山區(qū)輸電線路桿塔立體均壓環(huán)接地體沖擊特性分析

周西杰,宋華偉,楊廷方,劉云輝,羅屹豪

(1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長沙410114; 2.國網(wǎng)湖南檢修公司,長沙410004)

0 引言

我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,引起了用電需求量的增加,我國電力網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與規(guī)模也越來越復(fù)雜和龐大,西電東送和南北互供的全國聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的實現(xiàn),均需建設(shè)大量超/特高壓輸變電系統(tǒng)[1]。電力系統(tǒng)大多數(shù)故障是由雷擊輸電線路或桿塔,從而引起跳閘引起的[2-4]。輸電線路桿塔接地體的主要作用是防雷接地,既可以保證電力系統(tǒng)安全運行,又可以保護設(shè)備和人員的安全[5]。

文獻[6-7]研究了桿塔接地裝置的散流規(guī)律,分析了水平接地裝置和垂直接地裝置對跨步電壓的影響。文獻[8-10]利用模擬實驗,研究了接地裝置在不同沖擊電流幅值等條件下的沖擊特性變化規(guī)律。文獻[11-18]分析了放射狀的水平接地體,在不同射線長度、射線位置等條件下對接地體的沖擊特性的影響。文獻[19-20]分析了水平放射極接地裝置和立體均壓環(huán)接地裝置的地表電位分布情況。文獻[21-22]研究了注流點對沖擊特性的影響,并通過仿真計算研究了回流點對沖擊特性的影響。文獻[23-27]分析了不同形狀輸電桿塔接地裝置對不同土壤電阻率下的沖擊接地電阻的影響。文獻[28]利用真型實驗研究了不同沖擊電流幅值、接地體尺寸和注入點下接地體的沖擊特性。

以上研究僅僅是對水平接地體和垂直接地體的沖擊特性進行分析,缺少對立體接地體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究。在山區(qū)有限的空間下,輸電線路桿塔接地體的施工往往會受到影響,致使輸電線路桿塔接地體結(jié)構(gòu)比較簡單,有時雖然滿足了接地電阻的要求,但其均壓效果未達到安全性要求。

筆者通過使用電磁仿真軟件CDEGS建立立體均壓環(huán)接地裝置模型,研究了不同激勵電流類型、不同土壤電阻率、不同接地裝置埋深、不同水平射線長度下,立體均壓環(huán)接地體沖擊接地電阻和跨步電壓變化情況,為山區(qū)等有限區(qū)域下選擇輸電線路桿塔接地體結(jié)構(gòu)提供了參考。

1 立體均壓環(huán)結(jié)構(gòu)CDEGS仿真模型

使用φ10 mm圓鋼做成立體均壓環(huán)結(jié)構(gòu),將其圍繞在桿塔基礎(chǔ)立柱周圍,其高度為0.8 m,半徑2 m。立體均壓環(huán)結(jié)構(gòu)主要由4部分組成,包括頂部圓環(huán)、垂直連接體、水平射線和底部圓環(huán),見圖1。

圖1 立體均壓環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Three-dimensional pressure equalizing ring structure diagram

2 立體均壓環(huán)的沖擊特性研究

接地裝置周圍地電位與跨步電壓分布規(guī)律是研究接地裝置在沖擊電流作用下沖擊特性的重要指標(biāo)。本節(jié)主要從電流類型、土壤電阻率、接地裝置埋深和水平射線長度對立體均壓環(huán)結(jié)構(gòu)接地體進行沖擊特性研究,得出不同的條件下,接地裝置沖擊接地電阻與跨步電壓的變化情況。

設(shè)幅值都為10 kA,雷電流采用波前時間為2.6 μs,波尾時間為50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電流,其波形見圖2。

圖2 雷電流波形圖Fig.2 Lightning current waveform

2.1 工頻電流與雷電流對比分析

假設(shè)采用如圖1所示的仿真模型,工頻電流和雷電流都從中心流入,設(shè)埋深0.8 m,均一土壤電阻率為500 Ω·m。由CDEGS軟件仿真得到工頻電流和雷電流作用下立體均壓環(huán)接地體周圍地電位三維立體圖,見圖3、圖4;立體均壓環(huán)接地體周圍跨步電壓分布圖見圖5、圖6?？梢灾庇^的看出立體均壓環(huán)接地體周圍地電位分布情況和幅值。

圖3 工頻電流作用下立體均壓環(huán)接地體周圍地電位分布圖Fig.3 Distribution map of ground potential around the grounding body of the three-dimensional equalizing ring under the action of power frequency current

圖4 雷電流作用下立體均壓環(huán)接地體周圍地電位分布圖Fig.4 Distribution map of ground potential around the grounding body of the three-dimensional equalizing ring under the action of lightning current

