采用螺旋狀接地模塊的城市輸電鋼管塔接地裝置安全設(shè)計(jì)

陳靜雯，楊鑫，楊泰，易俊華，劉宇彬，曾軍琴

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410114；2.湖南經(jīng)研電力設(shè)計(jì)有限公司，長(zhǎng)沙410014)

0 引言

城市輸電線路仍較多采用架空線路的形式。鋼管塔適用于承受大荷載，且占用空間較低，相對(duì)于角鋼塔更具技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，已作為城市架空輸電線路的典型塔型。鋼管塔大多架設(shè)在馬路邊或中央的花壇中，該區(qū)域?qū)偃肆髅芗瘏^(qū)域，其接地安全問(wèn)題應(yīng)引起相關(guān)部門的重視。

接地裝置的安全設(shè)計(jì)主要針對(duì)大型變電站、發(fā)電廠的接地網(wǎng)[1]。文獻(xiàn)[2-5]通過(guò)仿真研究得到接地網(wǎng)在工頻故障、雷電沖擊下的接地特性，提出了外引接地技術(shù)、使用接地降阻劑以及電解離子接地極等方法降低變電站的接地電阻。文獻(xiàn)[6]通過(guò)鋪設(shè)不均勻網(wǎng)格、地表鋪設(shè)瀝青礫石等方法均衡接地網(wǎng)的跨步電壓。文獻(xiàn)[7-10]對(duì)于輸電線路塔接地的研究主要集中于高土壤電阻地區(qū)的降阻問(wèn)題，提出了深孔爆破、局部換土以及使用柔性石墨接地極等新型降阻方法。

目前，針對(duì)城市輸電線路桿塔接地裝置的安全性和安全設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較少[11]。根據(jù)接地規(guī)程規(guī)定[12]，人流密集區(qū)域的輸電桿塔接地裝置應(yīng)盡量設(shè)計(jì)為閉合形。文獻(xiàn)[13]結(jié)合鋼管塔施工工程實(shí)例分析提出影響跨步電壓及接觸電壓大小的主要因素，并對(duì)鋼管塔故障電流和接地電阻進(jìn)行了相關(guān)理論研究。文獻(xiàn)[14]利用ANSYS有限元計(jì)算軟件及MATLAB仿真軟件，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)輸電鋼管塔周圍跨步電壓的分布情況進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[15]采用CDEGS軟件對(duì)部分特殊線路鋼管塔的跨步電壓及接觸電壓進(jìn)行仿真和工程測(cè)試，提出降低跨步及接觸電壓的綜合措施。

城市輸電鋼管塔大多位于花壇中，接地裝置表層土壤為植被[16]，無(wú)法采用敷設(shè)瀝青、礫石等高土壤電阻率物質(zhì)的方法降低跨步電壓，僅能從改進(jìn)接地體著手開展接地安全設(shè)計(jì)。

本文首先通過(guò)分析得出工頻短路、雷電流入地情況下輸電鋼管塔接地裝置安全指標(biāo)的目標(biāo)值計(jì)算方法及典型設(shè)計(jì)下的目標(biāo)值，以現(xiàn)有城市輸電鋼管塔典型設(shè)計(jì)為模型，利用CDEGS接地計(jì)算軟件得到該裝置兩種情況下各安全指標(biāo)的實(shí)際值。針對(duì)工頻跨步電壓超標(biāo)的問(wèn)題，提出在接地裝置末端加裝螺旋狀接地模塊以替代普通垂直接地體，仿真分析了螺旋狀接地模塊接地性能隨參數(shù)變化的規(guī)律，確定了滿足均壓指標(biāo)的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)；以接地電阻和安全指標(biāo)為目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際施工條件，提出了采用螺旋狀接地模塊的城市輸電鋼管塔接地設(shè)計(jì)方案，研究成果可為城市輸電鋼管塔的安全接地設(shè)計(jì)提供方法參考。

1 城市輸電鋼管塔接地安全參數(shù)及其計(jì)算

1.1 城市輸電鋼管塔接地裝置的典型設(shè)計(jì)

