垂直接地極對(duì)輸電線路桿塔接地電阻的影響效果

程育林，方鵬，江雷，楊鑫，易俊華

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖南長(zhǎng)沙410004；)2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南長(zhǎng)沙410004；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410114)

輸電線路桿塔接地電阻對(duì)輸電線路的反擊耐雷水平有重要影響。降低桿塔接地電阻是提高輸電線路反擊耐雷水平的重要手段。在實(shí)際輸電線路建設(shè)工程中，對(duì)輸電線路桿塔的接地電阻均有嚴(yán)格限制。在湖南地區(qū)，即使在高土壤電阻率的山巖地區(qū)，輸電線路桿塔的接地電阻一般也應(yīng)小于20 Ω[1-3]。

為解決高土壤電阻率地區(qū)輸電線路桿塔接地降阻困難的問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了許多新型接地技術(shù)，包括針刺式接地極技術(shù)[4]、接地模塊技術(shù)[5]、空腹式接地裝置[6]、利用桿塔大開(kāi)挖基礎(chǔ)降阻的接地技術(shù)[7]、利用壓力注漿的深井接地技術(shù)[8]、導(dǎo)電混凝土技術(shù)[9]等。以上技術(shù)各有適用的條件，對(duì)高土壤電阻率地區(qū)輸電桿塔的接地降阻起到有益的效果，但從技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益綜合比較來(lái)看，仍無(wú)法大規(guī)模推廣使用。

在高土壤電阻率地區(qū)，在鋪設(shè)水平接地體的同時(shí)，接入一定數(shù)量的垂直接地極，共同構(gòu)成立體地網(wǎng)，對(duì)改善桿塔接地裝置的雷電沖擊散流特性具有重要作用，同時(shí)具有較好的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益[10-12]。普遍認(rèn)為，水平接地體射線的長(zhǎng)度是影響輸電桿塔接地裝置的主要因素。垂直接地極對(duì)加強(qiáng)雷電入地電流的散流效果和對(duì)降低接地電阻有一定效果，但垂直接地極的長(zhǎng)度、等效直徑和間隔距離對(duì)桿塔地網(wǎng)降阻的具體效果仍未明晰，直接影響了垂直接地極在輸電線路桿塔接地中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

本文利用垂直接地極與水平接地體構(gòu)成的立體地網(wǎng)的接地電阻的解析計(jì)算方法[13-14]，對(duì)垂直接地極在不同間隔距離、長(zhǎng)度和等效直徑時(shí)，計(jì)算立體地網(wǎng)接地電阻；通過(guò)數(shù)據(jù)分析，得到了垂直接地極不同間隔距離、長(zhǎng)度和等效直徑對(duì)立體地網(wǎng)接地電阻的影響效果，為垂直接地極在輸電桿塔接地中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 輸電線路桿塔水平接地體和垂直接地極組成的立體地網(wǎng)的接地電阻計(jì)算方法

1.1 水平接地體接地電阻的計(jì)算

水平放射型接地裝置是目前應(yīng)用最廣、最常見(jiàn)的輸電桿塔接地裝置，適用于除用地緊張城區(qū)以外的各種地區(qū)。水平射線的基本形式按土壤電阻率不同分為四角放射形和井字形，如圖1所示。

圖1 水平射線的基本形式

均勻土壤中不同形狀水平接地極的接地電阻，可按式 (1)計(jì)算:

式中Rh為水平接地極的接地電阻，Ω；L為水平接地極的總長(zhǎng)度，m；h為水平接地極的埋設(shè)深度，m；dh為水平接地極的直徑或等效直徑，m；A為水平接地極的形狀系數(shù)，可按表1的規(guī)定取值[14]。

表1 水平接地體的形狀系數(shù)

1.2 垂直接地極的接地電阻計(jì)算

1.2.1 單根垂直接地體接地電阻計(jì)算

當(dāng)l＞＞d時(shí)，單根垂直接地體接地電阻可由式(2)計(jì)算:

式中Rv為單根垂直接地極的接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；l為單根垂直接地極的長(zhǎng)度，m；d為垂直接地極等效截面的直徑，m。

1.2.2 多根垂直接地體并聯(lián)接地電阻計(jì)算

當(dāng)n根長(zhǎng)度為l的垂直接地棒沿直線以間距s均勻分布，并通過(guò)水平接地體相連而組成接地電極時(shí)，用平均電位法可以導(dǎo)出沿直線均勻分布，間距為s的n根垂直接地棒并聯(lián)后的接地電阻Rn可由式(3)計(jì)算:

1.3 水平與垂直接地極相結(jié)合的輸電線路桿塔接地電阻計(jì)算

實(shí)際的接地裝置可以設(shè)計(jì)成由若干條水平接地體和若干個(gè)垂直接地體并聯(lián)組成。當(dāng)n根垂直接地棒與埋設(shè)在地中的水平接地體相連時(shí)，在接地電阻的計(jì)算中應(yīng)同時(shí)考慮垂直的和水平的接地體共同的散流作用，水平和垂直接地體組合的接地電阻R可由式 (4)計(jì)算:

