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        接地極對矩形接地網(wǎng)的降阻效果研究

        2022-08-30 03:38:16袁添光淡淑恒
        電瓷避雷器 2022年4期
        關(guān)鍵詞:效果

        袁添光, 淡淑恒, 馮 勝

        (上海電力大學(xué) 上海200090)

        0 引言

        隨著時代的發(fā)展,電網(wǎng)的電壓及容量在不斷提升,這對電力系統(tǒng)的安全可靠運行提出了更高的要求[1-3]。為了降低接地裝置的接地電阻,人們采取了各種各樣的措施[4-7]。主要措施有:擴(kuò)大接地網(wǎng)面積、引外接線、增加接地網(wǎng)埋設(shè)深度,利用自然接地、深井接地和局部換土等。在高土壤電阻率地區(qū),設(shè)計接地裝置時,其接地電阻很難滿足要求,特別是面積較小的發(fā)變電站及氣體絕緣變電站,采用長垂直接地極來降低其接地電阻已被越來越多的工程設(shè)計人員所采用[8-10]。文獻(xiàn)[11]介紹了斜接地極對接地網(wǎng)性能具有一定的優(yōu)化效果,文獻(xiàn)[12]提出了一種放射型接地極對方形地網(wǎng)的降阻策略。

        筆者基于加拿大SES公司開發(fā)的CDEGS接地工程軟件,對接地極的敷設(shè)方案進(jìn)行探究。在矩形接地網(wǎng)面積不變的情況下,通過改變接地極敷設(shè)角度、接地極長度以及分層土壤結(jié)構(gòu)探究接地極對不同長寬比矩形接地網(wǎng)的降阻效果,從而確定接地極的最優(yōu)敷設(shè)方案,并將優(yōu)化后的傾斜敷設(shè)方案與常見的垂直敷設(shè)方案進(jìn)行比較,論述兩種方案的可取性。

        1 接地極的敷設(shè)角度

        在接地網(wǎng)頂點敷設(shè)接地極時,接地極相對于接地網(wǎng)的位置見如圖1。

        圖1 接地極角度參數(shù)Fig.1 Earthing pole angle parameter

        其中φ為接地極在水平面上的投影與接地網(wǎng)的長的夾角,θ為接地極與水平面垂線的夾角,L為接地極的長度。

        2 不同敷設(shè)角度下接地極的降阻效果分析

        為探究不同方位接地極對矩形接地網(wǎng)的降阻效果,選取的方形地網(wǎng)規(guī)格分別為:120 m×120 m、90 m×160 m、80 m×180 m、60 m×240 m,對應(yīng)寬和長比值分別為1∶1、16∶9、9∶4、4∶1。水平地網(wǎng)埋深為0.8 m,均壓導(dǎo)體間距為10 m。水平矩形地網(wǎng)材料為銅,規(guī)格為40 mm×4 mm。接地極材料為圓鋼,半徑0.01 m,長為68 m(矩形地網(wǎng)的等值半徑)。本研究中對降阻效果的描述用接地極對矩形接地網(wǎng)的降阻率ξ表示:

        (1)

        式中R為加入接地極后的接地電阻,為所參照的矩地網(wǎng)接地電阻。

        針對高土壤電阻率地區(qū),土壤電阻率取為1 000 Ω·m,假定土壤均勻?;谝陨蠀?shù),利用CDEGS搭建接地網(wǎng)進(jìn)行仿真。

        2.1 不同θ角下接地極的降阻效果

        將4根接地極分別敷設(shè)在矩形接地網(wǎng)的4個頂點上,固定φ角為135°,θ角在0~90°之間變化,計算各規(guī)格接地網(wǎng)的接地電阻值表1,表2為對應(yīng)布置方案的降阻效果(相較未添加接地極的接地網(wǎng))。

        表1 不同θ角下矩形接地網(wǎng)的接地電阻Table 1 Grounding resistance of rectangular grounding grids under different θ angles Ω

        表2 不同θ角下接地極的降阻率Table 2 The resistance reduction rate of the earthing pole under different θ angles %

        由表1可以看出,當(dāng)θ從0~90°范圍內(nèi)逐漸增大時,矩形地接網(wǎng)接地電阻值均是先變小后增大,在θ角為60°時,各矩形接地網(wǎng)的接地電阻值最小。結(jié)合表2可以發(fā)現(xiàn),在接地網(wǎng)邊緣四個頂點處敷設(shè)接地極,對降低接地網(wǎng)的接地電阻具有良好的效果,當(dāng)θ在45°~75°范圍內(nèi)時,降阻效果相對來說比較好,在θ為60°時,降阻效果達(dá)到最佳。另外,對于不同規(guī)格的接地網(wǎng),θ角相同時,隨著矩形接地網(wǎng)長寬比的增大,接地極對接地網(wǎng)的降阻效果在逐漸降低。

