基于ATP-EMTP的桿塔接地裝置沖擊接地電阻仿真研究?

王思捷 黃 松 趙海龍

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 ?？?570311）（2.海南省電網(wǎng)理化分析重點實驗室 ?？?570311）

1 引言

桿塔的接地電阻是影響輸電線路反擊耐雷水平的最敏感因素，有效地降低線路桿塔接地電阻是線路防雷的重要措施之一［1～2］。減小桿塔接地電阻能夠有效降低雷擊桿塔時塔頂?shù)碾娢簧?，從而降低反擊過電壓，提高線路反擊耐雷水平。由于桿塔接地裝置主要用于將雷電流導(dǎo)引入地，因此更關(guān)注其在雷電流作用下的沖擊響應(yīng)特性。而事實上接地裝置在雷電流作用時呈現(xiàn)出的響應(yīng)特性與工頻電流作用時雖有聯(lián)系，但也有差別。因此，并不能完全依據(jù)工頻特性來判斷桿塔接地裝置的防雷效果，對接地裝置的研究應(yīng)在雷電沖擊條件下進(jìn)行。

桿塔的沖擊接地電阻Rch是反映接地裝置雷電沖擊特性的一項重要指標(biāo)，本文運用基于電路理論的仿真計算方法研究桿塔接地裝置的沖擊特性，仿真計算在電磁暫態(tài)分析軟件ATP-EMTP平臺上進(jìn)行。重點分析接地裝置的沖擊接地電阻在雷電流作用下的變化規(guī)律，以更全面地詮釋接地裝置的沖擊特性。

2 雷電流模型

雷電流用雙指數(shù)模型表達(dá)，并依據(jù)我國規(guī)程取2.6/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形，如圖1所示。雷電流幅值的選取，依據(jù)DLT620-1997《交流電氣裝置過電壓保護(hù)和絕緣配合》［3］中我國雷電流幅值分布的規(guī)定，取數(shù)十kA至100kA。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形

3 接地裝置的等值電路

雷電流經(jīng)由接地裝置流入大地時，接地裝置可分成長度相等的若干段接地體，每一段接地體均用π型等值電路等效。各π型電路由相應(yīng)接地體段的自身電阻R、自身電感L、對地電容C、對地電導(dǎo)G組成［6］。一段等分成四部分的伸長接地體的等值電路如圖2所示。

圖2 接地體的π型等值電路

依據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)場以及鏡像原理，圖2中各段等值電路中的參數(shù)R、L、C、G可分別由下列公式計算［3］：

式中，ρ0表示接地體自身的電阻率；l0為接地體分段后各段的長度；r表示接地體的半徑；μ0為真空磁導(dǎo)率，取μ0=4π×10-7H/m ；l為接地體總長度；ρ表示接地體埋設(shè)區(qū)域土壤電阻率；h為接地體埋深；ε為土壤介電常數(shù)，取ε=9×8.86×10-12F/m。

4 運用ATP-EMTP搭建接地裝置仿真模型

將接地裝置等效為若干段π型等值電路，計算等值電路中各項參數(shù)，即可用ATP-EMTP中的電阻、電感、電容等原件搭建接地裝置的仿真電路。用來模擬雷電流的雙指數(shù)沖擊電流可通過電流源元件Surge產(chǎn)生，雷電流測量及接地裝置對地電位升高的測量由電流測量元件與電壓測量元件完成。仿真計算中設(shè)定計算步長為1e-4 μs，計算起止時間為 0 μs～100 μs。仿真計算時，為了模擬火花效應(yīng)的影響，需要實時地根據(jù)各接地體段的入地電流計算出接地體段的等效半徑，依此改變接地體段的對地電導(dǎo)值，再進(jìn)入下一時序的計算。這一過程可通過ATP-EMTP中的TACS控制電路完成。給每一段π型等效電路增加一項TACS控制電路，該控制電路的計算程式依據(jù)前述計算接地體等效半徑及接地體對地電導(dǎo)的公式設(shè)定，根據(jù)采集的每一時刻接地體段的入地電流值，計算出接地體段的等效半徑，再依等效半徑改變等效電路中的對地電導(dǎo)值。ATP-EMTP中搭建的仿真電路如圖3所示。

圖3 接地裝置仿真電路圖

5 典型桿塔接地裝置沖擊接地電阻仿真計算

本文從沖擊接地電阻的角度通過仿真計算方法分析典型輸電線路桿塔接地裝置的沖擊特性。圖4為典型的輸電線路桿塔接地裝置結(jié)構(gòu)。

如圖4所示，接地裝置由圓鋼構(gòu)成，中心為正方形，正方形的四個角分別引出四條長度相等的射線。a為中間方框的邊長，l為四周射線的邊長。設(shè)a為6m不變，改變雷電流、接地裝置及其周圍土壤等其他條件，進(jìn)行接地裝置沖擊接地電阻仿真計算，探討桿塔接地裝置的沖擊特性。