圖5 工頻電流作用下立體均壓環(huán)接地體周圍跨步電壓分布圖Fig.5 Distribution diagram of step voltage around the grounding body of the three-dimensional equalizing ring under the action of power frequency current

圖6 雷電流作用下立體均壓環(huán)接地體周圍跨步電壓分布圖Fig.6 Distribution diagram of step voltage around the grounding body of the three-dimensional equalizing ring under the action of lightning current

由圖3和圖4可知,工頻電流作用下,最大地電位升達到365.023 kV;雷電流作用下,最大地電位升達到382.535 kV,比工頻電流作用下增大了4.8%。由圖5和圖6可知,工頻電流作用下,最大跨步電壓幅值達到74.217 kV;雷電流作用下,最大跨步電壓幅值達到79.063 kV,比工頻電流作用下增大了6.5%。

選取圓環(huán)形接地體與立體均壓環(huán)形接地體作比較。仿真設(shè)圓環(huán)形接地體采用φ10 mm圓鋼,半徑為2 m,相對磁導(dǎo)率μr=250,埋深0.8 m。在土壤電阻率ρ=500 Ω·m,相對介電常數(shù)εr=9,10 kA雷電流作用下,圓環(huán)形接地體周圍地電位和跨步電壓分布圖見圖7、圖8。

圖7 雷電流作用下圓環(huán)接地體周圍地電位分布圖Fig.7 Distribution map of ground potential around the ring grounding body under the action of lightning current

圖8 雷電流作用下圓環(huán)接地體周圍跨步電壓分布圖Fig.8 Distribution diagram of step voltage around ring grounding body under the action of lightning current

從圖7、圖8可知,圓環(huán)形接地體最大地電位升為432.943 kV,最大跨步電壓為100.053 kV。相比之下,立體均壓環(huán)形接地體最大地電位升比圓環(huán)形接地體最大地電位升降低了11.6%;立體均壓環(huán)形接地體最大跨步電壓比圓環(huán)形接地體最大跨步電壓降低了20.9%。從上面的分析可以看出,立體均壓環(huán)形接地體在均壓和散流效果上比圓環(huán)形接地體更優(yōu)。

2.2 不同土壤電阻率的對比分析

隨著輸電線路分布越來越廣泛,山區(qū)輸電桿塔接地體周圍的地質(zhì)結(jié)構(gòu)也多種多樣[29],其中土壤電阻率是影響土壤散流電阻大小的最主要因素。本小節(jié)選取傳統(tǒng)圓環(huán)形接地體與立體均壓環(huán)形接地體進行對比分析。

在10 kA雷電流作用下,圓環(huán)形接地體和立體均壓環(huán)形接地體的沖擊接地電阻和最大跨步電壓在不同土壤電阻率的幅值和變化曲線見表1和圖9,其中線a、b分別為圓環(huán)形接地體的沖擊接地電阻和最大跨步電壓,線c、d分別為立體均壓環(huán)形接地體的沖擊接地電阻和最大跨步電壓。

表1 不同土壤電阻率沖擊接地電阻和最大跨步電壓Table 1 Impulse grounding resistance and maximum step voltage of different soil resistivity

圖9 不同土壤電阻率沖擊接地電阻和最大跨步電壓變化曲線圖Fig.9 Variation curves of impulse grounding resistance and maximum step voltage with different soil resistivity

由仿真結(jié)果可知,隨著土壤電阻率的增大,輸電線路桿塔接地體沖擊接地電阻和最大跨步電壓都逐漸增大,當(dāng)土壤電阻率達到一定程度時,其增大趨勢逐漸平緩。圖9可以看出,當(dāng)土壤電阻率較小時,土壤的導(dǎo)電性比較好,能夠容易的將雷電流泄放到土壤中,圓環(huán)形接地體和立體均壓環(huán)形接地體的沖擊接地電阻和最大跨步電壓差距不大;當(dāng)土壤電阻率較大時,土壤的導(dǎo)電性下降,擊穿區(qū)域變大,不易于雷電流在土壤中散流。相同土壤電阻率下,立體均壓環(huán)形接地體的沖擊接地電阻比圓環(huán)形接地體的沖擊接地電阻至少可降低8.9%,最大跨步電壓可降低16.0%。在高土壤電阻率下,其降低幅度增大。

2.3 不同埋設(shè)深度對比分析

輸電走廊的緊張使得線路不得不向山區(qū)發(fā)展,山區(qū)輸電線路由于地形、地勢復(fù)雜,施工難度大,輸電線路桿塔接地體的埋設(shè)深度也不能隨意設(shè)置[30],需要根據(jù)當(dāng)時的條件,選擇一個最合適的埋設(shè)深度。設(shè)施加雷電流幅值10 kA,土壤電阻率500 Ω·m,埋設(shè)深度分別為0.5 m、0.8 m、1 m、1.5 m、2 m、3 m。選其中兩種情況的接地體周圍地電位升和跨步電壓三維立體圖進行分析,見圖10到圖13。