        2.2 不同φ角下接地極的降阻效果

        固定輔助接地極的θ角為60°,改變φ角度,接地極對各規(guī)格矩形接地網(wǎng)的降阻率見圖2。

        圖2 不同φ值下接地極的降阻效果Fig.2 Resistance reduction effect of earthing pole under different φ value

        圖2可以看出,φ相同時,接地極對120 m×120 m規(guī)格接地網(wǎng)的降阻效果最好,隨著矩形接地網(wǎng)長寬比的增大,接地極的降阻效果也在下降,當(dāng)φ從90°到180°逐漸增大時,接地極對矩形接地網(wǎng)的降阻率先減小后增,且存在一個最佳的φ使得降阻率最大。利用仿真軟件進(jìn)一步確認(rèn)不同長寬比矩形接地網(wǎng)的最佳φ,結(jié)果見圖3。

        由圖3可知,對于正方形接地網(wǎng),接地極在水平面上的投影與接地網(wǎng)的長的夾角為135°時,接地極對接地網(wǎng)有最佳的降阻效果,而當(dāng)接地網(wǎng)的長寬比增大時,該最佳角度會略微增大,當(dāng)長寬比超過4:1時,長寬比對最佳φ的影響很小,幾乎維持在141°不變。

        圖3 不同長寬比下的最佳φ角Fig.3 The best φ angle under different aspect ratios

        綜上可以得出,敷設(shè)傾斜接地極對各規(guī)格矩形接地網(wǎng)的降阻效果都比較明顯,當(dāng)接地極與水平面夾角θ為45°~75°且接地極在水平面上的投影與矩形接地網(wǎng)的長的夾角φ為135°~141°時,接地極對矩形接地網(wǎng)的降阻效果可達(dá)18%以上,最佳的θ為60°,最佳φ隨矩形接地網(wǎng)的長寬比的增大而在135°基礎(chǔ)上逐漸增大,但一般不超過141°。

        3 不同長度下接地極的降阻效果

        在接地技術(shù)中,接地極的長度變化一般基于接地網(wǎng)的等效半徑,接地網(wǎng)等效半徑計算公式如下。

        (2)

        式中S為接地網(wǎng)的面積。

        取接地極與水平地網(wǎng)垂線的夾角θ為60°,接地極在水平面上的投影與矩形接地網(wǎng)長的夾角為135°,改變接地極長度,計算其對各接地網(wǎng)的降阻效果,結(jié)果見表3。

        表3 不同長度接地極下的降阻率Table 3 Resistance reduction rate under different lengthof earthing poles %

        由表3可以看出,當(dāng)接地極的長度在一定范圍內(nèi)增加時,接地極對水平矩形接地網(wǎng)的降阻率也在增大,但是當(dāng)接地極達(dá)到100倍的時,接地極對接地網(wǎng)的降阻率不升反降,這主要時因為當(dāng)接地極過長時,接地極自身的電阻也會增大,當(dāng)接地極對接地網(wǎng)散流作用降低的電阻值小于材料本身因長度增加的電阻值時,接地網(wǎng)的接地電阻反而會增大??紤]到材料成本,為了體現(xiàn)接地極的降阻效率,用接地極的單位長度降阻率來表征接地極的降阻效率,結(jié)果如圖4所示。

        圖4 不同長度下接地極的單位長度降阻率Fig.4 Resistance reduction rate per unit length of earthing poles under different lengths

        通過圖4可以看出,隨著接地極長度的增加,單位長度降阻率先增加后減小,當(dāng)接地極長度為1~1.3時單位長度的降阻率達(dá)到了高峰,方形接地網(wǎng)的降阻率可達(dá)18.5%以上,也就是說當(dāng)接地極長度為1~1.3倍的接地網(wǎng)等效半徑時,接地極的降阻效率最好。

        因此在實際工程應(yīng)用中,適當(dāng)增加接地極的長度,可以提高接地極對接地網(wǎng)的降阻效果,但材料成本也隨之增加。從降阻效率的角度來看,建議接地極長度取為接地網(wǎng)等效半徑的1~1.3倍。

