輸電線路桿塔分布式輔助接地網散流與結構優(yōu)化研究

胡元潮 李 騰 安韻竹 高曉晶 周 蠡 姜志鵬

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院, 山東 淄博 255000;2.國網湖北省電力有限公司經濟技術研究院,武漢 430000;3.國網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重影響高壓輸電線路正常運行[1],桿塔輸電線路地處曠野,地形、地勢復雜,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次數,提高電力系統(tǒng)安全運行水平[3-4].

目前,國內外普遍運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構的水平接地體[7].文獻[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系.文獻[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[11]仿真計算了各類基礎的自然接地電阻,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[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環(huán)境,先建立單向輔助接地網,研究連接線長度、數量以及連接線與輔助終端的比值對接地網散流特性的影響.進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的影響,進行結構優(yōu)化,結論可為輸電線路桿塔的散流降阻提供一定的理論依據.

1 單向輔助接地網散流特性影響因素

1.1 單向輔助接地網模型

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

圖1 單向輔助接地網結構圖

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的分流能力,本文引入分流系數η,其含義為流入外延接地網的電流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連接線長度對輸電線路桿塔散流和降阻特性的影響,設置均勻土壤電阻率1 000Ω·m,電流頻率100 k Hz,輔助接地網連接線長度為10～70 m,仿真計算不同連接線長度下的降阻效率和分流系數,見表1.

表1 改變連接線長度的降阻效率和分流系數

由表1計算結果可知：不同連接線長度下的降阻效率和分流系數差別較小,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可以提高降阻能力和分流能力,但當連接線長度超過有效散流長度時,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范圍內效果較為理想,仿真繪制25 m時的散流圖如圖3所示.

圖3 連接線長度為25 m時的散流圖

由圖3仿真結果可知：在土壤電阻率1 000Ω·m,入地電流頻率100 k Hz的條件下,輔助接地網的散流強度隨著觀測點與電流注入點距離的拉遠而逐漸變弱,輔助終端出現端部效應.連接線和端部散流緩解了注入點附近的散流壓力,但注入點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 連接線數量的影響

1.3.1 頻率的影響

為了進一步提高輔助接地網的散流降阻能力,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根連接線數量的輔助接地網的散流分布如圖4所示.

圖4 3根連接線數量的散流圖

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

圖5 同一土壤電阻率改變連接線數量的分流系數

由圖5計算數據可知：隨著電流頻率的增加,輔助接地網的分流系數逐漸降低,低頻情況下分流系數較高,分流能力較強;高頻情況下分流系數急劇降低,分流能力變差.增加連接線數量能有效提高分流系數,增強接地網的分流能力.當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有著明顯的散流優(yōu)勢.為了對比不同輔助接地網的降阻效率,仿真計算結果見表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計算數據可知：隨著電流頻率的增加,輔助接地網的降阻效率隨之降低,工頻條件下,降阻效率可達到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有著明顯的降阻優(yōu)勢,工頻條件下降阻效率達到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的影響,取連接線數量為3根,電流頻率100 k Hz,土壤電阻率500～2 500Ω·m,分布式輔助接地網的散流分布如圖6所示.

圖6 土壤電阻率為2 500Ω·m時的散流圖

由圖6仿真計算結果可知：在土壤電阻率高的地方敷設分布式輔助接地網,外延引線能夠很好的散流,端部效應明顯.為了詳細得出土壤電阻率對輔助接地網的散流影響,根據公式(1)計算出散流系數,如圖7所示.

圖7 同一頻率下改變連接線數量的分流系數

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

表3 同一頻率下改變土壤電阻率的降阻效率(單位：%)

表3仿真計算結果表明：隨著土壤電阻率的增加,各分布式輔助接地網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,降阻效率可以達到50%左右.因此,增加連接線數量可以明顯增強接地網的散流能力和降低接地網的接地電阻,實際施工過程中,增加外延引線的數量具有實際意義.

2 單向輔助接地網結構優(yōu)化

為進一步對單向輔助接地網進行結構優(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的影響,不同L0/L1的單向輔助接地網分流系數如圖8所示.

