于 洋， 安韻竹， 劉興華， 咸日常， 曹 盈， 楊學(xué)杰

(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； 3. 河南盛煌電力設(shè)備有限公司，河南 南陽 473000)

0 引言

雷擊是造成輸電線路跳閘故障的主要自然因素之一，110 kV以上輸電線路絕緣子閃絡(luò)時(shí)發(fā)生反擊的概率較高，降低桿塔接地電阻是抑制塔頂過電壓的最常用措施[1-2]。由于輸電線路走廊長(zhǎng)度較長(zhǎng)，桿塔接地網(wǎng)多處在高山、丘陵地區(qū)，土壤層稀薄，土質(zhì)條件貧瘠，土壤電阻率高。有些輸電線路桿塔接地網(wǎng)接地電阻值往往數(shù)倍于接地電阻要求限值，使得雷擊風(fēng)險(xiǎn)概率較高[3]。由于輸電線路跨越不同的地形、地貌及地質(zhì)區(qū)域，桿塔接地網(wǎng)在不同區(qū)域無法采用統(tǒng)一的降阻策略進(jìn)行降阻。實(shí)際輸電線路桿塔接地網(wǎng)通常在原有接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上采用外延接地體，增大接地網(wǎng)的等效散流面積從而達(dá)到降阻效果，少數(shù)情況下，桿塔接地網(wǎng)采用垂直接地進(jìn)行接地降阻并起到一定的降阻效果[4-5]。

當(dāng)桿塔接地網(wǎng)處于地形條件特殊、施工面積有限并且垂直接地施工難度高時(shí)，通?？紤]輔助降阻材料如降阻劑、接地模塊等[6-8]。降阻劑存在易隨雨水或者地下水流失、降阻效率低、降阻效果易“反彈”等問題。而接地模塊作為一種常見的接地降阻措施，本質(zhì)上是將降阻劑“固化”，制備時(shí)一般內(nèi)芯仍采用鍍鋅鋼材，外敷層將石墨、炭黑、金屬粉末等與樹脂、水泥等固化劑進(jìn)行混合凝固，其電阻率一般為10-2～10 Ω·m[9-11]。接地模塊通過增大接地網(wǎng)與土壤的接觸面、降低局部介質(zhì)的電阻率以達(dá)到降阻目的。實(shí)際工程中，接地模塊降阻方法在包括特高壓等多個(gè)電壓等級(jí)的輸電線路桿塔接地網(wǎng)中得到應(yīng)用。但輸電線路桿塔接地工程采用接地模塊降阻施工缺少統(tǒng)一規(guī)范的指導(dǎo)，存在盲目施工、降阻效率低等問題。另外，一些接地工程過高估計(jì)了接地模塊的降阻效率，使得桿塔接地網(wǎng)后期維護(hù)成本過高[12-14]。

本文針對(duì)輸電線路桿塔接地網(wǎng)采用接地模塊降阻時(shí)的降阻效率及影響因素進(jìn)行仿真計(jì)算與理論分析，相關(guān)結(jié)論為輸電線路桿塔接地網(wǎng)降阻設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 一字型接地網(wǎng)降阻效率仿真

輸電線路桿塔一字型接地網(wǎng)作為輸電線路常見的接地類型，在實(shí)際輸電線路桿塔接地網(wǎng)改造時(shí)應(yīng)用較多。一字型接地網(wǎng)一般采用單根接地體連接塔腿并外延至低土壤電阻率區(qū)域，省去了單獨(dú)焊接的引下線，從而達(dá)到降阻的目的。本文針對(duì)一字型接地網(wǎng)采用接地模塊降阻時(shí)的降阻特性與影響因素進(jìn)行仿真計(jì)算。文中接地模塊規(guī)格是100 cm×60 cm×10 cm，仿真時(shí)等效為總厚度為10 cm的涂層，涂層電阻率設(shè)置為0.5 Ω·m。一字型接地網(wǎng)采用鍍鋅鋼接地材料，直徑為12 mm，電阻率ρ為1.92×10-6Ω·m，相對(duì)磁導(dǎo)率μr為636，接地網(wǎng)埋深取0.8 m，取均勻土壤電阻率為300 Ω·m。仿真時(shí)，分別將接地模塊敷設(shè)在接地體的單側(cè)與雙側(cè)，一字型接地網(wǎng)與接地模塊的連接方式如圖1所示。