        4 非均勻土壤中接地極的降阻效果

        非均勻土壤一般可以分為水平分層土壤和垂直分層土壤,對于垂直分層土壤,如果接地網(wǎng)附近存在低電阻率土壤區(qū),一般常用引外接地裝置的方式來提高接地網(wǎng)的接地性能[13],故本研究主要針對水平分層土壤進(jìn)行探究。

        對于高土壤電阻率地區(qū),可將水平分層土壤大致分為兩種情況:一種是土壤電阻率上層高下層低;一種是土壤電阻率上層低下層高。針對這兩種情況,假定土壤水平分為兩層,上下兩層電阻率分別用ρ1和ρ2來表示。取矩形接地網(wǎng)接地極的長為接地網(wǎng)的等效半徑(68 m),接地極與水平面垂線的夾角為60°,接地極在水平面上的投影與接地網(wǎng)長的夾角為135°。當(dāng)ρ1、ρ2分別為1 000 Ω·m、200 Ω·m和2 000 Ω·m、1 000 Ω·m時,取上層土壤厚度h分別為15 m、20 m、25 m、35 m,各矩形接地網(wǎng)接地極的降阻率見表4。

        由表4可以看出,當(dāng)>時,隨著上層土壤厚度的增加,接地極對接地網(wǎng)的降阻率在逐漸減小,且當(dāng)上層土壤厚度為35 m(即接地極延未能伸至低土壤電阻率區(qū))時,接地極的降阻率大大減??;當(dāng)<時,隨著上層土壤厚度的增加,接地極對接地網(wǎng)的降阻率在逐漸增大,這是因為低土壤電阻率的土壤區(qū)與接地極的接觸面積增大,從而接地極的散流效果更好。

        表4 不同厚度土壤下接地極的降阻率Table 4 Resistance reduction rate of earthing pole under different thickness of soil %

        由此可見,對于水平分層土壤,當(dāng)土壤電阻率上層高而下層低時,敷設(shè)傾斜接地極延伸至低電阻率土壤區(qū)具有良好的降阻效果;當(dāng)土壤上層電阻率低于下層電阻率時,敷設(shè)傾斜接地極的降阻效果相對來說較差??傮w來說,盡量利用分層土壤中低電阻率土壤區(qū),靈活敷設(shè)接地極,增大接地極與低電阻率土壤區(qū)的接觸面積,這樣才會有更佳的降阻效果。

        5 對比垂直接地極的降阻效果

        以90 m×160 m的矩形接地網(wǎng)為例,在接地網(wǎng)邊緣4個頂點敷設(shè)接地極,接地極長取為1倍的接地網(wǎng)等效半徑(68 m),材料參數(shù)同上文。將優(yōu)化后的接地極敷設(shè)方案與普通垂直接地的敷設(shè)方案進(jìn)行比較。

        5.1 均勻土壤中降阻效果比較

        針對均勻土壤,接地極的優(yōu)化敷設(shè)方案如下:接地極與水平面垂線夾角為60°,其在水平面上的投影與矩形接地網(wǎng)長的夾角為137°。改變土壤的電阻率,垂直敷設(shè)方案下的接地網(wǎng)接地電阻與優(yōu)化敷設(shè)方案下的接地網(wǎng)接地電阻見表5。

        由表5可以看出,在均勻土壤中,接地極按優(yōu)化方案傾斜敷設(shè)時,接地電阻可以在垂直敷設(shè)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步下降,但下降效果不明顯,大概在4.3%左右。故對于均勻土壤,從工程角度來看,按優(yōu)化后的方案敷設(shè)傾斜接地極施工難度相對較麻煩,因而可以選擇敷設(shè)垂直接地極,同樣可以達(dá)到比較理想的降阻效果。

        表5 不同土壤電阻率下兩方案的接地電阻Table 5 Grounding resistance of two schemes under different soil resistivity Ω

        5.2 水平分層土壤中降阻效果比較

        以水平兩層土壤為例,記上層土壤電阻率為,下層電阻率為,依據(jù)上下層土壤電阻率的大小關(guān)系分為以下兩種情況。

        1)ρ1<ρ2

        鴇鳥肅肅地扇著雙翼,停落在荊棘里。 王家的事沒了沒完,黍稷全不能種植。 父母拿什么做飯?遙遠(yuǎn)的蒼天呀!何時才能終止?

