祁玉龙，魏绍东，张进

(国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410004)

高土壤电阻率下杆塔地网冲击降阻研究

祁玉龙，魏绍东，张进

(国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410004)

本文采用模拟试验的方法，在高土壤电阻率中研究射线添加分支类型、分支位置、分支数量和分支长度对方框带射线接地体冲击特性的影响。从试验结果可知，垂直分支的降阻效果比水平分支明显；在射线与分支长度总和一定时，分支位于射线中间降阻效果最好，分支数量过多时会减弱降阻效果，存在一个最优分支长度，可以较为明显的降低冲击接地电阻。根据试验结果，在高土壤电阻率地区合理添加垂直分支可以有效的降低接地体冲击接地电阻。

高土壤电阻率；冲击接地电阻；模拟试验；降阻

防雷保护是提高电力系统运行稳定性的一项重要措施〔1〕，杆塔接地是防雷接地的重要组成部分，降低杆塔接地体的冲击接地电阻是减小雷击跳闸率、提高电力系统稳定性的重要措施〔2〕，冲击接地电阻大小直接影响线路防雷效果〔3〕。目前系统衡量杆塔接地性能的标准仍然以工频接地电阻值〔4〕，由于杆塔接地体主要用于泄放雷电流，而雷电流具有电流幅值大、等值频率高的典型特点，在雷电流经杆塔流入大地时，会出现火花效应和电感效应〔5－8〕，用工频接地电阻值来衡量其冲击电流下接地性能的优劣存在诸多局限性，工频接地电阻的降阻方法并不完全适用于冲击接地电阻〔9〕。

传统的运用于高土壤电阻率地区的降阻方法主要包括引外接地、深埋接地极、回填电阻率低的土壤或降阻物质、延长接地极射线以及各种改进的接地极如离子接地极等〔10〕。这些方法大多在经济上投入较大，或盲目追求降低工频接地电阻，忽视了其对冲击接地电阻的影响，对于防雷接地往往不能发挥有效的作用。

本文在高土壤电阻率环境下，针对电力系统输电杆塔常用的方框带射线接地体，运用模拟试验〔11－12〕的方法，进行冲击试验。 在射线与分支总长度一定的条件下，研究分支布置形式、分支数量和分支长度对接地体冲击接地电阻的影响。

1 试验方法

进行模拟试验时，接地体布置在半径为4 m的半球形模拟槽内，半球形槽内模拟高土壤电阻率土壤的为较细的黄沙，填充沙的土壤电阻率为1 890 Ω·m，半球形槽壁为电流回流极。冲击电流发生器参数为60 kV/10 kA，在试验过程中利用电阻和电感对波形进行调整，从而输出试验需要的电流。试验通过弱阻尼电阻分压器来测量电流注入点的电压波形，采集电流使用皮尔森线圈。在进行模拟试验时，模拟电极的尺寸不能大于模拟槽直径的1/4，故设置模拟比n为50∶1。在进行试验的时候，通过皮尔森线圈测得冲击电流的波前时间在0.08～0.14μs之间，经过模拟比换算为4～7μs，标准雷电波的波前时间为1～4μs，比较接近。杆塔实际方框带射线接地体中，方框边长10 m，射线长度40 m，接地体形状如图1所示。

图1 方框带射线接地体示意图

2 试验结果分析

2.1 分支形式的影响

为了研究分支布置形式对冲击接地电阻影响，在射线和分支长度总和一定的情况下，对方框带射线接地体不加分支，添加水平分支 (如图2)和添加垂直分支 (如图3)进行冲击试验，分支长度为2 m。试验结果如图4所示，3种形式的接地体冲击接地电阻随着冲击电流幅值的增大而减小，添加水平分支和垂直分支的降阻比例分别为1.92%和7.12%，垂直分支降阻效果比水平要好。

图2 方框带射线附加水平分支接地体示意图

图3 方框带射线附加垂直分支接地体示意图

图4 分支布置形式不同时接地体冲击特性

2.2 分支位置的影响

对方框带射线接地体在不同位置添加垂直分支(分支长度为2 m，如图5)进行冲击试验，从图中可以看出添加分支的位置不同，对冲击接地电阻的影响程度也会不同。图6是添加一个垂直分支，分别位于①，②和③点以及无分支时接地体的冲击特性，当垂直分支位于射线中点 (②点)时，接地体的冲击接地电阻最小，降低比例为7.12%。图7是附加2个垂直分支，分别位于①②，②③和①③点以及无分支时接地体的冲击特性，分支位于①②点时，接地体的冲击接地电阻最小，降低比例为9.03%。因此选择合适的位置添加垂直分支，可以有降低冲击接地电阻。

图5 分支不同位置布置图

图6 垂直分支位置不同时接地体冲击特性

图7 两根垂直分支位置不同时接地体冲击特性

2.3 分支数量的影响

在实际杆塔地网改造中，经常在射线上添加分支来降低接地体冲击接地电阻，试验研究了添加分支数量对接地体冲击接地电阻的影响。其冲击特性如图8所示。接地体的冲击接地电阻随着分支数量的增加而减小，从图8分析可知，当分支数量为3个时，其降阻效果最佳 (降阻比例为9.64%)。但是接地体的冲击接地电阻随着冲击电流幅值的增大先减小后增大，添加分支可以在一定程度上减小杆塔接地体的冲击接地电阻，但是也会影响接地体中各导体之间的散流，需要选择添加合适数量的分支，不然将会增大接地体的冲击接地电阻。

