接地極對(duì)矩形接地網(wǎng)的降阻效果研究

袁添光， 淡淑恒， 馮 勝

(上海電力大學(xué) 上海200090)

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，電網(wǎng)的電壓及容量在不斷提升，這對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行提出了更高的要求[1-3]。為了降低接地裝置的接地電阻，人們采取了各種各樣的措施[4-7]。主要措施有：擴(kuò)大接地網(wǎng)面積、引外接線、增加接地網(wǎng)埋設(shè)深度，利用自然接地、深井接地和局部換土等。在高土壤電阻率地區(qū)，設(shè)計(jì)接地裝置時(shí)，其接地電阻很難滿足要求，特別是面積較小的發(fā)變電站及氣體絕緣變電站，采用長(zhǎng)垂直接地極來(lái)降低其接地電阻已被越來(lái)越多的工程設(shè)計(jì)人員所采用[8-10]。文獻(xiàn)[11]介紹了斜接地極對(duì)接地網(wǎng)性能具有一定的優(yōu)化效果，文獻(xiàn)[12]提出了一種放射型接地極對(duì)方形地網(wǎng)的降阻策略。

筆者基于加拿大SES公司開(kāi)發(fā)的CDEGS接地工程軟件，對(duì)接地極的敷設(shè)方案進(jìn)行探究。在矩形接地網(wǎng)面積不變的情況下，通過(guò)改變接地極敷設(shè)角度、接地極長(zhǎng)度以及分層土壤結(jié)構(gòu)探究接地極對(duì)不同長(zhǎng)寬比矩形接地網(wǎng)的降阻效果，從而確定接地極的最優(yōu)敷設(shè)方案，并將優(yōu)化后的傾斜敷設(shè)方案與常見(jiàn)的垂直敷設(shè)方案進(jìn)行比較，論述兩種方案的可取性。

1 接地極的敷設(shè)角度

在接地網(wǎng)頂點(diǎn)敷設(shè)接地極時(shí)，接地極相對(duì)于接地網(wǎng)的位置見(jiàn)如圖1。

圖1 接地極角度參數(shù)Fig.1 Earthing pole angle parameter

其中φ為接地極在水平面上的投影與接地網(wǎng)的長(zhǎng)的夾角，θ為接地極與水平面垂線的夾角，L為接地極的長(zhǎng)度。

2 不同敷設(shè)角度下接地極的降阻效果分析

為探究不同方位接地極對(duì)矩形接地網(wǎng)的降阻效果，選取的方形地網(wǎng)規(guī)格分別為：120 m×120 m、90 m×160 m、80 m×180 m、60 m×240 m，對(duì)應(yīng)寬和長(zhǎng)比值分別為1∶1、16∶9、9∶4、4∶1。水平地網(wǎng)埋深為0.8 m，均壓導(dǎo)體間距為10 m。水平矩形地網(wǎng)材料為銅，規(guī)格為40 mm×4 mm。接地極材料為圓鋼，半徑0.01 m，長(zhǎng)為68 m(矩形地網(wǎng)的等值半徑)。本研究中對(duì)降阻效果的描述用接地極對(duì)矩形接地網(wǎng)的降阻率ξ表示：

(1)

式中R為加入接地極后的接地電阻，為所參照的矩地網(wǎng)接地電阻。

針對(duì)高土壤電阻率地區(qū)，土壤電阻率取為1 000 Ω·m，假定土壤均勻?；谝陨蠀?shù)，利用CDEGS搭建接地網(wǎng)進(jìn)行仿真。

2.1 不同θ角下接地極的降阻效果

將4根接地極分別敷設(shè)在矩形接地網(wǎng)的4個(gè)頂點(diǎn)上，固定φ角為135°，θ角在0～90°之間變化，計(jì)算各規(guī)格接地網(wǎng)的接地電阻值表1，表2為對(duì)應(yīng)布置方案的降阻效果(相較未添加接地極的接地網(wǎng))。

表1 不同θ角下矩形接地網(wǎng)的接地電阻Table 1 Grounding resistance of rectangular grounding grids under different θ angles Ω

