分流系数逐渐变大,土壤电阻率高的地方敷设外延接地网更有利于电流向远端散流.3根连接线的辅助接地网的分流系数最大,散流能力最好.为比较土壤电阻率对辅助接地网的降阻影响,仿真计算降阻效率见表3.

表3 同一频率下改变土壤电阻率的降阻效率(单位：%)

表3仿真计算结果表明：随着土壤电阻率的增加,各分布式辅助接地网的降阻效率逐渐变大,降阻效果更好.3根连接线的辅助接地网的降阻效率最好,在高土壤电阻率的环境下,降阻效率可以达到50%左右.因此,增加连接线数量可以明显增强接地网的散流能力和降低接地网的接地电阻,实际施工过程中,增加外延引线的数量具有实际意义.

2 单向辅助接地网结构优化

为进一步对单向辅助接地网进行结构优化,取L0/L1分别为1/3、1/2、1/1、2/1和3/1,L0的长度为120 m不变,分别研究电流频率、土壤电阻率及分块土壤对其影响.

2.1 频率的影响

为研究频率对单向辅助接地网的影响,不同L0/L1的单向辅助接地网分流系数如图8所示.

图8 不同频率下改变L 0/L 1比值的分流系数

图8仿真计算结果显示：随着电流频率的增加,辅助接地网的分流系数逐渐下降,中高频(100 k Hz以上)条件下,分流系数降到10%以下.不同L0/L1的单向辅助接地网的分流系数差距很小,由此可见,改变L0/L1的值对于改善接地网散流能力效果不显著.电流频率对于不同L0/L1的降阻效率的影响见表4.

表4 不同频率下改变L 0/L 1比值的降阻效率(单位：%)

表4计算结果显示：单向辅助接地网在低频条件下降阻效率高,在中高频条件下降阻效率明显降低.不同L0/L1的辅助接地网的降阻效率近乎一致,并无绝对的优越性可言.

2.2 土壤电阻率的影响

为研究土壤电阻率对单向辅助接地网的影响,取入地电流频率100 k Hz,土壤电阻率500～2 500Ω·m,仿真计算不同L0/L1的辅助接地网的分流系数,如图9所示.

图9 不同土壤电阻率下改变L 0/L 1比值的分流系数

由图9计算结果可知：在同一土壤条件下,不同L0/L1下的辅助接地网的分流系数差别不大,L0/L1为1/3的辅助接地网的散流效果最好.不同比值的辅助接地网的降阻效率见表5.

表5 不同土壤电阻率下改变L 0/L 1比值的降阻效率(单位：%)

表5计算结果对比表明：在低阻土壤环境下,不同比值的辅助接地网的降阻效率区别不大,在高土壤电阻率环境下,L0/L1为1/3的辅助接地网降阻效果最优,降阻效率高出约3%.由此可见,辅助接地网设计过程中,在外延引线长度一定的情况下,增加辅助终端的长度会提高接地网的降阻效率.

2.3 分块土壤的影响

为研究分块土壤条件下不同比值的辅助接地网散流效果和降阻特性,从外延连接线长度L0的中点垂直分层,取主接地网土壤电阻率为2 000Ω·m,辅助接地网土壤电阻率50～1 600Ω·m变化时,辅助接地网的分流系数如图10所示.

图10 分块土壤下改变L 0/L 1比值的分流系数

由图10仿真对比结果可知：随着分块土壤电阻率的差值变小,辅助接地网的分流系数减小,散流能力变弱.相比于L0/L1为3/1的辅助接地网,L0/L1为1/3的辅助接地网分流系数可以提高1.5%以上.对于分块土壤的施工环境,设计L0/L1为1/3比值的辅助接地网可以提高接地网的散流能力.计算对比不同比值的辅助接地网的降阻效率见表6.由表6计算结果可以看出：随着分块土壤电阻率的差值变小,辅助接地网的降阻效率逐渐下降.L0/L1为1/3的辅助接地网有着明显的降阻优势,降阻效率可以达到40%以上.因此,接地网敷设过程中,在外延引线一定的情况下,加长辅助终端的长度可以改善接地网的散流效果和降阻特性.

