不同針刺型接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的雷電沖擊散流特性影響分析

咸文濤，張坤，郭贏，崔仙政，胡元潮

（1.國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255000；2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

0 引言

輸電線路桿塔的重要作用體現(xiàn)在：在線路遭受雷擊或發(fā)生短路故障等意外情況時可以迅速地提供電流散泄的通道，從而穩(wěn)定電位，保證輸送電設(shè)備的正常運行和工程應(yīng)用中的人身財產(chǎn)安全［1-2］。輸電線路防雷實際工程經(jīng)驗表明，相比于優(yōu)化絕緣子性能、外加避雷設(shè)備、自動重合閘等防雷手段會增加設(shè)備投入、損耗及人工成本［3］，降低輸電線路桿塔沖擊接地電阻在優(yōu)化線路耐雷性能方面相較于其他措施應(yīng)用最廣［4-6］。在高幅值雷電流作用下，桿塔接地網(wǎng)的火花放電現(xiàn)象對于接地網(wǎng)沖擊散流性能的提高有顯著作用。因此，如何充分利用接地網(wǎng)火花放電現(xiàn)象以優(yōu)化接地裝置的沖擊散流性能，對電力系統(tǒng)線路雷電防護(hù)具有現(xiàn)實意義。

目前對接地裝置的散流性能優(yōu)化已進(jìn)行了較多研究，路永玲團(tuán)隊以單根水平接地極為研究對象，采用模擬試驗和數(shù)值仿真的方法，研究了接地體長度、電流幅值、電流注入點位置對沖擊特性的影響，并分析了瞬時沖擊接地電阻隨時間的變化特性，得出了沖擊電流幅值越大，火花效應(yīng)越明顯，沖擊接地電阻和沖擊接地系數(shù)越小的結(jié)論［7-8］。司馬文霞等［9］為研究兩種不同典型接地體沖擊散流特性的異同，進(jìn)行了不同土壤電阻率情況下的試驗，并將結(jié)果推廣到利用針刺導(dǎo)體改善散流性能的實際應(yīng)用中；童雪芳等［10］基于自然情況下的土壤情況，設(shè)置了自然土壤電阻率下的典型接地極并改變接地參數(shù)，對不同接地裝置的降阻性能進(jìn)行了比較。

為了增大接地體的沖擊火花放電效應(yīng)，學(xué)者們提出了在主接地體上增加針刺型外延的接地形式。鄭州大學(xué)李景麗［11］研究了針刺型接地的降阻方式及降阻效果，系統(tǒng)分析了加針刺降阻機(jī)制并通過試驗對其降阻機(jī)理和效果進(jìn)行分析驗證。重慶大學(xué)袁濤［12］將添加針刺后接地體與針刺之間的相互影響作用作為主要研究對象，進(jìn)一步探究了針刺長度、間距對接地體降阻效果的影響。

為了深入研究針刺結(jié)構(gòu)對接地網(wǎng)的沖擊接地特性的影響，搭建“一”字形水平針刺接地極沖擊散流計算模型，分析針刺數(shù)量、針刺長度及針刺間距對接地網(wǎng)沖擊散流特性的影響，從理論上對比分析不同因素對接地網(wǎng)周圍空間電場及電流分布、沖擊接地阻抗、散流效率等接地性能的影響規(guī)律。

1 針刺型接地網(wǎng)雷電沖擊特性計算模型

1.1 針刺型接地網(wǎng)幾何材料模型

為更加直觀且準(zhǔn)確地研究添加針刺后接地極的沖擊散流特性優(yōu)化效果，在長度為Ly的“一”字形接地導(dǎo)體上設(shè)置針刺，針刺導(dǎo)體與“一”字形水平接地極相互垂直，埋設(shè)在土壤中，長度為Δl。加針刺后接地裝置的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 “一”字形接地體加針刺幾何結(jié)構(gòu)

為使試驗結(jié)果更接近工程實際，本文利用仿真軟件建立了三維立體半球形土壤模型，如圖2 所示。設(shè)置土壤條件為土壤電阻率為1 000 Ω·m 的高電阻率土壤，土壤相對介電常數(shù)εr=8?！耙弧弊中谓拥貥O埋深為0.8 m。接地極材料為直徑為12 mm 的鍍鋅鋼材料，相對電阻率ρ=109.7，相對磁導(dǎo)率μr=636。球體半徑設(shè)置為接地體長度的10倍。