表2 不同θ角下接地極的降阻率Table 2 The resistance reduction rate of the earthing pole under different θ angles %

由表1可以看出，當(dāng)θ從0～90°范圍內(nèi)逐漸增大時(shí)，矩形地接網(wǎng)接地電阻值均是先變小后增大，在θ角為60°時(shí)，各矩形接地網(wǎng)的接地電阻值最小。結(jié)合表2可以發(fā)現(xiàn)，在接地網(wǎng)邊緣四個(gè)頂點(diǎn)處敷設(shè)接地極，對(duì)降低接地網(wǎng)的接地電阻具有良好的效果，當(dāng)θ在45°～75°范圍內(nèi)時(shí)，降阻效果相對(duì)來(lái)說(shuō)比較好，在θ為60°時(shí)，降阻效果達(dá)到最佳。另外，對(duì)于不同規(guī)格的接地網(wǎng)，θ角相同時(shí)，隨著矩形接地網(wǎng)長(zhǎng)寬比的增大，接地極對(duì)接地網(wǎng)的降阻效果在逐漸降低。

2.2 不同φ角下接地極的降阻效果

固定輔助接地極的θ角為60°，改變?chǔ)战嵌龋拥貥O對(duì)各規(guī)格矩形接地網(wǎng)的降阻率見(jiàn)圖2。

圖2 不同φ值下接地極的降阻效果Fig.2 Resistance reduction effect of earthing pole under different φ value

圖2可以看出，φ相同時(shí)，接地極對(duì)120 m×120 m規(guī)格接地網(wǎng)的降阻效果最好，隨著矩形接地網(wǎng)長(zhǎng)寬比的增大，接地極的降阻效果也在下降，當(dāng)φ從90°到180°逐漸增大時(shí)，接地極對(duì)矩形接地網(wǎng)的降阻率先減小后增，且存在一個(gè)最佳的φ使得降阻率最大。利用仿真軟件進(jìn)一步確認(rèn)不同長(zhǎng)寬比矩形接地網(wǎng)的最佳φ，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，對(duì)于正方形接地網(wǎng)，接地極在水平面上的投影與接地網(wǎng)的長(zhǎng)的夾角為135°時(shí)，接地極對(duì)接地網(wǎng)有最佳的降阻效果，而當(dāng)接地網(wǎng)的長(zhǎng)寬比增大時(shí)，該最佳角度會(huì)略微增大，當(dāng)長(zhǎng)寬比超過(guò)4:1時(shí)，長(zhǎng)寬比對(duì)最佳φ的影響很小，幾乎維持在141°不變。

圖3 不同長(zhǎng)寬比下的最佳φ角Fig.3 The best φ angle under different aspect ratios

綜上可以得出，敷設(shè)傾斜接地極對(duì)各規(guī)格矩形接地網(wǎng)的降阻效果都比較明顯，當(dāng)接地極與水平面夾角θ為45°～75°且接地極在水平面上的投影與矩形接地網(wǎng)的長(zhǎng)的夾角φ為135°～141°時(shí)，接地極對(duì)矩形接地網(wǎng)的降阻效果可達(dá)18%以上，最佳的θ為60°，最佳φ隨矩形接地網(wǎng)的長(zhǎng)寬比的增大而在135°基礎(chǔ)上逐漸增大，但一般不超過(guò)141°。

3 不同長(zhǎng)度下接地極的降阻效果

在接地技術(shù)中，接地極的長(zhǎng)度變化一般基于接地網(wǎng)的等效半徑，接地網(wǎng)等效半徑計(jì)算公式如下。

(2)

式中S為接地網(wǎng)的面積。

取接地極與水平地網(wǎng)垂線的夾角θ為60°，接地極在水平面上的投影與矩形接地網(wǎng)長(zhǎng)的夾角為135°，改變接地極長(zhǎng)度，計(jì)算其對(duì)各接地網(wǎng)的降阻效果，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同長(zhǎng)度接地極下的降阻率Table 3 Resistance reduction rate under different lengthof earthing poles %

