特高壓輸電線路桿塔灌注樁接地散流結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算研究

摘 要：在特高壓輸電線路桿塔灌注樁外表面敷設(shè)一層柔性石墨材料，將其作為接地散流裝置，可顯著提高桿塔的自然接地散流性能，從而減少雷擊對(duì)電力設(shè)備的危害。在此次研究中設(shè)計(jì)3種外敷接地散流結(jié)構(gòu)，分別為籠式、單螺旋式、雙螺旋式，將散流系數(shù)和降阻效率作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用COMSOL軟件模擬不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的散流接地性能。研究結(jié)論如下：增加垂直接地體數(shù)量和水平接地體匝數(shù)可提高籠式結(jié)構(gòu)散流裝置的性能，增加螺旋式結(jié)構(gòu)的匝數(shù)能夠提高接地散流性能。

關(guān)鍵詞：特高壓輸電線路；桿塔灌注樁；接地散流結(jié)構(gòu)；仿真計(jì)算

中圖分類號(hào)：TM 862；TM 75 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在傳統(tǒng)的技術(shù)方案下，通過(guò)在特高壓輸電桿塔樁基外側(cè)敷設(shè)水平接地網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備接地保護(hù)。柔性石墨材料具有良好的導(dǎo)電性，將其敷設(shè)在桿塔灌注樁外側(cè)，形成一層柔性接地裝置，可替代傳統(tǒng)的接地保護(hù)措施，達(dá)到降低施工難度和成本的目的。外敷接地散流裝置的性能與其結(jié)構(gòu)形式存在密切的關(guān)聯(lián)，研究過(guò)程設(shè)計(jì)了3種接地散流結(jié)構(gòu)，改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)，模擬不同結(jié)構(gòu)下的散流系數(shù)和降阻效率，通過(guò)對(duì)比確定最經(jīng)濟(jì)的接地散流結(jié)構(gòu)，為此類技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 特高壓輸電線路桿塔灌注樁接地散流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

桿塔灌注樁接地散流結(jié)構(gòu)的作用為增強(qiáng)桿塔基礎(chǔ)的自然接地散流效果，即當(dāng)桿塔遭受雷擊時(shí)，通過(guò)散流結(jié)構(gòu)將雷電導(dǎo)入地下。傳統(tǒng)的技術(shù)方案是在桿塔基礎(chǔ)外圍設(shè)置水平接地體，例如接地圓鋼、接地扁鋼，同時(shí)將接地引下線連接在接地體上[1]。在此次研究中，采用柔性石墨新型接地材料，將柔性石墨以外敷的方式包裹在灌注樁混凝土基礎(chǔ)外層，通過(guò)其良好的導(dǎo)電特性增強(qiáng)桿塔的接地散流性能。與傳統(tǒng)方案相比，其成本更低。

根據(jù)桿塔灌注樁的幾何特征，提出3種結(jié)構(gòu)形式的柔性石墨外敷接地散流模型，分別為籠式接地裝置、單螺旋體接地裝置、雙螺旋體接地裝置[2]。以籠式接地裝置為例，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，垂直方向?yàn)?根柔性石墨導(dǎo)體，單根導(dǎo)體的長(zhǎng)度為5.5m。水平方向?yàn)?個(gè)環(huán)形的柔性石墨接地體，其半徑為0.5m。單螺旋接地體模型僅包括1根柔性石墨接地體，螺旋部分為10匝。雙螺旋體接地模型由2根柔性石墨接地體組成，每1根均包括5匝螺旋結(jié)構(gòu)。

2 特高壓輸電線路桿塔灌注樁接地散流結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算

2.1 外敷接地散流裝置性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了篩選最佳的柔性石墨外敷接地散流裝置結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式的性能，相應(yīng)的性能指標(biāo)為散流系數(shù)和降阻率[3]，如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：ζ為散流系數(shù)；I為外敷柔性石墨接地裝置的散流；I0為總?cè)氲仉娏鞣?；μ為降阻效率；R0為未敷設(shè)石墨降阻材料之前的桿塔基礎(chǔ)接地電阻值；R為敷設(shè)柔性石墨材料后的接地電阻。

電阻值R0如公式（3）所示。

（3）

式中：Lr為垂直接地極的長(zhǎng)度；ρ為土壤的電阻率；ρc為混凝土的電阻率；D為混凝土外殼的直徑；d為接地導(dǎo)體的直徑。

2.2 單體桿塔灌注樁籠式接地散流結(jié)構(gòu)性能仿真計(jì)算

2.2.1 籠式接地散流結(jié)構(gòu)散流性能仿真分析

籠式接地散流裝置的主體結(jié)構(gòu)分為垂直導(dǎo)體和水平導(dǎo)體，其散流性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)為散流系數(shù)，仿真過(guò)程分別改變垂直導(dǎo)體和水平導(dǎo)體的數(shù)量，觀察變量因素對(duì)散流系數(shù)的影響[4]。