圖2 三維土壤模型

1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

1.2.1 數(shù)學(xué)模型

當(dāng)雷云天氣下桿塔受到雷擊時，雷電流由接地極進(jìn)入大地，此時土壤中所產(chǎn)生的電磁場隨時間變化。該過程可由方程（1）描述。

式中：H為磁場強(qiáng)度；D為電位移向量；E為電場強(qiáng)度；J為由傳導(dǎo)電流Jc和位移電流構(gòu)成的全電流密度［4］。

1.2.2 邊界條件

引進(jìn)變量電位φ，使其滿足E=-?φ，當(dāng)電流注入接地極首端時，散流過程如方程（2）所示。

式中：γ、?分別為散流媒質(zhì)的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。

在接地裝置散流過程中，式（3）表示在無窮遠(yuǎn)處，電流場引起的電位為零，且水平地面垂直方向上的電流為零，即

式中：ω為入地電流的角頻率；n為垂直于地面方向上的向量。

另外，在接地極一端注入電流時，該端點處滿足條件

式中：s為接地極長度。

在該模型所設(shè)置條件中，接地裝置與土壤、不同電阻率的土壤與土壤的連接處均符合連續(xù)性邊界條件的設(shè)定。

在網(wǎng)格拆分求解過程中，用空間坐標(biāo)變換將無窮大的散流空間映射為有限區(qū)域，并采用有限元網(wǎng)格劃分的方法，對于時間域的求解，本文采用的是有限差分網(wǎng)格劃分的方式［13-16］。

在仿真計算中，采用雙指數(shù)函數(shù)描述幅值100 kA、波形2.6/50 μs的雷電流如式（5）所示。

式中：Im為注入電流峰值；t為時間變量。

雷電流注入位置為“一”字形接地極首端，波形如圖3 所示。沖擊電流迅速達(dá)到幅值100 kA 后緩慢下降。

圖3 注入沖擊電流波形圖（100 kA）

2 結(jié)構(gòu)型式對針刺型接地網(wǎng)沖擊特性影響分析

針刺形式對接地網(wǎng)的雷電沖擊特性具有顯著影響，為此，本節(jié)計算分析了針刺數(shù)量、針刺長度及針刺尺寸等因素對接地網(wǎng)雷電沖擊特性的影響。

2.1 針刺數(shù)量

實際接地網(wǎng)中針刺數(shù)量會影響接地網(wǎng)的雷電流散流路徑，改變接地網(wǎng)的沖擊散流特性。仿真計算中，針刺長度ΔL=1 m，針刺間的距離為Δd=0.2 m，針刺數(shù)量分別選取1、2、3、4、5 個。在幅值為100 kA 的2.6/50 μs 雷電流作用下，不同數(shù)量的針刺對“一”字形水平接地極周圍電流密度、電場強(qiáng)度、電位分布如圖4—圖6所示。

圖4 不同數(shù)量針刺的接地極電流密度分布云圖

圖5 不同數(shù)量針刺的接地極電場分布云圖

圖6 不同數(shù)量針刺的接地極電位分布云圖

從圖5 中可以看出，在添加不同數(shù)量針刺的“一”字形水平接地極上，100 kA、2.6/50 μs 的沖擊雷電流產(chǎn)生的電場強(qiáng)度最高可達(dá)5×103kV/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了土壤電阻率為1 000 Ω·m 的土壤擊穿場強(qiáng)300 kV/m［17-18］，所以在分析接地極向大地散流這一過程時，需要考慮土壤火花放電的影響。因此在沖擊電流經(jīng)接地導(dǎo)體向土壤流散過程中必定發(fā)生火花放電。