圖1 一字型接地網(wǎng)與接地模塊的連接Fig.1 Connection of "—" shaped grounding grid and grounding module

在CDEGS軟件中分別建立接地模塊單側(cè)排布與雙側(cè)排布時(shí)的接地網(wǎng)模型，兩種接地形式采用相同的接地模塊間隔距離，得到不同間隔距離下接地模塊降阻效率如表1所示。

表1 單側(cè)與雙側(cè)排列時(shí)降阻效率對(duì)比Tab.1 Comparison of grounding module reduction efficiency between one side and two sides

由表1可知,接地模塊降阻效率隨著間隔距離的減小逐漸升高，但升高幅度逐漸變緩，說明接地模塊數(shù)量的逐漸增多并不能使接地電阻保持持續(xù)減小。原因是隨著接地模塊數(shù)量的增多，各接地體散流過程中因渦流效應(yīng)產(chǎn)生的感生磁場(chǎng)影響了相鄰接地體之間的電流密度分布，接地體之間的互感增大，相互之間的屏蔽效應(yīng)與鄰近效應(yīng)增強(qiáng)，接地體徑向截面上的有效散流面積減小，接地體向遠(yuǎn)端和深處散流的能力削弱，從而使得參與散流的等效接地面積減小，接地電阻降低幅度有限，降阻效率呈現(xiàn)出飽和趨勢(shì)。因此在實(shí)際輸電線路桿塔接地改造中應(yīng)盡量避免接地模塊排布過密。

由表1也可以看出，即使接地模塊之間的間隔達(dá)到2 m，此時(shí)的降阻效率仍然很低，說明實(shí)際輸電線路桿塔接地改造中依靠接地模塊增大與土壤的基礎(chǔ)面積，僅能夠改善有限區(qū)域內(nèi)的電阻率，降阻效果仍然有限。因此，建議實(shí)際工程中應(yīng)保持模塊間距大于2 m，并結(jié)合其他降阻方法，才能達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

此外，一字型接地網(wǎng)無論是采用單側(cè)排布還是雙側(cè)排布，接地模塊降阻效率的區(qū)別并不大，實(shí)際施工中可根據(jù)地形靈活施工。

2 方框射線型接地網(wǎng)降阻效率仿真

方框射線型接地網(wǎng)作為一種常見典型接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，一般在桿塔基礎(chǔ)根開外邊框的4個(gè)角上各加一條外延射線，與邊框的夾角為135°。方框射線型接地網(wǎng)同樣采用鍍鋅鋼接地材料，直徑為10 mm，電阻率ρ為1.92×10-6Ω·m，相對(duì)磁導(dǎo)率μr為636，接地網(wǎng)埋深取0.8 m。方框部分接地體長(zhǎng)度為12 m，射線部分接地體長(zhǎng)15 m，土壤電阻率設(shè)置為300 Ω·m。接地模塊的敷設(shè)方式如圖2所示。

圖2 方框射線型接地網(wǎng)不同接地模塊敷設(shè)方式Fig.2 Grounding module of square belt-shaped grounding grid

仿真按照?qǐng)D2中方框射線型接地網(wǎng)敷設(shè)方式，分別將接地模塊敷設(shè)在邊框與射線處，得到5種施工方式下的降阻效率對(duì)比情況如表2所示。

表2 方框帶射線接地網(wǎng)不同排布方式降阻效率對(duì)比Tab.2 Comparison of reduction efficiency of different arrangement methods of square belt-shaped grounding grid