2.2.1.1 籠式接地散流結(jié)構(gòu)垂直接地體數(shù)量對(duì)散流系數(shù)的影響

將水平導(dǎo)體的匝數(shù)設(shè)置為2匝，土壤電阻率設(shè)置為4種取值，分別為500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m，籠式接地散流結(jié)構(gòu)垂直導(dǎo)體的數(shù)量分別設(shè)置為1根、2根、3根、4根、5根。利用COMSOL軟件模擬不同條件下的散流系數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

從模擬數(shù)據(jù)可知，當(dāng)水平導(dǎo)體匝數(shù)和土壤電阻率保持不變時(shí)，隨著垂直接地體數(shù)量增加，散流系數(shù)均呈上升趨勢(shì)。另外，當(dāng)垂直接地體數(shù)量較少（1根～3根）時(shí)，散流系數(shù)的增長(zhǎng)速度較快；當(dāng)垂直接地體的數(shù)量較多時(shí)，散流系數(shù)的增長(zhǎng)速度明顯變慢。因此，增加垂直接地體數(shù)量有利于提高籠式柔性石墨接地散流裝置的散流性能，達(dá)到一定數(shù)量后，散流系數(shù)增幅明顯減緩，直至達(dá)到最大值[5]。

2.2.1.2 籠式接地散流結(jié)構(gòu)水平接地體匝數(shù)對(duì)散流系數(shù)的影響

將垂直接地體的數(shù)量設(shè)置為4個(gè)，土壤電阻率分別設(shè)置為500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m。在同一種土壤電阻率下，將籠式接地散流結(jié)構(gòu)水平接地體匝數(shù)分別設(shè)置為1匝、2匝、3匝、5匝、7匝、9匝，模擬不同條件下的散流系數(shù)，結(jié)果見表1。從仿真數(shù)據(jù)可知，當(dāng)垂直接地體數(shù)量和土壤電阻率保持不變時(shí)，散流系數(shù)與水平接地體的匝數(shù)呈正相關(guān)，即匝數(shù)越多，散流系數(shù)越大。

2.2.1.3 垂直接地體數(shù)量和水平接地體匝數(shù)影響程度對(duì)比

在4種土壤電阻率下，垂直接地體數(shù)量保持不變，水平接地體匝數(shù)從1提至9，散流系數(shù)增量分別為5.8%、6.4%、8.6%、9.1%。在4種土壤電阻率下，水平接地體匝數(shù)保持不變，垂直接地體數(shù)量從1提至5，散流系數(shù)增量分別達(dá)到47.2%、44.9%、44.6%、41.8%。顯然，垂直接地體數(shù)量對(duì)散流系數(shù)的促進(jìn)作用強(qiáng)于水平接地體匝數(shù)。

2.2.2 籠式接地散流結(jié)構(gòu)降阻效率仿真分析

2.2.2.1 籠式接地散流結(jié)構(gòu)垂直接地體數(shù)量對(duì)降阻效率的影響

將水平接地體的匝數(shù)設(shè)置2匝，土壤電阻率分別取值為500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m。在水平接地體匝數(shù)和土壤電阻率保持不變的情況下，將垂直接地體數(shù)量分別設(shè)置為1根、2根、3根、4根、5根，模擬降阻效率的變化情況，結(jié)果如圖3所示。

從仿真數(shù)據(jù)可知，在水平接地體匝數(shù)和土壤電阻率保持不變的情況下，增加垂直接地體的數(shù)量，可大幅提高籠式柔性石墨接地散流裝置的降阻效率。在垂直接地導(dǎo)體數(shù)量較少的情況下，觀察曲線的斜率，降阻效率的增長(zhǎng)速度較快[6]。在垂直接地導(dǎo)體數(shù)量較多的情況下，降阻效率的增速變緩。

2.2.2.2 籠式接地散流結(jié)構(gòu)水平接地體匝數(shù)對(duì)降阻效率的影響

將垂直接地體數(shù)量設(shè)置為4根，土壤電阻率按照500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m梯度提高，水平接地體匝數(shù)分別設(shè)置為1匝、2匝、3匝、5匝、7匝、9匝，在垂直接地體數(shù)量和土壤電阻率保持不變的條件下，模擬水平接地體匝數(shù)對(duì)降阻效率的影響，結(jié)果見表2。

從仿真數(shù)據(jù)可知，隨著水平接地體匝數(shù)提高，降阻效率呈增加的趨勢(shì)，但增幅非常小，說(shuō)明水平接地體匝數(shù)對(duì)降阻效率的影響較小[7]。

2.2.2.3 垂直接地體數(shù)量和水平接地體匝數(shù)影響程度對(duì)比

在水平接地體匝數(shù)保持不變的情況下，將土壤分辨率設(shè)置為500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m，當(dāng)垂直接地體數(shù)量從1根增至5根時(shí)，根據(jù)圖3可知，4種土壤電阻率降阻效率的增量分別為15.3%、16.5%、13.6%、10.1%。在垂直接地體數(shù)量保持不變的情況下，將土壤分辨率設(shè)置為500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m，當(dāng)水平接地體匝數(shù)從1匝提至9匝，根據(jù)表2可知，4種土壤電阻率對(duì)應(yīng)的降阻效率增量分別為3.8%、3.7%、3.7%、3.5%?？梢?，垂直接地體數(shù)量對(duì)降阻效率的影響程度高于水平接地體匝數(shù)。