如圖6 所示，由于針刺結(jié)構(gòu)等效于為“一”字形單根水平接地極增加人為端部，短導(dǎo)體周圍出現(xiàn)端部效應(yīng)，短導(dǎo)體周圍的電流密度增大，注入的沖擊電流在短導(dǎo)體處散流進(jìn)土壤，使短導(dǎo)體附近的散流比例上升，增強(qiáng)了該接地極的散流效率，從而增強(qiáng)了散流性能。為了進(jìn)一步分析針刺數(shù)量對“一”字形水平接地體的沖擊接地特性的影響，計算了不同針刺數(shù)量下水平接地體的沖擊接地電阻，如圖7 所示，計算結(jié)果表明該“一”字形水平接地極的沖擊接地電阻隨針刺數(shù)量的增大而減小。

圖7 不同針刺數(shù)量下水平接地體接地電阻

2.2 針刺長度

針刺過短，會受到水平接地極本身的火花放電效應(yīng)的影響；針刺過長，則在工程實際應(yīng)用中會造成建造成本增加的后果［19］。針刺長度變化會影響針刺電極間的屏蔽效應(yīng)，從而改變接地極表面的雷電沖擊散流特性。因此，確定合適的針刺長度保證針刺短導(dǎo)體降阻效果的重要依據(jù)。為此，本節(jié)選取單針刺“一”字形接地極作為研究對象，針刺長度分別為0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m。

不同針刺長度下單針刺“一”字形水平接地極周圍剖面電場、電流密度、電位分布云圖如圖8—圖10所示。

圖8 不同長度針刺的接地極電場分布云圖

圖9 不同長度針刺的接地極電流密度分布云圖

圖10 不同長度針刺的接地極電位分布云圖

為了對比針刺長度對接地極沖擊接地特性的影響，計算不同針刺長度下接地極的沖擊接地電阻如圖11所示。

圖11 不同針刺長度下水平接地體接地電阻

如圖11 所示，當(dāng)添加針刺長度小于0.05 m 時，沖擊接地電阻的阻值隨著針刺長度的增加而增加；當(dāng)短導(dǎo)體長度時大于0.05 m 時，接地電阻的阻值與長度成反比。

之所以“一”字形水平接地極的沖擊接地電阻值隨添加針刺長度的變化趨勢出現(xiàn)以0.05 m 為轉(zhuǎn)折點的現(xiàn)象，是因為在當(dāng)前模擬試驗條件下，由于“一”字形接地極與針刺之間在沖擊電流作用下產(chǎn)生了屏蔽效應(yīng)［20］，該效應(yīng)作用的范圍半徑在0.05 m 左右，而此時所設(shè)置的針刺長度正好被包裹在該屏蔽區(qū)域內(nèi)。這種屏蔽作用使得針刺與水平接地極所銜接的部分的電場相斥，電場強(qiáng)度下降，沖擊接地電阻上升。而當(dāng)設(shè)置針刺長度大于0.05 m 時，針刺給“一”字形接地極帶來的人為“端部”所增加的散流性能超過與原接地極之間屏蔽效應(yīng)對火花放電區(qū)域所帶來的負(fù)面影響，從而使整體沖擊接地電阻呈現(xiàn)下降趨勢，達(dá)到改善接地極沖擊散流性能的目的。

2.3 針刺間距

在針刺數(shù)量和針刺長度固定不變的基礎(chǔ)上，針刺間距作為影響短導(dǎo)體之間屏蔽效應(yīng)強(qiáng)弱的重要因素，在針刺降阻問題中占據(jù)重要地位。本節(jié)設(shè)置針刺的不同間距仿真模型，對仿真計算結(jié)果進(jìn)行分析。仿真計算中，針刺長度ΔL=0.1 m，針刺數(shù)量n個，針刺間的距離為Δd=1 m、0.5 m、0.4 m、0.2 m。

為直觀體現(xiàn)針刺間距對接地極沖擊散流性能的影響，定義各測量節(jié)點如圖12所示。

圖12 測量節(jié)點

為了表征某一因素對于桿塔接地電阻的影響程度，引入散流比例η作為標(biāo)準(zhǔn)，降阻效率定義為

式中：Imax為注入總電流峰值；I（n）為測量節(jié)點n的沿水平接地極方向上的電流峰值。

將“一”字形水平接地極添加短導(dǎo)體后的結(jié)構(gòu)劃分為5段等長度導(dǎo)體，利用計算后的散流比例η對添加不同間距的等長度針刺的“一”字形導(dǎo)體進(jìn)行散流性能的評價與比較。當(dāng)散流比例較高時，說明各針刺之間的屏蔽作用較弱，接地極的散流性能得到了加強(qiáng)；散流比例較低時，說明各針刺之間存在較強(qiáng)的屏蔽效應(yīng)，此情況下添加的針刺間距未能達(dá)到提高接地極散流性能，降低沖擊接地電阻的目的。所研究的四種間距的五段等距離導(dǎo)體上的軸向電流分布如表1所示。