由表3可以看出，當(dāng)接地極的長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，接地極對(duì)水平矩形接地網(wǎng)的降阻率也在增大，但是當(dāng)接地極達(dá)到100倍的時(shí)，接地極對(duì)接地網(wǎng)的降阻率不升反降，這主要時(shí)因?yàn)楫?dāng)接地極過(guò)長(zhǎng)時(shí)，接地極自身的電阻也會(huì)增大，當(dāng)接地極對(duì)接地網(wǎng)散流作用降低的電阻值小于材料本身因長(zhǎng)度增加的電阻值時(shí)，接地網(wǎng)的接地電阻反而會(huì)增大?？紤]到材料成本，為了體現(xiàn)接地極的降阻效率，用接地極的單位長(zhǎng)度降阻率來(lái)表征接地極的降阻效率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同長(zhǎng)度下接地極的單位長(zhǎng)度降阻率Fig.4 Resistance reduction rate per unit length of earthing poles under different lengths

通過(guò)圖4可以看出，隨著接地極長(zhǎng)度的增加，單位長(zhǎng)度降阻率先增加后減小，當(dāng)接地極長(zhǎng)度為1～1.3時(shí)單位長(zhǎng)度的降阻率達(dá)到了高峰，方形接地網(wǎng)的降阻率可達(dá)18.5%以上，也就是說(shuō)當(dāng)接地極長(zhǎng)度為1～1.3倍的接地網(wǎng)等效半徑時(shí)，接地極的降阻效率最好。

因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，適當(dāng)增加接地極的長(zhǎng)度，可以提高接地極對(duì)接地網(wǎng)的降阻效果，但材料成本也隨之增加。從降阻效率的角度來(lái)看，建議接地極長(zhǎng)度取為接地網(wǎng)等效半徑的1～1.3倍。

4 非均勻土壤中接地極的降阻效果

非均勻土壤一般可以分為水平分層土壤和垂直分層土壤，對(duì)于垂直分層土壤，如果接地網(wǎng)附近存在低電阻率土壤區(qū)，一般常用引外接地裝置的方式來(lái)提高接地網(wǎng)的接地性能[13]，故本研究主要針對(duì)水平分層土壤進(jìn)行探究。

對(duì)于高土壤電阻率地區(qū)，可將水平分層土壤大致分為兩種情況：一種是土壤電阻率上層高下層低；一種是土壤電阻率上層低下層高。針對(duì)這兩種情況，假定土壤水平分為兩層，上下兩層電阻率分別用ρ1和ρ2來(lái)表示。取矩形接地網(wǎng)接地極的長(zhǎng)為接地網(wǎng)的等效半徑(68 m)，接地極與水平面垂線的夾角為60°，接地極在水平面上的投影與接地網(wǎng)長(zhǎng)的夾角為135°。當(dāng)ρ1、ρ2分別為1 000 Ω·m、200 Ω·m和2 000 Ω·m、1 000 Ω·m時(shí)，取上層土壤厚度h分別為15 m、20 m、25 m、35 m，各矩形接地網(wǎng)接地極的降阻率見(jiàn)表4。

由表4可以看出，當(dāng)>時(shí)，隨著上層土壤厚度的增加，接地極對(duì)接地網(wǎng)的降阻率在逐漸減小，且當(dāng)上層土壤厚度為35 m(即接地極延未能伸至低土壤電阻率區(qū))時(shí)，接地極的降阻率大大減小；當(dāng)<時(shí)，隨著上層土壤厚度的增加，接地極對(duì)接地網(wǎng)的降阻率在逐漸增大，這是因?yàn)榈屯寥离娮杪实耐寥绤^(qū)與接地極的接觸面積增大，從而接地極的散流效果更好。

表4 不同厚度土壤下接地極的降阻率Table 4 Resistance reduction rate of earthing pole under different thickness of soil %