图8 垂直分支数量不同时接地体冲击特性

2.4 分支长度的影响

一个垂直分支位于射线中点接地体时，其冲击接地体电阻最小。接地体长度一定时，分支长度与射线长度的配比影响着降阻效果。垂直分支在射线中点，分支长度为1 m，1.5 m，2 m和2.5 m的接地体试验分析。如图9所示，接地体的冲击接地电阻随着冲击电流幅值的增大而减小，冲击接地电阻随着分支长度的增加而减小，长度为2.5 m时降阻效果最佳 (比例为8.06%)；当分支长度增加时，分支对冲击接地电阻影响逐渐减小，分支长度与射线长度需要满足合适的比例，其冲击接地电阻最小。

图9 垂直分支长度不同时接地体冲击特性

试验结果可知，添加分支能降低冲击接地电阻，添加垂直分支效果最好，比无分支时冲击接地电阻最大降低了7.12%；1个分支时，分支在射线中点时降阻效果最好；2个分支时，分支位于射线中点和方框顶角时降阻效果最好，降低比例为9.03%；分支数量越多降阻效果越好，3个分支时，降阻比例为9.64%，但是分支数量过多会增加电感效应，影响降阻效果；分支的长度越长，降阻效果越好，2.5 m分支接地电阻降低了8.06%。综上所述，建议在方框带射地网上添加2个长度适中的垂直接地极，添加位置为方框顶角和射线中点。

3 结论

运用模拟试验方法，在高电阻率土壤中，研究线路杆塔的典型接形式，方框带射线接地体添加分支后的冲击特性，包括添加分支的形式、分支位置、分支数量和分支的长度对冲击接地电阻的影响。

1)射线上添加分支可以降低接地体的冲击接地电阻，添加垂直分支效果最好；分支添加位置对接地体的冲击接地电阻有一定的影响，1个分支时在射线中点处降阻效果最好。

2)接地体的冲击接地电阻随着分支数量的增加而减小，但是分支数量过多反而会增加接地体的冲击接地电阻；接地体的冲击接地电阻随着分支的长度增加而增加，但存在一个最优长度。

3)在方框带射地网上添加2个长度适中的垂直接地极，添加位置为方框顶角和射线中点时降阻效果最好。

〔1〕陈慈萱.电气工程基础 〔M〕.北京:中国电力出版社，2004.

〔2〕何金良.电力系统接地技术 〔M〕.北京:科学出版社，2003.

〔3〕何金良，曾嵘，陈水明，等.输电线路杆塔冲击接地电阻特性的模拟试验研究 〔J〕.清华大学学报 (自然科学版)，1999，39(5):5-8.

〔4〕司马文霞，李晓丽，袁涛，等.不同结构土壤中接地网冲击特性的测量与分析 〔J〕.高电压技术，2008，34(7): 1342-1346.

〔5〕 A.Geri，G.M.Veca，E.Garbagnati，G.Sartorio.Non－linear Behaviour of Ground Electrodes Under Lightning Surge Currents: Computer Modelling and Comparison with Experimental Results〔J〕.IEEE Transactions on Magnetic，1992，28(2):1442-1445.

〔6〕S.Sekioka，H.Hayashida，T.Hara，A.Ametani.Measurements of Grounding Resistances for High Impulse Currents〔J〕.IEE Proc－Gener.Trans.Distrib，Japan，1998，145(6):693-699.

〔7〕 A.M.Flanagan. C.E.Maallon， R.Denson， et al. Electrical Breakdown Properties of soil〔J〕.IEEE Trans.On Nuclear Science，1982，28(6):4432-4439.

〔8〕 J.W.Erler，D.P.Snowden.High Resolution of the Electrical Breakdown of Soil〔J〕.IEEE Trans.On Nuclear Science，1983，30(6):4564-4567.

〔9〕高延庆.土壤冲击击穿机理及接地系统暂态特性研究 〔D〕.北京:清华大学，2003.

〔10〕徐伟.考虑火花效应时杆塔接地装置冲击特性的研究 〔D〕.武汉:华中科技大学，2008.

〔11〕 Jinliang He， Rong Zeng， Youping Tu， et al. Laboratory investigation of impulse characteristics of transmission tower grounding devices〔J〕.IEEE Transaction on Power Delivery，2003，18(3):994-1000.

〔12〕何金良，陈先禄.输电线路杆塔接地装置冲击特性的模拟原理 〔J〕.清华大学学报，1994，34(4):38-43.

Research of the Resistance Reduction of Tower Grounding Devices Impulse in High Soil Resistivity Area

QI Yulong，WEI Shaodong，ZHANG Jin
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha 410004，China)

Reducing the transmission line tower impulse grounding resistance is an important measure to improve the lightning withstand level and the stability of power system.This paper adopts the method of simulation experiments，research the influence of branch type，branch location，branch number and branch length on the box with radiation grounding devices' impulse characteristics in high soil resistivity model.Results of the experiments showed that vertical branch is better than horizontal branch on reducing the impulse grounding resistance；the branches have a best location and an effective use of length thatcan reduce the impulse grounding resistance ineffectively.According to the results of the experiments，add verticalbranches reasonably can effectively reduce the impulse grounding resistance in high soil resistivity area.

high soil resistivity；impulse grounding resistance；simulation experiments；resistance reduction

TM862

:B

:1008-0198(2017)02-0037-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.009

2016-08-15 改回日期:2016-09-06

祁玉龙(1990)，硕士，主要从事高压电气试验研究。