式 (4)中，R12為水平接地體和垂直接地體的互電阻系數(shù)，可用式 (5)計(jì)算:

垂直接地極在實(shí)際使用中，主要選擇的參數(shù)有間隔距離s、垂直接地極的長(zhǎng)度l、垂直接地極的等效截面直徑d。水平垂直綜合接地體如圖2所示。

圖2 水平垂直綜合接地體

在湖南地區(qū)，有很多地方的土壤電阻率較高。因而，在計(jì)算中分別選取典型土壤電阻率ρ分別為1 000Ω·m和3 500Ω·m時(shí)進(jìn)行計(jì)算。

2 垂直接地極對(duì)立體地網(wǎng)總接地電阻的影響

2.1 間隔距離對(duì)立體地網(wǎng)總接地電阻的影響

當(dāng)土壤電阻率ρ取1 000Ω·m時(shí)，水平接地體的放射方式如圖1(a)所示 (四角放射形)，單根水平接地體射線長(zhǎng)度取60 m，垂直接地極在水平放射接地線上的施加間隔分別s＝[2 4 6 10 15 20 30 60]m。當(dāng)土壤電阻率ρ取3 500Ω·m時(shí)，水平接地體采用圖1(b)井字形方式，水平接地體射線長(zhǎng)度取100 m，垂直接地極在水平放射接地線上的施加間隔分別取s＝[2 4 5 10 20 25 50 100]m。兩種土壤電阻率下桿塔接地體的其他具體參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 計(jì)及間隔距離ρ的接地體參數(shù)取值

利用公式 (1)— (5)，根據(jù)表2中兩種土壤電阻率下桿塔接地體的具體參數(shù)取值，計(jì)算得到2種土壤電阻率下，垂直接地極的間隔距離s對(duì)總體接地電阻R的影響如圖3所示。

圖3 不同間隔距離對(duì)電阻影響

由圖2可知，隨著垂直接地體間距s不斷增大，當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時(shí)，其綜合接地電阻R的變化均有前期增長(zhǎng)快速，后期平緩的趨勢(shì)。

當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時(shí)，水平接地體的接地電Rh＝10.31Ω。當(dāng)土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時(shí)，水平接地體的接地電阻Rh＝14.84Ω。兩種土壤電阻率下，改變垂直接地極的間隔距離s，垂直接地極施加后的總接地電阻相比水平接地體接地電阻降低的百分比 (降阻效果α)如圖4所示。

圖4 不同間隔距離的垂直接地極的降阻效果

分析圖3—4可知，當(dāng)桿塔接地體加入垂直接地極之后，桿塔接地體的綜合電阻均有所減小。當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m，隨著垂直接地體間距s從2 m到60 m，其降阻效果對(duì)應(yīng)的變化范圍為41.90%～1.26%。當(dāng)土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m，隨著垂直接地體間距s從2 m到100 m，其降阻效果對(duì)應(yīng)的變化范圍為48.43%～2.29%。綜合上述不同土壤電阻率條件下不同垂直接地體間距s的降阻效果，當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時(shí)，建議垂直接地極的間隔距離s取12 m；當(dāng)土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時(shí)，建議垂直接地極的間隔距離s取20 m。

2.2 長(zhǎng)度對(duì)立體地網(wǎng)總接地電阻的影響

當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時(shí)，設(shè)置水平接地體單根長(zhǎng)度為 60 m。當(dāng)土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時(shí)，水平接地體單根長(zhǎng)度為100 m。兩種土壤電阻率下單根垂直接地極的長(zhǎng)度變化范圍均設(shè)置為l＝ [0.1 0.5 1 2 3 5 10 15]m。兩種土壤電阻率下桿塔接地體的其他具體參數(shù)取值見(jiàn)表3。

表3 計(jì)及垂直接地極長(zhǎng)度的接地體參數(shù)取值

利用公式 (1)— (5)，根據(jù)表3中兩種土壤電阻率下的桿塔接地體具體參數(shù)取值，計(jì)算得到2種土壤電阻率下，不同垂直接地極的單根長(zhǎng)度l對(duì)總體接地電阻R的影響如圖5所示。

圖5 不同垂直接地極的單根長(zhǎng)度對(duì)電阻影響

從圖5可以看出，隨著垂直接地極的單根長(zhǎng)度不斷增大，當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時(shí)，其綜合接地電阻R的變化均有前期快速減小，后期平緩的趨勢(shì)。

當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時(shí)，水平接地體的接地電阻Rh＝10.31Ω；當(dāng)土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時(shí)，水平接地體的接地電阻Rh＝14.84Ω。兩種土壤電阻率下，改變垂直接地體單根長(zhǎng)度后總電阻值相比水平接地體接地電阻降低的百分?jǐn)?shù) (降阻效果α)分別如圖6所示。