由于城市輸電鋼管塔所處位置的特殊性，難以敷設(shè)輸電桿塔典型采用的四角放射形接地裝置[17]。在實(shí)際施工中，輸電桿塔的接地裝置一般采用如圖1所示的直線放射形和閉合形接地型式。

依據(jù)現(xiàn)階段城市輸電鋼管塔接地安全規(guī)范，接地裝置中水平接地體的長(zhǎng)度、垂直接地體的數(shù)量均以鋼管塔接地電阻達(dá)到目標(biāo)值以下作為設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行鋪設(shè)[18]，各接地材料采用的典型參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

根據(jù)接地體散流的表面積等效原理[19]，表中所述的扁鋼水平接地體可等效為半徑8 mm的圓鋼，角鋼垂直接地體等效為半徑33.7 mm的圓鋼?？紤]城市輸電鋼管塔所架設(shè)位置一般位于路邊以及馬路中央的花壇中，土壤電阻率取300 Ω·m。

在該土壤條件、接地材料參數(shù)下，以接地電阻小于10 Ω為目標(biāo)，根據(jù)接地規(guī)程[12]計(jì)算得到：1)直線放射形接地裝置，單根射線長(zhǎng)度25 m，總長(zhǎng)度為50 m，垂直接地體單根長(zhǎng)度為2 m，間隔5 m，共11根，該裝置接地電阻為9.23 Ω；2)閉合形接地裝置，水平接地體長(zhǎng)度為30 m，寬度為4 m，垂直接地體單根長(zhǎng)度為2 m，間隔5 m，共14根，此時(shí)接地電阻為8.75 Ω。其基本型式示意圖由圖1所示。

圖1 城市輸電鋼管塔接地裝置的兩種典型型式

1.2 城市輸電鋼管塔接地裝置的安全參數(shù)及其目標(biāo)值計(jì)算方法

由于城市輸電鋼管塔所處位置多為人流密集區(qū)域，因此除接地電阻外，接地設(shè)計(jì)需對(duì)其接地安全參數(shù)進(jìn)行校核。鋼管塔接地安全參數(shù)包括：工頻短路電流下的跨步電壓和設(shè)備接觸電壓、雷電入地電流下的跨步電壓和設(shè)備接觸電壓[20]。

以質(zhì)量50 kg的人體作為標(biāo)準(zhǔn)，可得到工頻短路和雷電沖擊兩類故障下各安全參數(shù)的目標(biāo)值。

1.2.1 工頻短路故障時(shí)安全參數(shù)目標(biāo)值的計(jì)算方法

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果顯示，人體在工頻50～60 Hz的電流作用下傷害最為嚴(yán)重[21]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)人遭受故障電擊時(shí)的等效電路模型進(jìn)行了分析，得到跨步電擊和接觸電擊時(shí)作用于兩腳間的耐受跨步電壓、人體手和腳間的耐受接觸電壓分別為[22]：

VS=(RB+6ρ)IK

(1)

VT=(RB+1.5ρ)IK

(2)

式中：RB為人體電阻；ρ為土壤電阻率；IK為不同質(zhì)量下人體的安全電流；K為與人體質(zhì)量有關(guān)的能量系數(shù)；VT為跨步電壓。IK可由式(3)計(jì)算得出。

(3)

式中t為入地電流持續(xù)時(shí)間。

此時(shí)由事故電路的分布參數(shù)電路可以得到，人站立兩點(diǎn)間的跨步電壓US、手和腳所接觸兩點(diǎn)間的接觸電壓UT分別與耐受跨步電壓VS、耐受接觸電壓VT有以下關(guān)系：

US=(RB+6ρ)VS/RB

(4)

UT=(RB+1.5ρ)VT/RB

(5)

由此得到工頻故障下各安全參數(shù)，即工頻跨步電壓US和工頻接觸電壓UT的計(jì)算公式為：

(6)

(7)