表6 分块土壤下改变L 0/L 1比值的降阻效率(单位：%)

3 多向分布式辅助接地网结构优化

3.1 多向分布式辅助接地网模型

为对比单向与多向分布式辅助接地网的差异,建立多向分布式辅助接地网Ⅳ、Ⅴ,连接线L0总长度为120 m,辅助终端L1长度为30 m,Ⅳ为双向平衡辅助接地网,左右长度均为L0/2;Ⅴ为双向不平衡辅助接地网,左侧为L0/3,右侧为2L0/3,模型如图11所示.

图11 多向辅助接地网模型图

3.2 频率的影响

为研究入地电流频率对于多向辅助接地网的影响,取土壤电阻率1 000Ω·m,仿真在50～200 k Hz下的散流分布,双向平衡辅助接地网散流分布如图12所示.

图12 双向平衡辅助接地网散流图

由图12仿真结果可知：双向分布式辅助接地网是在单向辅助接地网的基础上将单向接地网进行对称敷设,有利于实现电流同时迅速向多个方向散流.双向平衡辅助接地网朝着外延引线方向呈现出“对称式”端部效应,外延引线和端部散流较强,缓解了注入点附近的散流压力.

由图13计算结果可知：双向辅助接地网的分流系数明显高于单向辅助接地网,说明电流更容易朝多个方向散流.双向平衡和不平衡辅助接地网的分流系数近乎一致,无明显的优劣性之分.为比较3种辅助接地网的降阻能力,对比降阻效率见表7.

图13 同一土壤电阻率下辅助接地网分流系数

表7 不同频率下辅助接地网降阻效率(单位：%)

表7仿真计算结果显示：在低频条件下,单向和双向辅助接地网的降阻效率相差不大,中高频条件下,双向辅助接地网有着良好的降阻效率,降阻效率高出单向辅助接地网15%左右.双向平衡和不平衡辅助接地网的降阻效率相差很小.

3.3 分块土壤的影响

为研究多向辅助接地网在分块土壤结构下降阻规律,取电流频率100 k Hz,主接地网土壤电阻率2 000Ω·m,辅助接地网土壤电阻率50～1 600Ω·m,根据公式(1)计算分流系数,如图14所示.

图14 分块土壤下辅助接地网散流图

由图14仿真对比可见：双向平衡辅助接地网具有显著的散流优势.当分块土壤电阻率差值较大时,双向不平衡辅助接地网的散流能力高于单向辅助接地网,但当土壤电阻率差值减小时,双向不平衡辅助接地网的散流系数急剧下降,低于单向辅助接地网,主要由于双向不平衡辅助接地网向2 000Ω·m的一侧散流能力差,向低土壤电阻率一侧散流长度短于单向辅助接地网的外延长度,所以分流系数不及单向辅助接地网.为对比3种辅助接地网的降阻能力,降阻效率见表8.

表8 分块土壤下辅助接地网降阻效率(单位：%)

表8仿真结果看出：在分块土壤电阻率的施工环境下,敷设双向辅助接地网具有显著的降阻优势,降阻效率可以达到55%以上,单向辅助接地网的降阻效率相比于双向辅助接地网较差,最高的降阻效率为56%左右.双向平衡和不平衡辅助接地网的降阻效果相差不明显,双向平衡辅助接地网具有微弱的降阻优势.在输电杆塔建设施工中,可根据地形、地貌的区别选择采用双向平衡或者不平衡辅助接地网来代替单向辅助接地网承担散流降阻的作用.

4 结 论

本文采用CDEGS软件对输电线路杆塔辅助接地网散流特性及影响因素进行仿真计算研究,得到规律性的结论如下：

1)输电线路杆塔处在高土壤电阻率环境下,杆塔辅助接地网有效外延长度较短,超过有效外延长度不会明显改善散流和降阻效果;增加外延连接线数量能够明显改善接地网的散流特性和提高降阻效率,外延连接线的数量由1条增加至3条时,降阻效率可以提升18%左右.

2)在外延引线总长度固定的情况下,改变连接线与辅助终端的比值对辅助接地网的散流和降阻影响较小.在土壤条件不同时,适当增加辅助终端的长度可以改善散流效果和提高降阻效率.

3)多向辅助接地网的散流特性和降阻效率要明显优于单向辅助接地网,改善多向辅助接地网结构有助于实现入地电流的均衡散流,注入电流频率为100 k Hz的高阻土壤环境中,多向辅助接地网的散流和降阻效率大约为57%左右,远远高于单向辅助接地网.在输电杆塔建设施工中,可根据地形、地貌的区别选择采用双向平衡或者不平衡辅助接地网来代替单向辅助接地网承担散流降阻的作用.