王思捷 黃 松 趙海龍

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 ?？?570311）

（2.海南省電網(wǎng)理化分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ?？?570311）

1 引言

桿塔接地電極的作用主要在于泄放雷電流，其雷電沖擊下的特性最能反映出性能特征，仿真研究是一種有效的研究手段。在桿塔接地電極沖擊特性的仿真研究中，比較準(zhǔn)確的一種方法是利用CDEGS軟件對(duì)桿塔沖擊接地電阻及散流分布進(jìn)行仿真計(jì)算［1～3］。仿真計(jì)算過程中，土壤非線性電離因素會(huì)對(duì)仿真結(jié)果造成較大影響，同時(shí)，接地電極的材料、埋深及降阻劑、仿真時(shí)沖擊電流波形及波形注入的位置等諸多因素都會(huì)影響仿真結(jié)果，因而需要進(jìn)一步深入研究。且未見文章就仿真結(jié)果進(jìn)而研究對(duì)實(shí)際的接地電極的優(yōu)化改進(jìn)措施，接地電極的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施方面的研究不多［4～6］。

鑒于國內(nèi)外文獻(xiàn)中對(duì)桿塔接地電極在雷電沖擊下的散流分布研究存在諸多不足之處，本文以CDEGS軟件為仿真平臺(tái)，搭建了基于實(shí)際尺寸的接地電極模型，并且考慮了土壤非線性電離等因素影響，深入分析研究了接地電極的散流分布，并根據(jù)仿真結(jié)果提出了接地電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

2 接地電極仿真模型

2.1 接地電極仿真模型介紹

沖擊電流經(jīng)過桿塔接地電極向土壤散流時(shí)，接地電極周圍的土壤會(huì)形成不同程度的電離區(qū)域，以接地電極為中心向外，根據(jù)電離程度依次分為電弧區(qū)、火花放電區(qū)和半導(dǎo)體區(qū)［7～8］，更遠(yuǎn)的區(qū)域電導(dǎo)率恒定，土壤電離后根據(jù)電導(dǎo)率的分區(qū)如圖1所示。

圖1 以接地電極為中心向外土壤電離區(qū)域示意圖

由于沖擊電流向土壤散流時(shí)的電離作用，各區(qū)域的土壤電阻率會(huì)發(fā)生不同程度的變化。其中，電弧放電區(qū)電阻率將近降低為零，火花放電區(qū)電阻率也大幅降低，數(shù)值極低，因此這兩個(gè)區(qū)域的電壓降較小，可以忽略。因而這兩部分區(qū)域可以看做接地極等效半徑的擴(kuò)增。根據(jù)電磁場理論經(jīng)推導(dǎo)可得電離區(qū)域等效半徑的計(jì)算式：

從式（1）可以看出，導(dǎo)體的等效半徑與導(dǎo)體自身承受的電流大小正相關(guān)。沖擊電流以接地極為中心向外散流時(shí)，不同區(qū)域的散流程度不同，因此各區(qū)域的等效半徑也不同。因而可將接地極分段等效，等效模型見圖2。計(jì)算各區(qū)域等效圓柱體的半徑時(shí)，I取注入導(dǎo)體段的散流電流的峰值。

基于CDEGS軟件計(jì)算接地極的沖擊特性時(shí)，將導(dǎo)體分段等效，并利用迭代原理求得等效半徑。利用CDEGS采用迭代計(jì)算的方法計(jì)算接地極的沖擊散流分布，每次計(jì)算時(shí)迭代計(jì)算相鄰兩次等效半徑之差，使兩者的絕對(duì)值滿足精度要求即可。

圖2 接地極仿真模型設(shè)計(jì)

本文仿真計(jì)算采用的雷電流模型是雙指數(shù)函數(shù)來表示。我國規(guī)程推薦的防雷計(jì)算波形參數(shù)為2.6/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形［9～10］，如圖3所示。