1.2.2 雷電流入地時(shí)安全參數(shù)目標(biāo)值的計(jì)算公式

研究表明，高頻電流對(duì)人體的傷害遠(yuǎn)小于工頻電流。當(dāng)雷電流頻率為10～100 kHz時(shí)，人體耐受的安全電流約為工頻時(shí)的13倍[23]。根據(jù)式(1)—(7)的推導(dǎo)可類比得到鋼管塔遭受雷擊時(shí)，能確保人身安全的跨步電壓和接觸電壓計(jì)算公式分別為：

(8)

(9)

式中：ULS為跨步電壓限值；ULT為接觸電壓限值；T為故障雷電流的持續(xù)時(shí)間。K的計(jì)算方法如式(3)所示。

1.2.3 典型參數(shù)下鋼管塔的接地安全參數(shù)目標(biāo)值

選取質(zhì)量為50 kg的人作為標(biāo)準(zhǔn)，能量系數(shù)K的大小為0.013 5，人體電阻RB取值1 000 Ω[19]，土壤電阻率為300 Ω·m；輸電線路排除工頻故障電流的時(shí)間較短，考慮一定裕度，工頻短路電流持續(xù)時(shí)間t取0.2 s；故障雷電流持續(xù)時(shí)間T取150 μs。將上述參數(shù)代入式(6)—(9)中計(jì)算得到工頻短路、雷擊短路故障下，人體允許的安全參數(shù)目標(biāo)值,如表2所示。

表2 兩種故障情況下各安全參數(shù)目標(biāo)值

2 城市輸電鋼管塔接地裝置安全參數(shù)的計(jì)算實(shí)例

利用CDEGS接地計(jì)算軟件，搭建如1.1小節(jié)所述兩種接地型式的仿真模型，仿真計(jì)算得到不同型式下接地裝置的安全參數(shù)實(shí)際值。

2.1 經(jīng)鋼管塔入地的電流大小

由于跨步電壓、接觸電壓均與入地電流的大小密切相關(guān)，因而在對(duì)接地裝置的安全參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)應(yīng)首先確定工頻短路、雷電流入地時(shí)輸電線路鋼管塔的入地電流大小及參數(shù)。

2.1.1 工頻短路故障入地電流

輸電線路的工頻短路故障入地電流主要針對(duì)單相接地短路故障情況。線路單相接地短路故障下流經(jīng)鋼管塔的入地電流Id的計(jì)算表達(dá)式有：

Id=kIf

(10)

式中：If為單相接地短路故障下故障電流的大小；k為鋼管塔的工頻分流系數(shù)。

故障電流If的大小與系統(tǒng)的運(yùn)行方式、中性點(diǎn)的接地方式以及短路點(diǎn)位置均有關(guān)[24]，可通過(guò)微機(jī)保護(hù)或故障錄波得到，220 kV系統(tǒng)下一般為3 000～4 000 A，本文取4 000 A。

由均勻鏈型等效電路可知，鋼管塔工頻分流系數(shù)k值的大小與接地鋼管塔電阻、架空地線阻抗(電阻)有關(guān)，計(jì)算公式如式(11)所示。

(11)

式中：RT為鋼管塔的接地電阻；ZS為一個(gè)檔距架空地線的阻抗(電阻)。220 kV線路架空地線選型為GJ-50，鋼管塔接地電阻取10 Ω，得到鋼管塔工頻分流系數(shù)為0.81，代入式(10)計(jì)算得到單相接地短路故障時(shí)通過(guò)鋼管塔流入地的工頻短路電流值為3 240 A。

2.1.2 雷擊下的入地電流參數(shù)

一般，雷擊桿塔時(shí)的入地電流較大。雷電流一部分通過(guò)避雷線向兩側(cè)流散，一部分通過(guò)鋼管塔向下流經(jīng)接地裝置向大地泄流。因此經(jīng)過(guò)避雷線分流之后的入地雷電流的大小可通過(guò)式(12)計(jì)算得出。

IdL=kLIm

(12)

式中：kL為雷擊發(fā)生時(shí)鋼管塔的分流系數(shù)；Im為雷電流幅值。

根據(jù)IEEE推薦的雷電流幅值累積概率分布公式有[25]：

P=10-Im/88

(13)