圖8 不同頻率下改變L 0/L 1比值的分流系數

圖8仿真計算結果顯示：隨著電流頻率的增加,輔助接地網的分流系數逐漸下降,中高頻(100 k Hz以上)條件下,分流系數降到10%以下.不同L0/L1的單向輔助接地網的分流系數差距很小,由此可見,改變L0/L1的值對于改善接地網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計算結果顯示：單向輔助接地網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,仿真計算不同L0/L1的輔助接地網的分流系數,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

由圖9計算結果可知：在同一土壤條件下,不同L0/L1下的輔助接地網的分流系數差別不大,L0/L1為1/3的輔助接地網的散流效果最好.不同比值的輔助接地網的降阻效率見表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計算結果對比表明：在低阻土壤環(huán)境下,不同比值的輔助接地網的降阻效率區(qū)別不大,在高土壤電阻率環(huán)境下,L0/L1為1/3的輔助接地網降阻效果最優(yōu),降阻效率高出約3%.由此可見,輔助接地網設計過程中,在外延引線長度一定的情況下,增加輔助終端的長度會提高接地網的降阻效率.

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散流效果和降阻特性,從外延連接線長度L0的中點垂直分層,取主接地網土壤電阻率為2 000Ω·m,輔助接地網土壤電阻率50～1 600Ω·m變化時,輔助接地網的分流系數如圖10所示.

圖10 分塊土壤下改變L 0/L 1比值的分流系數

由圖10仿真對比結果可知：隨著分塊土壤電阻率的差值變小,輔助接地網的分流系數減小,散流能力變弱.相比于L0/L1為3/1的輔助接地網,L0/L1為1/3的輔助接地網分流系數可以提高1.5%以上.對于分塊土壤的施工環(huán)境,設計L0/L1為1/3比值的輔助接地網可以提高接地網的散流能力.計算對比不同比值的輔助接地網的降阻效率見表6.由表6計算結果可以看出：隨著分塊土壤電阻率的差值變小,輔助接地網的降阻效率逐漸下降.L0/L1為1/3的輔助接地網有著明顯的降阻優(yōu)勢,降阻效率可以達到40%以上.因此,接地網敷設過程中,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結構優(yōu)化

3.1 多向分布式輔助接地網模型

為對比單向與多向分布式輔助接地網的差異,建立多向分布式輔助接地網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,左右長度均為L0/2;Ⅴ為雙向不平衡輔助接地網,左側為L0/3,右側為2L0/3,模型如圖11所示.

圖11 多向輔助接地網模型圖

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散流分布如圖12所示.

圖12 雙向平衡輔助接地網散流圖

由圖12仿真結果可知：雙向分布式輔助接地網是在單向輔助接地網的基礎上將單向接地網進行對稱敷設,有利于實現電流同時迅速向多個方向散流.雙向平衡輔助接地網朝著外延引線方向呈現出“對稱式”端部效應,外延引線和端部散流較強,緩解了注入點附近的散流壓力.

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

圖13 同一土壤電阻率下輔助接地網分流系數

表7 不同頻率下輔助接地網降阻效率(單位：%)

表7仿真計算結果顯示：在低頻條件下,單向和雙向輔助接地網的降阻效率相差不大,中高頻條件下,雙向輔助接地網有著良好的降阻效率,降阻效率高出單向輔助接地網15%左右.雙向平衡和不平衡輔助接地網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在分塊土壤結構下降阻規(guī)律,取電流頻率100 k Hz,主接地網土壤電阻率2 000Ω·m,輔助接地網土壤電阻率50～1 600Ω·m,根據公式(1)計算分流系數,如圖14所示.

圖14 分塊土壤下輔助接地網散流圖

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

表8 分塊土壤下輔助接地網降阻效率(單位：%)

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

4 結 論

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

1)輸電線路桿塔處在高土壤電阻率環(huán)境下,桿塔輔助接地網有效外延長度較短,超過有效外延長度不會明顯改善散流和降阻效果;增加外延連接線數量能夠明顯改善接地網的散流特性和提高降阻效率,外延連接線的數量由1條增加至3條時,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的散流和降阻影響較小.在土壤條件不同時,適當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)多向輔助接地網的散流特性和降阻效率要明顯優(yōu)于單向輔助接地網,改善多向輔助接地網結構有助于實現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,多向輔助接地網的散流和降阻效率大約為57%左右,遠遠高于單向輔助接地網.在輸電桿塔建設施工中,可根據地形、地貌的區(qū)別選擇采用雙向平衡或者不平衡輔助接地網來代替單向輔助接地網承擔散流降阻的作用.