圖4 典型的線路桿塔接地裝置結(jié)構(gòu)

5.1 雷電流注入點對沖擊接地電阻的影響

由于電感效應(yīng)會阻止雷電流在接地裝置中向接地裝置的遠(yuǎn)端傳播，雷電流注入接地裝置后，其在接地裝置中的散流是不均勻的。忽略端部效應(yīng)，越靠近雷電流注入點的接地體段，經(jīng)其流入土壤中的雷電流越大，反之，離雷電流注入點越遠(yuǎn)的接地體段，經(jīng)其流入土壤中的雷電流越小。因此雷電流注入桿塔接地裝置的位置直接影響到雷電流進(jìn)入接地裝置后流散的路徑，從而影響到接地裝置的散流效果。

設(shè)典型桿塔接地裝置如圖4所示，接地導(dǎo)體半徑為0.005m，埋深0.6m，接地裝置周圍土壤的電阻率為500Ω·m。本小結(jié)在仿真計算中分別按照表1中所示的方式對接地裝置注入幅值為20kA的雷電流。圖5為表1中前兩種注入方式示例，計算接地裝置的沖擊接地電阻，計算結(jié)果列于表1中。

圖5 雷電流注入點圖例

觀察表1中的計算結(jié)果可知：計算得到的沖擊接地電阻值隨雷電流注入點數(shù)的增加或是雷電流注入點分布均勻程度的提高（圖5（c）中雷電流注入點的分布較圖5（b）更為均勻）而略微下降，計算結(jié)果相差很小。雷電流注入點數(shù)較少時，電感效應(yīng)的存在使雷電流在接地裝置中分布不均勻，影響了接地裝置的利用率，沖擊接地電阻稍大。雷電流注入點數(shù)越多，電流在接地裝置中分布越均勻，沖擊接地電阻越低。不過接地裝置中間方框的邊長a畢竟僅為6m，形成的電感效應(yīng)有限，因此即使雷電流注入點數(shù)只有一個，雷電流在接地裝置中的分布也與四點注入的情況相差不大，此時的沖擊接地電阻值與四點注入差別很小。繼續(xù)增加雷電流的注入點數(shù)，接地裝置的沖擊接地電阻會略微下降。

表1 雷電流注入點不同時的沖擊接地電阻

5.2 接地裝置長度對沖擊接地電阻的影響

由于在典型桿塔接地裝置結(jié)構(gòu)中，中間方框的大小由塔基限定，因此本研究通過改變接地裝置四周射線的長度，計算具有不同射線長度的接地裝置的沖擊接地電阻值，來分析桿塔接地裝置長度對其沖擊接地電阻值的影響。

采用雷電流四點注入方式，雷電流從20kA逐步升高至100kA，改變接地裝置四周射線的長度，其余條件不變，計算不同射線長度的接地裝置在不同雷電流條件下的沖擊接地電阻值。

圖6 不同長度接地裝置的沖擊接地電阻

觀察圖6并分析可知：桿塔接地裝置的沖擊接地電阻隨其長度的增加而減小，同時由于電感效應(yīng)的作用，沖擊接地電阻降低的幅度隨接地裝置長度增加而減小。l=40m與l=50m的兩種接地裝置沖擊接地電阻值十分接近，說明對于本研究所針對的接地裝置，當(dāng)l=40m時，即使再延長l的長度，對降低接地裝置的沖擊接地電阻也已基本無效果，因為接地裝置中的雷電流會由于電感效應(yīng)而無法再傳導(dǎo)至新增加的接地體段，新增接地體段并不能在雷電流散流中發(fā)揮作用。該接地裝置射線的有效長度（即在雷電沖擊條件下可以被利用到的射線長度）應(yīng)小于40m。圖6中同樣可以觀察到接地裝置的沖擊接地電阻值隨雷電流幅值的升高而降低，且這種降低隨著雷電流幅值的升高趨于飽和。顯然，在圖6中，接地裝置長度越長，其沖擊接地電阻值隨雷電流幅值升高而降低的趨勢越弱，即火花效應(yīng)的影響越弱。這是因為接地裝置長度的增加增大了雷電流的散流路徑，使土壤中的電流密度降低的緣故。