由式(13)可知，雷電流的幅值概率P取98.5%時(shí)雷電流幅值Im大小為160 kA。雷擊故障下220 kV線路雙根避雷線的鋼管塔分流系數(shù)可取0.86[26]。因此進(jìn)行雷擊故障時(shí)的仿真計(jì)算時(shí)，本文采用的入地雷電流為幅值137 kA、2.6/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流。

2.2 兩種接地型式下安全參數(shù)實(shí)際值的仿真計(jì)算

2.2.1 跨步電壓和設(shè)備接觸電壓的計(jì)算方法及驗(yàn)證

通過(guò)CDEGS接地計(jì)算軟件來(lái)計(jì)算接地體的相關(guān)參數(shù)。在SESCAD窗口搭建接地體仿真模型，地表水平觀測(cè)線間隔距離為1 m，經(jīng)過(guò)入地電流點(diǎn)且覆蓋地下接地裝置所對(duì)應(yīng)的地表范圍。

工頻跨步電壓、接觸電壓使用MALZ模塊進(jìn)行計(jì)算。在搭建的仿真模型基礎(chǔ)上，定義激勵(lì)電流源的幅值，計(jì)算頻率取50 Hz。雷電流入地下接地裝置的跨步電壓、接觸電壓用到FFTES模塊進(jìn)行正方向變換，HIFREQ模塊進(jìn)行頻域響應(yīng)的計(jì)算，從而得到雷擊時(shí)域下兩個(gè)接地裝置模型的跨步電壓與接觸電壓分布。

文獻(xiàn)[13]用測(cè)試效率及安全性較高的8000S地網(wǎng)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)某一輸電線路桿塔直線放射形接裝置下的地面跨步電壓和設(shè)備接觸電壓進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量。該系統(tǒng)采用小電流異頻法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量注入電流為10 A，試驗(yàn)頻率為48 Hz，測(cè)量電極采用自制的模擬人腳的42碼鐵板鞋底，模擬人體電阻設(shè)置為1 500 Ω，該桿塔附近區(qū)域的土壤電阻率實(shí)測(cè)值為420 Ω·m。測(cè)得桿塔附近自桿塔入地電流點(diǎn)起(右塔腳)，沿線路走向的不同測(cè)量點(diǎn)處跨步電壓與接觸電壓。

采用CDEGS計(jì)算軟件，按本文采用的仿真方法，對(duì)該試驗(yàn)中的桿塔接地裝置進(jìn)行建模仿真，得到對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)線上的跨步電壓和接觸電壓。試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)測(cè)量值與仿真計(jì)算值對(duì)比曲線

上述對(duì)比結(jié)果顯示，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果基本吻合，從而驗(yàn)證本文對(duì)接地裝置地面跨步電壓和設(shè)備接觸電壓的仿真計(jì)算方法是可靠的。

2.2.2 兩種接地型式下安全參數(shù)實(shí)際值的計(jì)算

220 kV城市輸電鋼管塔接地裝置的兩種型式分別按圖1所示2種形式計(jì)算，土壤和接地裝置參數(shù)均按1.1節(jié)所述，按上節(jié)的計(jì)算方法，得到兩種典型接地型式在工頻電流激勵(lì)下跨步電壓的二維色塊分布圖分別如圖3所示。

圖3所示工頻跨步電壓分布圖表明：1)直線放射形接地裝置的跨步電壓較大值主要集中在靠近水平射線末端的區(qū)域，且跨步電壓最大值出現(xiàn)在最末端處。2)閉合形接地裝置的跨步電壓較大值集中在靠近長(zhǎng)邊的末端區(qū)域，最大值落在長(zhǎng)邊與寬邊的交點(diǎn)位置。