圖3 2.6/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形

在SESCAD軟件中搭建接地極的三維仿真模型，如圖4所示。

圖4 三維接地極仿真模型

2.2 接地電極模型沖擊散流計(jì)算

本文以文獻(xiàn)［11］中的沖擊散流真型試驗(yàn)為參考，來驗(yàn)證搭建仿真模型的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)［11］中的沖擊試驗(yàn)排布如圖5所示，試驗(yàn)中在地平面0.6m以下埋入半徑為6mm長為15m的單根水平接地極；試驗(yàn)中的土壤電阻率為29Ω·m；試驗(yàn)時(shí)，分別在單端注入幅值為3.8kA和10.2kA的電流波形為2.6/50μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電流沖擊波形。

圖5 參考文獻(xiàn)中的真型試驗(yàn)布置圖

本次仿真采用與文獻(xiàn)相同的試驗(yàn)條件以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，分別仿真了未考慮土壤周圍區(qū)域電離與考慮土壤周圍區(qū)域電離的兩種情況，基于此分別計(jì)算了注入電流幅值為3.8kA及10.2kA時(shí)導(dǎo)體不同段的散流比以做對(duì)比。最終仿真結(jié)果與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 仿真結(jié)果與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表中數(shù)據(jù)可以看出，考慮土壤電離與未考慮土壤電離時(shí)，仿真得出的導(dǎo)體各段的散流比顯然有差別；當(dāng)未考慮土壤電離時(shí)，仿真與試驗(yàn)結(jié)果中的導(dǎo)體首末端散流比重差異十分顯著；當(dāng)導(dǎo)體首端注入電流幅值越大時(shí)，各種誤差就越明顯。當(dāng)電流幅值Im為3.8kA時(shí)，與試驗(yàn)值相比，仿真得到的導(dǎo)體段首端散流比誤差為23.6%，末端散流比誤差為25.7%；當(dāng)電流幅值Im為10.2kA時(shí)，與試驗(yàn)值相比，仿真得到的導(dǎo)體段首端散流比誤差為27.9%，末端散流比誤差為44.2%。

在考慮土壤電離情況時(shí)，計(jì)算得出的導(dǎo)體沖擊電流分布與文獻(xiàn)中實(shí)際試驗(yàn)得到的散流分布結(jié)果基本吻合，同時(shí)仿真計(jì)算得出的散流比重結(jié)果與試驗(yàn)值相比也基本一致，誤差較小。鑒于文獻(xiàn)中的試驗(yàn)本身也會(huì)存在一定的誤差，基本可以認(rèn)為本文建立的考慮土壤電離情況下的接地極仿真計(jì)算模型計(jì)算出的結(jié)果契合實(shí)際，在計(jì)算接地極散流分布的結(jié)果上具備良好的可靠性。

3 實(shí)際尺寸接地電極沖擊散流分布仿真分析

本文計(jì)算四種實(shí)際尺寸接地電極的沖擊散流分布。欲計(jì)算各段導(dǎo)體的散流比重，先將導(dǎo)體均勻分段。接地電極形狀、尺寸、分段方式如圖6所示。取土壤電阻率500Ω·m，接地極埋深為0.8m，向接地極注入幅值為20kA的標(biāo)準(zhǔn)雷電流波，分別仿真計(jì)算四種接地導(dǎo)體各段的首末端電流值，進(jìn)而計(jì)算得到接地極導(dǎo)體各段的散流百分比。