由表2可知，方框射線型接地網(wǎng)采用的接地模塊數(shù)量有限時(shí)，將接地模塊放置在射線上的降阻效率優(yōu)于放置在邊框上。此外，對(duì)比圖2中的方式4和方式5可知：當(dāng)接地模塊敷設(shè)射線末端時(shí)，有益于降低桿塔接地電阻。其原因是當(dāng)接地網(wǎng)采用方框射線型接地網(wǎng)時(shí)，接地網(wǎng)中心方框處的導(dǎo)體數(shù)量密集，接地體之間的屏蔽效應(yīng)較大，接地模塊敷設(shè)于方框處時(shí)的散流效率較低，因此實(shí)際施工時(shí)應(yīng)優(yōu)先將接地模塊敷設(shè)在射線末端，從而減少導(dǎo)體之間的屏蔽效應(yīng)。

3 土壤電阻率對(duì)接地模塊降阻特性的影響

針對(duì)接地網(wǎng)處于不同土壤條件時(shí)接地模塊的降阻效率進(jìn)行計(jì)算分析，仿真時(shí)取典型方框射線型接地網(wǎng)的邊框長(zhǎng)度為12 m，射線長(zhǎng)度為15 m，僅在方框射線型接地網(wǎng)的4條射線末端各敷設(shè)1個(gè)接地模塊，其他仿真參數(shù)與前文一致，得到不同土壤電阻率下的仿真計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同土壤電阻率下接地模塊降阻效率Tab.3 The resistivity reduction efficiency of grounding module under different soil resistivity

由表3可以看出，雖然接地網(wǎng)在不同土壤電阻率條件下的接地電阻差距比較大，但接地模塊的降阻效率變化并不高，僅在高土壤電阻率下數(shù)值上略高，說明土壤條件是決定桿塔接地電阻的最主要因素。進(jìn)一步地，增加接地模塊使用數(shù)量，同時(shí)在接地網(wǎng)的每根接地體上敷設(shè)接地模塊，仿真分別取各接地模塊之間的距離為5 m和0.5 m，得到各間距的降阻效率并與表3數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 土壤電阻率對(duì)接地模塊降阻特性的影響Fig.3 The effect of soil resistivity on the resistance reduction characteristics of ground modules

由圖3可知，接地模塊排布方式相同時(shí)，不同土壤電阻率下接地模塊的降阻效率η幾乎一致，無明顯變化。同一土壤電阻率條件下，接地模塊使用數(shù)量增多能提高接地模塊的整體降阻效率，但整體效率值仍然有限，即使接地模塊使用量達(dá)到理論上的最大值，接地網(wǎng)的整體降阻效率仍然在25%以下，與一字型接地網(wǎng)的仿真結(jié)論一致。

4 土壤結(jié)構(gòu)對(duì)接地模塊降阻特性的影響

實(shí)際工程中接地模塊長(zhǎng)度一般為0.8～1.5 m，對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的接地模塊宜采用垂直布置方式，本文針對(duì)接地模塊布置方式與土壤層的相互關(guān)系進(jìn)行仿真計(jì)算。在研究土壤分層對(duì)接地模塊降阻效率η的影響時(shí)，分兩種情況，即接地模塊還未接觸深層的低電阻率土壤和接地模塊已經(jīng)觸及深層的低電阻率土壤。

本文在仿真時(shí)首先計(jì)算均勻土壤條件下，土壤電阻率為1000 Ω·m；然后將土壤設(shè)置為兩層，上層電阻率為1000 Ω·m，厚度為2 m，接地模塊底端長(zhǎng)度為1.8 m(包含接地溝埋深0.8 m)，下層土壤設(shè)置為500 Ω·m和300 Ω·m。接地模塊設(shè)置方式仍然為射線末端、間隔5 m和間隔0.5 m，比較3種情況下的降阻效率η，如圖4所示。

圖4 未觸及底層土壤時(shí)降阻效率對(duì)比Fig.4 Comparison of resistance reduction efficiency without touching bottom soil