圖3 接地裝置對(duì)應(yīng)地表工頻跨步電壓分布圖

兩種典型接地型式在工頻電流、雷電流激勵(lì)下跨步電壓和設(shè)備接觸電壓的最大值如表3所示。(工頻和雷電流激勵(lì)下，接地體的接觸電壓選擇塔身距地面1.8 m，地面距離鋼管塔入地電流點(diǎn)0.8 m的兩點(diǎn)之間的電位差進(jìn)行計(jì)算)

表3 接觸電壓和跨步電壓最大值

對(duì)比表2—3各參數(shù)值可知：

1)設(shè)備接觸電壓超標(biāo)。閉合形接地裝置的雷擊下接觸電壓符合安全要求，但直線放射形接地裝置在雷電流入地時(shí)接觸電壓超標(biāo)。兩種型式的接地裝置在工頻短路故障下的接觸電壓均超標(biāo);

2)工頻跨步電壓超標(biāo)。對(duì)于兩種型式下的接地裝置，雷電流入地時(shí)的跨步電壓均符合安全目標(biāo)值，但工頻短路故障時(shí)的跨步電壓均超標(biāo)。

2.3 鋼管塔接地安全關(guān)鍵參數(shù)的確定

針對(duì)接觸電壓普遍超標(biāo)的問(wèn)題，根據(jù)事故發(fā)生時(shí)的分布參數(shù)電路可知，若提高人手與鋼管塔塔身之間的接觸電阻，則相當(dāng)于提高了土壤電阻率ρ的大小，從而提高工頻接觸電壓的目標(biāo)值。目前城市輸電鋼管塔的塔身尤其是靠近地面附近的區(qū)域均涂敷有防銹絕緣漆，該措施能有效解決城市輸電鋼管塔接觸電壓超標(biāo)的問(wèn)題。

工頻跨步電壓超標(biāo)是城市鋼管塔接地安全的主要問(wèn)題。目前均衡跨步電壓的措施主要是在地面敷設(shè)瀝青礫石、鋪設(shè)均壓帶等。由于輸電鋼管塔大多處于花壇及馬路邊，地表多為植被，其表層土壤電阻率難以提高。因此，本文從鋼管塔接地裝置型式設(shè)計(jì)入手，通過(guò)向接地裝置中加入螺旋狀接地模塊以改善接地裝置的散流特性，從而達(dá)到均衡接地裝置對(duì)應(yīng)地表工頻跨步電壓的目的。

3 螺旋狀接地模塊的提出及效果對(duì)比

3.1 螺旋狀接地模塊

螺旋狀接地模塊采用直徑為14 mm的圓鋼沿半徑為r的圓柱壁環(huán)繞而成螺旋狀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。圖4中d為該螺旋結(jié)構(gòu)的匝間距離，r為螺旋繞徑，h為螺旋的垂直長(zhǎng)度。采用螺旋狀接地模塊替代垂直接地體，以進(jìn)一步加強(qiáng)散流。

圖4 螺旋狀接地模塊結(jié)構(gòu)示意圖

相比于普通的垂直接地體，螺旋狀接地模塊具有以下優(yōu)勢(shì)：1)由于實(shí)際施工條件有限，垂直接地體的長(zhǎng)度往往受到很大限制，而螺旋狀接地模塊在垂直長(zhǎng)度h一定的情況下，大大增加了接地體的散流長(zhǎng)度，從而增強(qiáng)了電流向下引流及向土壤四周流散的效果。2)根據(jù)接地體散流等效表面積原理[25]，由于螺旋狀接地模塊以r為半徑繞制而成，其散流效果類似于半徑為r的實(shí)心圓鋼接地體，因而大大減少了材料耗費(fèi)，具有更高的性價(jià)比。

根據(jù)上述分析，螺旋狀接地模塊的向下引流以及散流效果能有效降低流經(jīng)水平接地體電流的大小，從而在進(jìn)一步降低接地裝置工頻接地電阻的同時(shí)均衡接地裝置地表的跨步電壓。