由此可見(jiàn)，對(duì)于水平分層土壤，當(dāng)土壤電阻率上層高而下層低時(shí)，敷設(shè)傾斜接地極延伸至低電阻率土壤區(qū)具有良好的降阻效果；當(dāng)土壤上層電阻率低于下層電阻率時(shí)，敷設(shè)傾斜接地極的降阻效果相對(duì)來(lái)說(shuō)較差?？傮w來(lái)說(shuō)，盡量利用分層土壤中低電阻率土壤區(qū)，靈活敷設(shè)接地極，增大接地極與低電阻率土壤區(qū)的接觸面積，這樣才會(huì)有更佳的降阻效果。

5 對(duì)比垂直接地極的降阻效果

以90 m×160 m的矩形接地網(wǎng)為例，在接地網(wǎng)邊緣4個(gè)頂點(diǎn)敷設(shè)接地極，接地極長(zhǎng)取為1倍的接地網(wǎng)等效半徑(68 m)，材料參數(shù)同上文。將優(yōu)化后的接地極敷設(shè)方案與普通垂直接地的敷設(shè)方案進(jìn)行比較。

5.1 均勻土壤中降阻效果比較

針對(duì)均勻土壤，接地極的優(yōu)化敷設(shè)方案如下：接地極與水平面垂線夾角為60°，其在水平面上的投影與矩形接地網(wǎng)長(zhǎng)的夾角為137°。改變土壤的電阻率，垂直敷設(shè)方案下的接地網(wǎng)接地電阻與優(yōu)化敷設(shè)方案下的接地網(wǎng)接地電阻見(jiàn)表5。

由表5可以看出，在均勻土壤中，接地極按優(yōu)化方案傾斜敷設(shè)時(shí)，接地電阻可以在垂直敷設(shè)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步下降，但下降效果不明顯，大概在4.3%左右。故對(duì)于均勻土壤，從工程角度來(lái)看，按優(yōu)化后的方案敷設(shè)傾斜接地極施工難度相對(duì)較麻煩，因而可以選擇敷設(shè)垂直接地極，同樣可以達(dá)到比較理想的降阻效果。

表5 不同土壤電阻率下兩方案的接地電阻Table 5 Grounding resistance of two schemes under different soil resistivity Ω

5.2 水平分層土壤中降阻效果比較

以水平兩層土壤為例，記上層土壤電阻率為，下層電阻率為，依據(jù)上下層土壤電阻率的大小關(guān)系分為以下兩種情況。

1)ρ1<ρ2

鴇鳥(niǎo)肅肅地扇著雙翼，停落在荊棘里。 王家的事沒(méi)了沒(méi)完，黍稷全不能種植。 父母拿什么做飯？遙遠(yuǎn)的蒼天呀！何時(shí)才能終止？

取ρ2=1 000 Ω·m，ρ1在100～500 Ω范圍內(nèi)變化?？紤]到上層土壤電阻率較小，因接地極與水平面垂線夾角在45～75°范圍內(nèi)時(shí)具有較好的降阻效果，同時(shí)考慮到要增大與低電阻率土壤區(qū)接觸面積，故該夾角選為75°。又根據(jù)接地網(wǎng)的規(guī)格，接地極在水平面上的投影與矩形接地網(wǎng)長(zhǎng)的夾角取為137°。上層土壤厚度分別取9 m、18 m、70 m，分別計(jì)算上層土壤電阻率變化時(shí)優(yōu)化后的敷設(shè)方案相比普通垂直敷設(shè)方案的降阻率，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 ρ1<ρ2時(shí)不同電阻率下優(yōu)化方案的降阻率Fig.5 R Resistance reduction rate of optimization scheme under different soil resistivity when ρ1<ρ2

由圖5可以看出，當(dāng)上層土壤厚度為18 m時(shí)，優(yōu)化后的傾斜敷設(shè)方案相比常見(jiàn)的垂直敷設(shè)方案具有更好的降阻效果，這是因?yàn)樯蠈油寥篮穸葹?8 m時(shí)，傾斜接地極整體均敷設(shè)在低電阻率土壤區(qū)，其充分利用了低電阻率阻土壤區(qū)的散流效果，故而降阻效果較好；而當(dāng)上層土壤厚度為9 m或70 m時(shí)，兩種方案下的接地極要么均貫穿了上層低電阻率土壤區(qū)延伸至下層，要么均處于低電阻率土壤區(qū)而未貫穿至下層，這兩種情況下，兩方案的接地極與低電阻率土壤區(qū)的接觸面積相差不大，故降阻效果較接近。