表1 接地極軸向電流分布

由表1 可知，針刺間距改變會使接地極各段導(dǎo)體的散流比例發(fā)生明顯變化。在某一間距下接地極首端及末端的散流比例較大，中間各段散流比例較小，整體呈現(xiàn)U 形變化趨勢。這是因為由于沖擊電流入地后接地極存在端部效應(yīng)，兩端由于火花放電導(dǎo)致散流程度大，所以端部的散流比例較大。針刺間距不同時，在接地極上設(shè)置的針刺間距越大，各段導(dǎo)體的散流比例也隨之增加。這說明在針刺長度不變的情況下，相鄰短導(dǎo)體之間的距離越近，屏蔽效應(yīng)越顯著越不利于提高各段導(dǎo)體的散流性能。

不同間距針刺下針刺“一”字形水平接地極周圍剖面電流密度、電場、電位分布云圖如圖13—圖15所示。

圖13 不同間距針刺的接地極電流密度分布云圖

圖14 不同間距針刺的接地極電場分布云圖

圖15 不同間距針刺的接地極電位分布云圖

從圖13 可知，在針刺長度不發(fā)生改變的情況下，在“一”字形水平接地極上添加不同間距的針刺會導(dǎo)致“一”字形水平接地極周圍的電流密度發(fā)生改變，隨著添加針刺密度的增加，相鄰的針刺之間存在的屏蔽效應(yīng)增大，電流密度減小。

對“一”字形水平接地極添加相同長度，不同間距的針刺，對沖擊接地電阻進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖16 所示。隨著對水平“一”字形接地極添加針刺的間距的增大，接地極的沖擊接地電阻也隨之下降。當(dāng)間距小于0.4 m 時，沖擊接地阻抗下降的速度較快，當(dāng)間距處于0.4m到1m之間時，沖擊接地阻抗值下降的速度較慢。沖擊接地阻抗下降的原因是各短導(dǎo)體之間存在的屏蔽效應(yīng)由于間距增大而下降，接地極的散流性能增強(qiáng)，更有利于沖擊電流的散泄。但隨著添加針刺密度的減小，針刺數(shù)量也隨之下降，由于添加端部而帶來的散流效果也被削弱。此時相鄰針刺彼此存在的屏蔽效應(yīng)很弱，針刺數(shù)量改變帶來的影響成為主要影響因素。

圖16 不同針刺間距下水平接地體接地電阻

3 結(jié)語

本文分析了不同數(shù)量、長度、間距針刺對輸電線路桿塔接地極沖擊散流性能的影響，從理論上得出了通過在接地極上設(shè)置針刺可以顯著提高接地裝置的散流性能的結(jié)論。具體如下：

1）增加針刺數(shù)量有利于優(yōu)化接地導(dǎo)體的沖擊散流特性。但另一方面，由于導(dǎo)體之間存在會影響散流效率的屏蔽效應(yīng)，一味增大針刺數(shù)量會導(dǎo)致針刺密度增大，各針刺之間，針刺與“一”字形接地極之間的屏蔽效應(yīng)增強(qiáng)，從而影響接地極整體的散流效率。

2）針刺過短，會受到水平接地極本身的火花放電效應(yīng)的影響。針刺過長，則在工程實際應(yīng)用中會造成建造成本增加，對建造環(huán)境要求的升高的后果。綜合考慮針刺長度建議取接地極長度的20%為宜。

3）在針刺尺寸不發(fā)生改變的情況下，增加針刺間距對改善電流屏蔽效應(yīng)的效果并不是越大越好。減小間距，屏蔽效應(yīng)對沖擊散流特性的影響占主要地位；增大間距，針刺數(shù)目減小對提高散流效率的影響較大。