3.2 螺旋狀接地模塊改善工頻跨步電壓分布的仿真計(jì)算及效果對(duì)比

為探討螺旋狀接地模塊對(duì)于桿塔接地裝置跨步壓的均衡效果，以輸電桿塔接地裝置中的直線放射形接地型式為例，分別將典型垂直接地體、薄管狀垂直接地模塊以及螺旋狀接地模塊3種型式接地體加裝于水平接地體中散流效果最顯著的水平接地體末端處。通過(guò)仿真得到上述各模型散流效果，對(duì)比分析螺旋狀接地模塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性。

3.2.1 不同接地體模塊的建模方法

螺旋狀接地模塊在接地計(jì)算軟件中的模擬通過(guò)插入選項(xiàng)中的“弧/圓/螺線/螺旋”實(shí)現(xiàn)。其中螺旋頂部坐標(biāo)為0.8 m(水平接地體的埋深為0.8 m)，底部坐標(biāo)為2.8 m，即螺旋狀接地模塊垂直長(zhǎng)度為2 m；螺旋半徑為0.3 m，圈數(shù)為6圈，每圈的導(dǎo)體段數(shù)為15段，導(dǎo)體材料為φ12 mm的圓鋼導(dǎo)體。

薄管狀垂直接地模塊的等效模擬則通過(guò)插入空心導(dǎo)體的方式實(shí)現(xiàn)。其長(zhǎng)度為2 m，空心半徑為0.3 m，與螺旋狀接地模塊的繞徑一致；薄管厚度為6 mm，材料與螺旋狀接地模塊一致，均為圓鋼材料。

在CDEGS的SESCAD界面搭建如圖5所示3種不同末端接地形式的接地模型，圖中單根水平射線的長(zhǎng)度均為10 m，垂直接地體單根長(zhǎng)度2 m，間隔5 m，土壤電阻率均取300 Ω·m，接地體激勵(lì)源幅值均為100 A。

圖5 螺旋狀接地模塊的替換模型

3.2.2 仿真結(jié)果分析與對(duì)比

利用CDEGS軟件仿真計(jì)算后得到上述3種模型下各導(dǎo)體段的泄漏電流大小如圖6所示。

圖6 末端各導(dǎo)體段泄漏電流分布圖

由圖6各導(dǎo)體段泄漏電流分布圖可知：1)將水平接地末端的垂直接地體替換為螺旋狀接地模塊后，流經(jīng)水平接地體向大地泄散的電流大小明顯降低，電流大多由經(jīng)螺旋接地模塊向下及周圍土壤泄散。2)末端垂直接地體的總泄漏電流大小為8.9 A；末端螺旋狀接地模塊的總散流大小為18.6 A，薄管狀垂直接地模塊總散流大小為21 A。

進(jìn)一步查看各模型的工頻跨步電壓可知，圖6(a)所示末端垂直接地體模型的接地電阻為17.92 Ω，最大跨步電壓為224.459 V；替換為螺旋狀接地模塊后(圖6(b)圖所示模型)的接地電阻為14.71 Ω，最大跨步電壓為177.976 V；替換為薄管狀垂直接地模塊后(圖6(c)所示模型)的接地電阻為14.58 Ω，最大跨步電壓為173.461 V。

分析上述仿真計(jì)算結(jié)果可知：1)在水平接地體末端區(qū)域加裝螺旋狀的接地模塊，可有效降低接地裝置的接地電阻。2)加裝螺旋狀接地模塊后的接地裝置，其對(duì)應(yīng)地表的工頻跨步電壓整體上數(shù)值降低，且最大工頻跨步電壓也明顯下降。3)相較于同等半徑下的薄管狀垂直接地模塊，螺旋狀接地模塊在具有幾乎同等散流效果、均衡工頻跨步電壓效力的同時(shí)，更能達(dá)到節(jié)省接地材料以提高經(jīng)濟(jì)性的目的。

4 采用螺旋狀接地模塊的城市輸電鋼管塔接地裝置安全優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 螺旋狀接地模塊降阻特性及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