由圖4可知，以同樣的排布方式使用接地模塊時(shí)，在土壤分層且下層土壤電阻率較低時(shí)，接地模塊的降阻效率η會(huì)提高，且下層土壤電阻率越低，降阻效率η就越高。進(jìn)一步研究接地模塊觸及深層低電阻率土壤時(shí)接地模塊的降阻效率η。設(shè)置接地模塊埋深為2.2 m，此時(shí)接地模塊底層末端觸及底層低電阻率土壤層，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 接地模塊觸及底層土壤時(shí)降阻效率對(duì)比Tab.4 Comparison of resistance reduction efficiency touching with bottom soil

由表4可知，接地模塊觸及底層較低電阻率的土壤層時(shí)，接地電阻降低明顯，降阻效率相比未觸及底層土壤層時(shí)降低明顯，二者具體對(duì)比情況如圖5所示。

圖5 土壤結(jié)構(gòu)對(duì)接地模塊降阻特性的影響Fig.5 The influence of soil structure on the drag reduction characteristics of grounding modules

由圖5可知，接地模塊觸及底層土壤時(shí)，接地模塊起到垂直接地作用，有利于桿塔接地網(wǎng)降阻。但實(shí)際接地施工時(shí)，考慮到垂直接地施工相對(duì)成本較高，在接地改造施工時(shí)應(yīng)盡可能精確勘探土壤電阻率與土質(zhì)分層結(jié)構(gòu)，按照地質(zhì)條件設(shè)置接地模塊敷設(shè)方式。

由以上分析可知，桿塔接地網(wǎng)采用接地模塊時(shí)的降阻效率與其敷設(shè)位置、排布間隔距離、接地網(wǎng)面積等因素有直接關(guān)系，接地施工應(yīng)該充分考慮接地導(dǎo)體屏蔽作用，實(shí)際工程中盲目依靠增加接地模塊敷設(shè)密度降低接地電阻并不可取。一般情況下，接地模塊宜遵循以下原則：如果表層1 m深度內(nèi)的土壤濕潤(rùn)，蓄水能力強(qiáng)，可按照接地規(guī)程敷設(shè)在0.6～0.8 m深度；若在1～2 m深度內(nèi)有明顯的地下水，敷設(shè)時(shí)宜將接地模塊觸及到濕潤(rùn)土壤區(qū)域。此外，施工時(shí)，宜將接地模塊敷設(shè)在接地體的端部，尤其是接地體的尾端，同時(shí)，建議相鄰接地體使用模塊的最小間隔大于2 m，從而減小接地模塊之間的屏蔽效應(yīng)，避免材料與施工費(fèi)用的浪費(fèi)。此外，還應(yīng)根據(jù)接地網(wǎng)實(shí)際施工及地質(zhì)條件，采用綜合降阻策略，從而達(dá)到理想防雷降阻效果。

5 結(jié)語

本文采用CDEGS軟件對(duì)輸電線路桿塔接地網(wǎng)采用接地模塊降阻時(shí)的降阻效率與影響因素進(jìn)行仿真計(jì)算，得到規(guī)律性的結(jié)論如下：

(1) 一字型接地網(wǎng)采用接地模塊降阻時(shí)，接地電阻隨著使用量的增多逐漸減小，但降阻效率逐漸變緩，呈現(xiàn)出飽和趨勢(shì)。接地模塊數(shù)量的逐漸增多并不能使得接地電阻保持持續(xù)減小。

(2) 方框射線型接地網(wǎng)將接地模塊放置在射線上的降阻效率優(yōu)于放置在邊框上，并且射線在連接接地網(wǎng)時(shí)，優(yōu)先將模塊放置在射線末端，從而減少導(dǎo)體之間的屏蔽效應(yīng)。

(3) 接地模塊在不同土壤電阻率條件下的降阻效率差別不大。

(4) 當(dāng)土壤分層結(jié)構(gòu)且底層電阻率較低時(shí)，接地模塊觸及底層土壤可以起到垂直接地作用，有利于桿塔接地網(wǎng)降阻。

本文相關(guān)研究結(jié)論可為實(shí)際輸電線路桿塔接地網(wǎng)接地設(shè)計(jì)、材料選型及降阻改造提供參考。