2)ρ1>ρ2

取ρ1=1 000 Ω·m，取ρ2=100～500 Ω·m在100～500范圍內(nèi)變化。因下層土壤電阻率較小，因接地極與水平面垂線夾角選為75°，接地極在水平面上的投影與矩形接地網(wǎng)長(zhǎng)的夾角取為137°。上層土壤厚度分別取25 m、50 m、70 m，分別計(jì)算下層土壤電阻率變化時(shí)優(yōu)化后的敷設(shè)方案相比普通垂直敷設(shè)方案的降阻率，結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可以看出，當(dāng)上層土壤厚度為50 m時(shí)，相比傾斜敷設(shè)的接地極，垂直敷設(shè)的接地極具有更佳的降阻效果。這是因?yàn)榇藭r(shí)垂直敷

圖6 ρ1>ρ2時(shí)不同土壤電阻率下優(yōu)化方案的降阻率Fig.6 Resistance reduction rate of optimization scheme under different soil resistivity when ρ1>ρ2

設(shè)接地極已延伸至低阻土壤區(qū)而傾斜敷設(shè)的接地極整體均處于高阻土壤區(qū)，因低電阻率阻土壤區(qū)具有更好的散流作用，故垂直敷設(shè)接地極的降阻效果更佳；當(dāng)土壤厚度為25 m或70 m時(shí)，兩種方案下接地極均貫穿了高電阻率土壤區(qū)延伸至下層或均處于高電阻率土壤區(qū)而未延伸至下層，對(duì)比垂直敷設(shè)方案,優(yōu)化方案的接地極與低電阻率土壤區(qū)的接觸面積更小，故降阻效果不明顯甚至無(wú)降阻效果。

綜上所述，將接地極按一個(gè)最佳角度傾斜敷設(shè)確實(shí)可以獲得最佳的降阻效果，但相比常見(jiàn)的垂直敷設(shè)方案，該方案降阻優(yōu)勢(shì)不明顯。對(duì)于非均勻土壤，當(dāng)存在低電阻率土壤區(qū)時(shí)，若能通過(guò)一定傾斜角度增大接地極與低電阻率土壤區(qū)的接觸面積，降阻效果會(huì)更好。

6 結(jié)論

1)給矩形接地網(wǎng)敷設(shè)接地極具有良好的降阻效果，其中正方形接地網(wǎng)的降阻效果最好，隨著矩形接地網(wǎng)長(zhǎng)寬比的增加，接地極的降阻效果逐漸降低。

2)在均勻土壤中敷設(shè)接地極時(shí)其與水平面夾角在45°～75°的范圍內(nèi)具有較好的降阻效果，最佳角度為60°；接地極在水平面上的投影與接地網(wǎng)的長(zhǎng)的最佳角度為135°，且隨著矩形接地網(wǎng)長(zhǎng)寬比的增大，該角度略微增大，當(dāng)長(zhǎng)寬比超過(guò)4時(shí)，最佳角度受長(zhǎng)寬比影響較小，幾乎維持在141°不變。

3)一定范圍內(nèi)接地極越長(zhǎng)，其對(duì)矩形接地網(wǎng)的降阻效果越好；從降阻效率上來(lái)看，當(dāng)接地極長(zhǎng)度為1～1.3倍接地網(wǎng)等效半徑時(shí)，降阻效率最高，可達(dá)18.5%以上。

4)優(yōu)化后以一定角度傾斜敷設(shè)接地極可以達(dá)到最佳的降阻效果，但對(duì)垂直敷設(shè)接地極，降阻優(yōu)勢(shì)不明顯；當(dāng)土壤中存在較低電阻率土壤區(qū)時(shí)，為使降阻效果更佳，可以靈活改變接地極敷設(shè)角度，增大接地極與低電阻率土壤區(qū)充的接觸面積。