圖6 四種放射型接地極

計(jì)算結(jié)果如圖7所示，圖7中（a）～（d）分別對(duì)應(yīng)圖6中（a）～（d）接地極的沖擊散流分布。

由圖7可以看出，四種放射型接地極的沖擊散流分布相似，不同之處在于散流比重略有不同。導(dǎo)體AB各段的散流比重呈拱形狀先增后減，其首段導(dǎo)體散流比重最低，中部導(dǎo)體最大。造成該結(jié)果的原因在于，屏蔽效應(yīng)對(duì)導(dǎo)體A端的影響大于導(dǎo)體B端，而AB端中部的導(dǎo)體受影響相對(duì)最小。對(duì)于水平射線導(dǎo)體BC，其各段散流比重隨對(duì)B點(diǎn)距離的增加總體呈先緩速平滑增加后快速增加，至C端比重達(dá)到最大，其原因在于隨著對(duì)B端距離的增加，屏蔽效應(yīng)對(duì)導(dǎo)體段的散流影響愈來愈弱，同時(shí)在靠近C端時(shí)，端部效應(yīng)的影響愈來愈強(qiáng)，靠近C端的導(dǎo)體段散流比重在二者影響的共同作用下迅速增加。同時(shí)，相對(duì)于AB段，導(dǎo)體BC段的總散流比重要高的多，即單位長度的BC段導(dǎo)體散流效率顯著高于AB段；圖7（d）中BD導(dǎo)體散流分布與BC導(dǎo)體類似。

由此可知，在既定條件下，對(duì)上述幾種不同形狀的放射型接地極，由于端部效應(yīng)和屏蔽效應(yīng)的共同影響，以及中部方框?qū)w的長度遠(yuǎn)小于水平射線的長度，導(dǎo)致中部方框?qū)w的散流能力遠(yuǎn)低于水平射線。同時(shí)，對(duì)于水平射線，由于末端火花效應(yīng)強(qiáng)，使得端部效應(yīng)突出，這導(dǎo)致水平射線后半段散流比重高于其前半段。進(jìn)一步地，對(duì)于水平放射型接地極，若在其中部方框上添加短導(dǎo)體，即便有端部效應(yīng)提升散流能力，但也會(huì)因屏蔽效應(yīng)削弱散流能力，綜合作用使得散流能力依然較差。因此，若要對(duì)水平放射型接地極進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高散流能力，在水平射線上添加端部導(dǎo)體比在中部方框上要效果好。

圖7 四種放射型接地極沖擊散流分布

4 接地電極優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)以上對(duì)接地電極的研究可知，端部效應(yīng)對(duì)接地電極的沖擊散流分布有較大影響。本文擬從以下幾個(gè)方面出發(fā)探討改善接地電極散流效率的方法：一是增強(qiáng)端部效應(yīng)，二是增加散流通道。以上方法旨在提高散流水平，減小屏蔽效應(yīng)的影響。

文獻(xiàn)表明，當(dāng)土壤電阻率較高時(shí)，常規(guī)接地電極的接地電阻值不能有效滿足桿塔接地要求［12～15］，本文對(duì)常見水平放射型接地電極進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以圖6（a）放射型接地電極為基礎(chǔ)提出兩種改進(jìn)型，如圖8所示。兩種改進(jìn)型接地極設(shè)置短導(dǎo)體的位置一致，分別在射線末端和間隔10m處，末端均增設(shè)一個(gè)夾角為120°、長度為4m的短導(dǎo)體，兩種改進(jìn)的接地極在10m處設(shè)置的短導(dǎo)體均長4m，布置方式有所不同，改進(jìn)型1是水平布置，改進(jìn)型2是垂直布置。

圖8 水平放射型接地電極改進(jìn)型

以下采用CDEGS仿真驗(yàn)證改進(jìn)型接地電極的效果。設(shè)置沖擊電流為標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形（2.6/50μs），土壤電阻率為1000Ω·m，取沖擊電流幅值Im為10kA～100kA時(shí)，分別計(jì)算常規(guī)型和改進(jìn)型接地極的沖擊接地電阻值Rch。仿真結(jié)果如圖9所示。由圖可知，當(dāng)Im增加時(shí)，Rch單調(diào)遞減；Im相同時(shí)，改進(jìn)型接地電極的效果顯著優(yōu)于常規(guī)型，且改進(jìn)型2優(yōu)于改進(jìn)型1。