圖10 埋深0.5 m接地體周圍地電位升分布圖Fig.10 Distribution of ground potential rise around grounding body with buried depth of 0.5 m

圖11 埋深0.5 m接地體周圍跨步電壓分布圖Fig.11 Step voltage distribution around grounding body with buried depth of 0.5 m

圖12 埋深1.5 m接地體周圍地電位升分布圖Fig.12 Distribution map of ground potential rise around grounding body with buried depth of 1.5 m

圖13 埋深1.5 m接地體周圍跨步電壓分布圖Fig.13 Step voltage distribution around the ground body with buried depth of 1.5 m

從仿真結(jié)果可知,接地體埋設(shè)深度從0.5 m增加到1.5 m時,接地體周圍最大地電位升從391.520 kV下降到292.831 kV,下降了25.21%;最大跨步電壓從95.355 kV下降到43.762 kV,下降了54.11%。接地體埋設(shè)深度從2 m增加到3 m時,接地體周圍最大地電位升從252.033 kV下降到192.378 kV,下降了23.67%;跨步電壓從32.333 kV下降到19.284 kV,下降了40.36%。接地體周圍最大地電位升和最大跨步電壓都隨著接地體埋設(shè)深度的增大逐漸減小,且下降的比例逐漸減小。

通過仿真出來的接地體最大地電位升,能夠計算出沖擊接地電阻,并將其與最大跨步電壓繪成如圖14所示的折線圖,其中線A、B分別為接地體的沖擊接地電阻和最大跨步電壓隨埋設(shè)深度的變化曲線,這樣可以更直觀的看出變化情況。可以看出,增加接地體埋設(shè)深度能夠有效降低沖擊接地電阻和最大跨步電壓,但降低的幅度逐漸減小。通過以上分析,該接地體埋設(shè)深度選取1 m～1.5 m比較合適。

圖14 不同接地體埋設(shè)深度沖擊接地電阻和最大跨步電壓變化折線圖Fig.14 Broken line diagram of impact grounding resistance and maximum step voltage changes at different grounding depths

2.4 不同水平射線長度分析

在條件允許的情況下,可以在底部圓環(huán)周圍再引出若干輻射狀射線,以此來增加電流散流通道。本節(jié)設(shè)置射線長度為0 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m,其它因素一致,來對比分析接地體的沖擊特性。通過仿真得到見表2數(shù)據(jù),并將其繪制成折線圖,見圖15,其中線X、Y分別為接地體的沖擊接地電阻和最大跨步電壓隨射線長度的變化曲線。

表2 不同射線長度沖擊接地電阻和最大跨步電壓Table 2 Impulse grounding resistance and maximum step voltage of different ray lengths

圖15 不同射線長度沖擊接地電阻和最大跨步電壓變化折線圖Fig.15 Line graph of impact grounding resistance and maximum step voltage changes with different ray lengths

由圖15可知,隨著水平射線長度的增加,輸電線路桿塔接地體沖擊接地電阻和最大跨步電壓逐漸降低,當(dāng)射線長度達到一定數(shù)值時,沖擊接地電阻和最大跨步電壓逐漸趨于平緩。這是由于電感效應(yīng)的存在,使得雷電流無法再傳導(dǎo)至新增加的導(dǎo)體段,阻礙了雷電流向水平射線遠端泄流,射線長度得不到有效利用。本研究使用的接地體模型直徑為4 m,從圖15中仔細分析可知,當(dāng)水平射線長度小于4 m時,沖擊接地電阻和最大跨步電壓的下降速度逐漸增大;當(dāng)水平射線長度大于4 m時,沖擊接地電阻和最大跨步電壓的下降速度逐漸趨于平緩。

3 結(jié)論

1)立體均壓環(huán)結(jié)構(gòu)接地體,增加了散流面積,更加有效地使沖擊電流在大地均勻地擴散,從而降低了桿塔附近人員因跨步電壓所造成的觸電事故的發(fā)生。

2)不同土壤電阻率下,立體均壓環(huán)結(jié)構(gòu)接地體沖擊接地電阻和最大跨步電壓隨著其增大而增大,但其增大的幅度會逐漸減小。在高電阻率的環(huán)境下,該接地體比常規(guī)圓環(huán)形接地體的降阻和散流效果更加明顯。

3)通過以上分析,立體均壓環(huán)結(jié)構(gòu)接地體埋設(shè)深度選取1 m～1.5 m比較合適;由于水平射線存在有效長度,不宜設(shè)置的過長,該接地體水平射線的長度選取4 m左右最佳。

4)在條件允許的情況下,可將上述結(jié)論有效結(jié)合起來,以求達到更好的效果。