圖6 不同垂直接地體單根長(zhǎng)度的垂直接地極的降阻效果

分析圖5—6可知，當(dāng)垂直接地極的單根長(zhǎng)度不斷增大時(shí)，桿塔接地體的綜合電阻不斷減小。當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m，垂直接地體單根長(zhǎng)度l從0.1 m增到15 m，其降阻效果對(duì)應(yīng)的變化范圍為0.78%～60.43%。當(dāng)土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m，垂直接地體單根長(zhǎng)度l從0.1 m增到15 m，其降阻效果對(duì)應(yīng)的變化范圍為0.81%～53.84%。綜合上述不同土壤電阻率條件下不同垂直接地極單根長(zhǎng)度l的降阻效果，當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時(shí)，建議垂直接地極的單根長(zhǎng)度l取3 m。

2.3 等效直徑對(duì)立體地網(wǎng)總接地電阻的影響

當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時(shí)，水平接地體單根長(zhǎng)度為60 m；當(dāng)土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時(shí)，水平接地體單根長(zhǎng)度為100 m。兩種土壤電阻率下的垂直接地體等效直徑d＝[0.01 0.02 0.03 0.06 0.1 0.15 0.2 0.3]m。兩種土壤電阻率下桿塔接地體的其他具體參數(shù)取值見(jiàn)表4。

表4 計(jì)及垂直接地體等效直徑的接地體參數(shù)取值

利用公式 (1)— (5)，根據(jù)表4中兩種土壤電阻率下桿塔接地體的具體參數(shù)取值，計(jì)算得到2種土壤電阻率下，垂直接地體等效直徑d對(duì)總體接地電阻R的影響如圖7所示。

圖7 不同垂直接地體等效直徑對(duì)電阻的影響

從圖7可以看出，隨著垂直接地體等效直徑不斷增大，當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時(shí)，其綜合接地電阻R的變化均有前期快速減小，后期平緩的趨勢(shì)。

當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時(shí)，水平接地體的接地電阻Rh＝10.31Ω；當(dāng)土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時(shí)，水平接地體的接地電阻Rh＝14.84Ω。兩種土壤電阻率下，改變垂直接地體等效直徑后總電阻值相比水平接地體接地電阻降低的百分?jǐn)?shù) (降阻效果α)分別如圖8所示。

圖8 不同垂直接地體等效直徑的降阻效果

分析圖7—8可知，當(dāng)垂直接地體等效直徑d不斷增大時(shí)，桿塔接地體的水平垂直綜合電阻不斷減小。當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m，隨著垂直接地體等效直徑d從0.01 m增到0.3 m，其降阻效果對(duì)應(yīng)的變化范圍為23.76%～34.04%。當(dāng)土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m，隨著垂直接地體等效直徑d從0.01 m增到0.3 m，其降阻效果對(duì)應(yīng)的變化范圍為24.33%～32.14%。綜合上述不同土壤電阻率條件下不同垂直接地體等效直徑d的降阻效果，當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時(shí)，建議垂直接地體等效直徑d不超過(guò)0.02 m。

3 結(jié)語(yǔ)

輸電線路桿塔接地電阻的大小對(duì)輸電線路的反擊耐雷水平有重要影響。輸電桿塔接地裝置的一般型式是由水平接地體和垂直接地極組成的立體地網(wǎng)。本文通過(guò)相關(guān)接地規(guī)程中規(guī)定的接地電阻的計(jì)算方法，系統(tǒng)分析了垂直接地極的形式對(duì)總體地網(wǎng)接地電阻的影響效果。

1)隨著垂直接地體間距s從最小間隔 (垂直接地極長(zhǎng)度的2倍)開(kāi)始不斷增大，總體接地電阻R的變化均有前期增長(zhǎng)快速，后期平緩的趨勢(shì)。典型設(shè)計(jì)參數(shù)下，間隔s對(duì)總體接地電阻R的影響范圍在 1%～48%左右。當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時(shí)，建議垂直接地極的間隔距離s取12 m；當(dāng)土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時(shí)，建議垂直接地極的間隔距離s取20 m。

2)隨著垂直接地極長(zhǎng)度l的增加，桿塔接地裝置的總體接地電阻R不斷減小，且有前期增長(zhǎng)快速，后期平緩的趨勢(shì)。典型設(shè)計(jì)參數(shù)下，單根垂直接地體的長(zhǎng)度從0.1 m增到15 m，對(duì)總體接地電阻R的影響范圍在0.81%～53.84%。當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時(shí)，建議垂直接地極的單根長(zhǎng)度l均取3 m。

3)隨著垂直接地極的等效截面直徑的不斷增大，總體接地電阻R的變化有前期減小速度較快，后期平緩的趨勢(shì)。垂直接地極的等效截面直徑從0.01 m增到0.3 m，對(duì)總體接地電阻R的影響范圍在24.33%～32.14%。當(dāng)土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時(shí)，建議垂直接地體等效直徑d不超過(guò)0.02 m。