圖9 沖擊接地電阻值比較

5 桿塔接地電極實(shí)例分析

基于CDEGS仿真計(jì)算方法，對(duì)某實(shí)際工程中的桿塔接地電極實(shí)例進(jìn)行了分析。實(shí)際接地電極的基本型式如圖10（a）所示，方形接地體邊長為15m，放射形水平接地體的長度為18m。同時(shí)設(shè)計(jì)了兩個(gè)改進(jìn)方案，改進(jìn)方案1如圖10（b）所示，在基本型式的基礎(chǔ)上其放射形水平接地極上每隔3m設(shè)置一根垂直于它的長度為2m的短接地體，在放射形接地體兩側(cè)水平向外延伸1m；改進(jìn)方案2如圖10（c）所示，在放射形水平接地極上每隔3m設(shè)置一根長度為1m的垂直短接地體。雷電流從方形接地體的四個(gè)頂點(diǎn)注入，雷電流波形仍為2.6/50μs，幅值分別為10kA、20kA、30kA、40kA、50kA。取土壤電阻率為100Ω·m，分別計(jì)算了三種情況的接地電極在雷電流作用下的電位升高和沖擊接地電阻值。

電極型式在不同幅值的雷電流作用下的電位升高如圖11所示。

由仿真計(jì)算數(shù)據(jù)及圖11所示的仿真結(jié)果可以看出，相對(duì)于接地電極的基本型式，兩種改進(jìn)方案的接地電極在不同幅值的雷電流作用下，電位升高都有降低的趨勢，并且沖擊接地電阻的計(jì)算值分別為2.28Ω、2.16Ω、2.14Ω，說明兩種改進(jìn)方案比基本型式的沖擊接地性能都有所改善。對(duì)比兩種改進(jìn)方案的仿真結(jié)果可以看出，電位升高和沖擊接地電阻都很接近，說明兩種方案對(duì)于改善接地電極沖擊性能的作用基本相同，放射線上加垂直接地體的情況電位升高和沖擊接地電阻值最小，與基本型式的差別超過5%。從結(jié)構(gòu)上講，加水平接地體的改進(jìn)方案2導(dǎo)體間的屏蔽效應(yīng)小，最為有利，而改進(jìn)方案1可能材料利用率偏低；從工程施工的角度看，加水平接地體比加垂直接地體更便于施工。因此，在選擇方案時(shí)可兼顧電位升高、沖擊接地電阻值、施工難度、接地材料利用率等因素后，采用最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

圖10 某工程接地電極及改進(jìn)方法

圖11 改進(jìn)方案2的電位升高

6 結(jié)語

本文搭建了接地極仿真模型，并以真型試驗(yàn)為參考在CDEGS軟件中驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。在考慮土壤非線性電離的情況下，利用CDEGS軟件對(duì)四種實(shí)際尺寸放射型接地極的沖擊散流分布規(guī)律進(jìn)行了分析，基于沖擊散流分布規(guī)律對(duì)水平放射型接地極進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出兩種改進(jìn)型，最后對(duì)某工程實(shí)際接地電極進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）對(duì)于放射型接地極，外部導(dǎo)體的散流占比顯著高于內(nèi)部導(dǎo)體，火花效應(yīng)和端部效應(yīng)影響明顯。因此，當(dāng)優(yōu)化接地電極結(jié)構(gòu)時(shí)，若考慮添加端部導(dǎo)體，應(yīng)當(dāng)首先考慮添加在水平射線上。

2）計(jì)算結(jié)果表明，本文提出的增強(qiáng)端部效應(yīng)和增加散流通道的接地極結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法能夠降低高土壤電阻率地區(qū)的接地電極沖擊接地電阻值，且增加垂直端部效果優(yōu)于水平端部，改進(jìn)型2更適用。

3）對(duì)某工程實(shí)際中的桿塔接地電極進(jìn)行了實(shí)例分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩種改進(jìn)方案的對(duì)比分析，進(jìn)一步證實(shí)了在接地電極放射線上適當(dāng)增加短接地體對(duì)改善沖擊接地性能的作用。