5.3 土壤電阻率對沖擊接地電阻的影響

取圖4所示的典型桿塔接地裝置a=6m，l=10m，接地導(dǎo)體半徑為0.005m，埋深0.6m。改變接地裝置周圍土壤的電阻率為500Ω·m～2000Ω·m，計算接地裝置在20kA～100kA幅值的雷電流作用下的沖擊接地電阻值。計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同土壤電阻率下沖擊接地電阻

觀察并分析圖7，圖7（a）顯示接地裝置的沖擊接地電阻隨土壤電阻率的增大而明顯增大，同時增大的幅度會隨土壤電阻率的增大而有所減小，這是因為在相同幅值雷電流的作用下，土壤電阻率越高，土壤擊穿區(qū)域越大，火花效應(yīng)越明顯的緣故。圖7（b）也顯示出隨著土壤電阻率的增大，沖擊接地電阻隨沖擊電流的幅值升高而下降的趨勢越明顯，火花效應(yīng)越顯著。正是由于火花效應(yīng)更顯著，高土壤電阻率下的接地裝置沖擊接地電阻與低土壤電阻率下的沖擊接地電阻的差別會隨雷電流幅值的增大而縮小。

表2給出了仿真中雷電流幅值為40kA時，在不同土壤電阻率條件下，接地裝置中間方框部分緊靠雷電流注入點的接地體段土壤擊穿區(qū)域的半徑。

表2 不同土壤電阻率條件下接地裝置周圍土壤的擊穿半徑

6 實際桿塔沖擊接地計算與分析

利用前述的仿真計算方法，選取某地區(qū)實際線路桿塔的接地裝置，對其在10kA～100kA的雷電流作用下的沖擊接地電阻值進(jìn)行了仿真計算。圖8所示為接地體結(jié)構(gòu)。接地裝置相關(guān)參數(shù)見表3。

圖8 接地體結(jié)構(gòu)

表3 接地裝置相關(guān)參數(shù)

表4給出了1號桿塔至8號桿塔接地裝置沖擊接地電阻在雷電流幅值為10kA～100kA條件下的值，Rchn表示第n號桿塔接地裝置的沖擊接地電阻值。

表4 實際桿塔接地裝置沖擊接地電阻值

由計算結(jié)果可以看出：1號桿為單一伸長水平接地體，總長度已達(dá)40m，但沖擊接地電阻仍有10Ω左右，偏高。這是因為接地體較長，受電感效應(yīng)的影響，其本身并未得到充分利用。可見單一伸長接地體結(jié)構(gòu)過于簡單，接地體利用率低，接地效果不佳，宜改變接地裝置結(jié)構(gòu)，例如使用2號桿接地裝置結(jié)構(gòu)，可在不增加接地裝置總長度的條件下取得更好的接地效果。2、3、6號桿使用典型桿塔接地裝置結(jié)構(gòu)，接地裝置周圍土壤電阻率較低，取得了較好的接地效果，沖擊接地電阻均在6Ω以下。4、5號桿由于所處位置土壤電阻率較高，雖然接地裝置結(jié)構(gòu)合理，且總長度較長，但沖擊接地電阻值仍然較高。5號桿接地裝置的射線部分已長達(dá)60m，由于電感效應(yīng)的存在，即使再增加射線長度，所增加的接地裝置部分的利用率也會比較低下。這種情況可考慮使用降阻劑降低土壤電阻率的方式來達(dá)到降低接地裝置沖擊接地電阻的目的。7、8號桿的接地裝置合理地利用了垂直接地體，將水平接地體與垂直接地體相結(jié)合，取得了不錯的效果。這樣結(jié)構(gòu)的接地裝置耗費材料少，且占地面積小，給桿塔接地裝置的設(shè)計提供了一些新思路。

7 結(jié)語

1）本文基于電磁暫態(tài)軟件ATP-EMTP搭建了雷電沖擊條件下的接地裝置模型，該模型通過改變接地導(dǎo)體的等值半徑而實現(xiàn)了火花效應(yīng)影響的模擬。

2）針對典型接地裝置，研究了不同雷電流幅值下雷電流注入點、接地裝置長度以及土壤電阻率的變化對對接地電阻值的影響，得到接地電阻的變化曲線。結(jié)果表明：雷電流注入點數(shù)增加會使接地電阻值略微下降；隨著接地體長度的增加，接地電阻降低，且降低幅度逐漸減小，再延長接地裝置的長度，對降低沖擊接地電阻已基本無效果；由于火花效應(yīng)更顯著，高、低土壤電阻率下的沖擊接地電阻的差別會隨雷電流幅值的增大而縮小。

3）對8個實際輸電線路桿塔的接地裝置沖擊接地電阻進(jìn)行了仿真計算，分析了這些接地裝置在實際應(yīng)用中的接地性能。