螺旋接地模塊通過(guò)加強(qiáng)向下引流及向大地散流的效果，從而達(dá)到降低接地裝置工頻跨步電壓和接地電阻的作用。而加強(qiáng)散流的效果可由接地電阻的大小體現(xiàn)，即散流效果越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的接地電阻越小，反之亦然。因而，本文將通過(guò)仿真計(jì)算，分析螺旋狀接地模塊的接地電阻(接地性能)隨其結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，并根據(jù)其規(guī)律確定螺旋狀接地模塊的最優(yōu)參數(shù)，即對(duì)其匝間距離d、繞徑r以及垂直長(zhǎng)度h等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，使該模塊達(dá)到最優(yōu)化的均衡工頻跨步電壓作用。

4.1.1 螺旋狀接地模塊匝間距離的影響

由于匝間電流的相互屏蔽作用，因此不同的匝間距離會(huì)影響該接地模塊整體的散流特性。

搭建如圖4所示的單根螺旋狀接地模塊。埋深為0.8 m，于模塊上端加入幅值為100 A的工頻激勵(lì)電流，土壤電阻率取300 Ω·m。將螺旋繞徑r取0.3 m的典型值，在垂直長(zhǎng)度h不變的情況下逐漸增加單位垂直長(zhǎng)度的螺旋匝數(shù)n(單位長(zhǎng)度為m)，即螺旋結(jié)構(gòu)由疏及密，得到工頻接地電阻R的變化規(guī)律曲線如圖7所示。

圖7曲線圖表明在不同的垂直長(zhǎng)度下，接地電阻隨單位垂直長(zhǎng)度內(nèi)匝數(shù)變化的曲線具有相同規(guī)律。

圖7 單位垂直長(zhǎng)度的螺旋匝數(shù)—接地電阻變化曲線

1)當(dāng)垂直長(zhǎng)度h一定，螺旋狀接地模塊單位垂直長(zhǎng)度內(nèi)的匝數(shù)越多，接地電阻值越小。

2)當(dāng)螺旋單位垂直長(zhǎng)度內(nèi)的匝數(shù)增加至4～5圈后，接地電阻的變化曲線趨于平緩。

4.1.2 螺旋狀接地模塊垂直長(zhǎng)度的影響

同理取典型繞徑r為0.3 m，匝間距離d為0.25 m，仿真得到接地電阻R隨螺旋狀接地模塊垂直長(zhǎng)度h的變化曲線如圖8所示。

由圖8可知：當(dāng)螺旋狀接地模塊的垂直長(zhǎng)度越長(zhǎng)，接地電阻值越??；當(dāng)垂直長(zhǎng)度增加到30 m左右時(shí)，其接地電阻的變化曲線趨于平緩。

圖8 垂直長(zhǎng)度—接地電阻變化曲線

4.1.3 螺旋狀接地模塊繞徑大小的影響

取匝間距離d=0.25 m，螺旋垂直長(zhǎng)度h=3 m，考慮到實(shí)際安裝的難度，仿真中螺旋繞徑r的最大長(zhǎng)度取至0.6 m。得到接地電阻R隨繞徑r變化的曲線如圖9所示。

圖9 螺旋繞徑—接地電阻變化曲線

該曲線表明當(dāng)繞徑在0.1～0.6 m內(nèi)變化時(shí)，其接地電阻大小幾乎呈線性下降，即在r<0.6 m范圍內(nèi)的散流降阻效果顯著。

綜合上述螺旋狀接地模塊接地性能隨各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)合實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)的要求、運(yùn)輸安裝的難度以及對(duì)經(jīng)濟(jì)性的考慮，本文確定散流均壓最優(yōu)的螺旋狀接地模塊應(yīng)為繞徑0.3 m、匝間距離0.25 m、垂直長(zhǎng)度3 m的螺旋結(jié)構(gòu)，并將該螺旋結(jié)構(gòu)應(yīng)用于下述接地裝置的安全設(shè)計(jì)中。

4.2 鋼管塔接地裝置的安全設(shè)計(jì)方案

結(jié)合相關(guān)接地設(shè)計(jì)規(guī)程并考慮實(shí)際情況，220 kV城市輸電線路鋼管塔接地裝置安全設(shè)計(jì)需要滿足的指標(biāo)為：1)接地電阻小于10 Ω；2)接地裝置對(duì)應(yīng)的地表工頻跨步電壓安全值滿足式(6)的要求。