2.3 單體桿塔灌注樁螺旋式接地散流結(jié)構(gòu)性能仿真計(jì)算

2.3.1 螺旋接地散流結(jié)構(gòu)散流性能仿真分析

2.3.1.1 匝數(shù)對(duì)單螺旋式散流裝置散流系數(shù)的影響

將單螺旋式散流裝置的匝數(shù)設(shè)置為7匝、9匝、12匝、15匝、18匝、21匝，在4種不同的土壤電阻率下，散流系數(shù)的模擬結(jié)果見表3。從仿真數(shù)據(jù)可知，隨著匝數(shù)增加，散流系數(shù)呈上升趨勢(shì)，當(dāng)匝數(shù)為18匝時(shí)，散流系數(shù)基本達(dá)到最大值。因此，單螺旋式散流裝置的匝數(shù)不應(yīng)超過(guò)18匝，否則會(huì)造成柔性石墨材料浪費(fèi)。

2.3.1.2 匝數(shù)對(duì)雙螺旋式散流裝置散流系數(shù)的影響

將雙螺旋式散流裝置的匝數(shù)設(shè)置為2匝、3匝、5匝、7匝、9匝、11匝，在4種不同的土壤電阻率下，散流系數(shù)的模擬結(jié)果見表4。從仿真數(shù)據(jù)可知，在雙螺旋式散流裝置中，隨著匝數(shù)增加，散流系數(shù)持續(xù)增大，并且在仿真范圍內(nèi)，散流系數(shù)的增速基本一致，未達(dá)到最大值。

2.3.2 螺旋接地散流結(jié)構(gòu)降阻效率仿真分析

2.3.2.1 匝數(shù)對(duì)單螺旋式散流裝置降阻效率的影響

將匝數(shù)設(shè)置為7匝、9匝、12匝、15匝、18匝、21匝，在500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m4種土壤電阻率條件下模擬單螺旋式柔性石墨散流裝置的降阻效率，結(jié)果見表5。從仿真數(shù)據(jù)可知，隨著匝數(shù)增加，降阻效率呈上升的趨勢(shì)，并且增速先快后慢。當(dāng)匝數(shù)較大時(shí)，降阻效率基本不再提高。

2.3.2.2 匝數(shù)對(duì)雙螺旋式散流裝置降阻效率的影響

將匝數(shù)設(shè)置為2匝、3匝、5匝、7匝、9匝、11匝，在4種土壤電阻率條件下模擬雙螺旋式柔性石墨散流裝置的降阻效率，結(jié)果見表6。從仿真數(shù)據(jù)可知，隨著螺旋結(jié)構(gòu)匝數(shù)增加，降阻效率呈提高的趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

在高壓輸電線桿塔灌注樁外側(cè)敷設(shè)一層柔性石墨材料，可增強(qiáng)桿塔的散流接地性能。為了探究外敷散流接地裝置的結(jié)構(gòu)對(duì)散流性能的影響，在此次研究中提出3種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，包括籠式散流裝置、單螺旋式散流裝置、雙螺旋式散流裝置，通過(guò)仿真分析探究最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，針對(duì)研究?jī)?nèi)容，做以下討論。

針對(duì)籠式散流裝置，增加垂直接地體的數(shù)量或者水平接地體的匝數(shù)，均可提高散流系數(shù)和降阻效率，并且垂直接地體對(duì)散流性能的促進(jìn)作用更突出。原因在于提高垂直接地體的數(shù)量可增加電流通路，從而增強(qiáng)散流接地效果。另外，當(dāng)垂直接地體數(shù)量和水平接地體匝數(shù)增至一定程度時(shí)，散流接地性能達(dá)到飽和。

針對(duì)單體式螺旋結(jié)構(gòu)和雙體式螺旋結(jié)構(gòu)的散流裝置，增強(qiáng)螺旋體的匝數(shù)可顯著增強(qiáng)散流系數(shù)，但對(duì)降阻效率的影響相對(duì)較小。當(dāng)螺旋結(jié)構(gòu)的匝數(shù)增至一定程度時(shí)，散流系數(shù)和降阻效率趨近于最大值。因此，可根據(jù)散流性能峰值確定合理的匝數(shù)設(shè)置范圍。

對(duì)比3種結(jié)構(gòu)的散流系數(shù)，籠式結(jié)構(gòu)和雙螺旋式結(jié)構(gòu)的理論峰值較大，以土壤電阻率為1000Ω·m為例，其散流系數(shù)均可超過(guò)70%，單體螺旋式結(jié)構(gòu)散流系數(shù)上限較低，約為60%。因此，在工程實(shí)踐中，推薦采用籠式結(jié)構(gòu)或者雙體螺旋式結(jié)構(gòu)。

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