基于接地裝置的設(shè)計(jì)原則和螺旋狀接地模塊的散流特性，即在確保接地電阻達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過(guò)螺旋狀接地模塊的添加方法，使工頻跨步電壓達(dá)標(biāo)。為取得最優(yōu)化效果，結(jié)合接地規(guī)程的相關(guān)規(guī)定，對(duì)城市輸電鋼管塔接地裝置的安全優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

圖10 接地裝置安全設(shè)計(jì)流程圖

4.3 220 kV城市輸電鋼管塔的安全接地設(shè)計(jì)實(shí)例

現(xiàn)有220 kV城市輸電鋼管塔的兩種接地型式如圖1所示。以表2給出的安全工頻跨步電壓值為目標(biāo)，根據(jù)4.2節(jié)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖的步驟對(duì)現(xiàn)有的兩種接地型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.3.1 直線放射形接地裝置的優(yōu)化

由圖1可知，直線放射形接地裝置的單根水平射線長(zhǎng)度為25 m，垂直接地體單根長(zhǎng)度2 m，間隔5 m，共11根。

根據(jù)優(yōu)化流程圖步驟，優(yōu)化后直線放射形接地裝置(入地電流點(diǎn)以左的部分)如圖11所示。即在水平接地體兩末端各加裝3根垂直長(zhǎng)度為30 m、每根匝數(shù)為12圈、繞徑為0.3 m的螺旋狀接地模塊，間隔為6 m，所需垂直接地體僅4根，間距為5 m。

圖11 優(yōu)化后的直線放射形接地裝置

優(yōu)化后的接地裝置的工頻跨步電壓二維色塊分布圖如圖12所示。

圖12 優(yōu)化后的直線放射形工頻跨步電壓分布圖

優(yōu)化后直線放射形接地裝置的接地電阻為6.67 Ω，符合設(shè)計(jì)原則。最大工頻跨步電壓降至1 985.084 V，滿足安全目標(biāo)值。

4.3.2 閉合形接地裝置的優(yōu)化

同理對(duì)城市輸電鋼管塔的閉合形接地裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的閉合形裝置如圖13所示。

圖13 優(yōu)化后的閉合形接地裝置

根據(jù)優(yōu)化流程圖在兩長(zhǎng)邊的末端區(qū)域分別加裝1組螺旋狀接地模塊，共4根。垂直接地體10根，間隔5 m。優(yōu)化后閉合形接地裝置的接地電阻為7.3 Ω，符合設(shè)計(jì)原則。最大工頻跨步電壓降至2 026.899 V，滿足安全目標(biāo)值。工頻跨步電壓二維色塊圖如圖14所示。

圖14 優(yōu)化后的閉合形工頻跨步電壓分布圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文給出了城市輸電鋼管塔接地裝置安全參數(shù)目標(biāo)值和實(shí)際值的計(jì)算方法，對(duì)兩種典型接地型式的城市輸電鋼管塔接地裝置的各安全參數(shù)指標(biāo)的目標(biāo)值與實(shí)際值進(jìn)行了計(jì)算，指出工頻跨步電壓超標(biāo)是目前城市輸電鋼管塔接地安全存在的關(guān)鍵問(wèn)題。

通過(guò)螺旋狀接地模塊與垂直接地體、薄管狀接地模塊結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析可知，采用在接地裝置末端加裝螺旋狀接地模塊替代普通垂直接地體的措施，大大節(jié)省了接地材料且有效降低了接地裝置的接地電阻及工頻跨步電壓。

最后仿真分析了螺旋狀接地模塊接地性能隨各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，給出了螺旋的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。以接地電阻和安全指標(biāo)為目標(biāo)，提出了采用螺旋狀接地模塊的城市輸電鋼管塔接地設(shè)計(jì)方案，為城市輸電鋼管塔的安全接地設(shè)計(jì)提供了方法參考。