        取ρ2=1 000 Ω·m,ρ1在100~500 Ω范圍內(nèi)變化??紤]到上層土壤電阻率較小,因接地極與水平面垂線夾角在45~75°范圍內(nèi)時具有較好的降阻效果,同時考慮到要增大與低電阻率土壤區(qū)接觸面積,故該夾角選為75°。又根據(jù)接地網(wǎng)的規(guī)格,接地極在水平面上的投影與矩形接地網(wǎng)長的夾角取為137°。上層土壤厚度分別取9 m、18 m、70 m,分別計算上層土壤電阻率變化時優(yōu)化后的敷設(shè)方案相比普通垂直敷設(shè)方案的降阻率,結(jié)果見圖5。

        圖5 ρ1<ρ2時不同電阻率下優(yōu)化方案的降阻率Fig.5 R Resistance reduction rate of optimization scheme under different soil resistivity when ρ1<ρ2

        由圖5可以看出,當(dāng)上層土壤厚度為18 m時,優(yōu)化后的傾斜敷設(shè)方案相比常見的垂直敷設(shè)方案具有更好的降阻效果,這是因為上層土壤厚度為18 m時,傾斜接地極整體均敷設(shè)在低電阻率土壤區(qū),其充分利用了低電阻率阻土壤區(qū)的散流效果,故而降阻效果較好;而當(dāng)上層土壤厚度為9 m或70 m時,兩種方案下的接地極要么均貫穿了上層低電阻率土壤區(qū)延伸至下層,要么均處于低電阻率土壤區(qū)而未貫穿至下層,這兩種情況下,兩方案的接地極與低電阻率土壤區(qū)的接觸面積相差不大,故降阻效果較接近。

        2)ρ1>ρ2

        取ρ1=1 000 Ω·m,取ρ2=100~500 Ω·m在100~500范圍內(nèi)變化。因下層土壤電阻率較小,因接地極與水平面垂線夾角選為75°,接地極在水平面上的投影與矩形接地網(wǎng)長的夾角取為137°。上層土壤厚度分別取25 m、50 m、70 m,分別計算下層土壤電阻率變化時優(yōu)化后的敷設(shè)方案相比普通垂直敷設(shè)方案的降阻率,結(jié)果見圖6。

        由圖6可以看出,當(dāng)上層土壤厚度為50 m時,相比傾斜敷設(shè)的接地極,垂直敷設(shè)的接地極具有更佳的降阻效果。這是因為此時垂直敷

        圖6 ρ1>ρ2時不同土壤電阻率下優(yōu)化方案的降阻率Fig.6 Resistance reduction rate of optimization scheme under different soil resistivity when ρ1>ρ2

        設(shè)接地極已延伸至低阻土壤區(qū)而傾斜敷設(shè)的接地極整體均處于高阻土壤區(qū),因低電阻率阻土壤區(qū)具有更好的散流作用,故垂直敷設(shè)接地極的降阻效果更佳;當(dāng)土壤厚度為25 m或70 m時,兩種方案下接地極均貫穿了高電阻率土壤區(qū)延伸至下層或均處于高電阻率土壤區(qū)而未延伸至下層,對比垂直敷設(shè)方案,優(yōu)化方案的接地極與低電阻率土壤區(qū)的接觸面積更小,故降阻效果不明顯甚至無降阻效果。

        綜上所述,將接地極按一個最佳角度傾斜敷設(shè)確實可以獲得最佳的降阻效果,但相比常見的垂直敷設(shè)方案,該方案降阻優(yōu)勢不明顯。對于非均勻土壤,當(dāng)存在低電阻率土壤區(qū)時,若能通過一定傾斜角度增大接地極與低電阻率土壤區(qū)的接觸面積,降阻效果會更好。

        6 結(jié)論

        1)給矩形接地網(wǎng)敷設(shè)接地極具有良好的降阻效果,其中正方形接地網(wǎng)的降阻效果最好,隨著矩形接地網(wǎng)長寬比的增加,接地極的降阻效果逐漸降低。

        2)在均勻土壤中敷設(shè)接地極時其與水平面夾角在45°~75°的范圍內(nèi)具有較好的降阻效果,最佳角度為60°;接地極在水平面上的投影與接地網(wǎng)的長的最佳角度為135°,且隨著矩形接地網(wǎng)長寬比的增大,該角度略微增大,當(dāng)長寬比超過4時,最佳角度受長寬比影響較小,幾乎維持在141°不變。

        3)一定范圍內(nèi)接地極越長,其對矩形接地網(wǎng)的降阻效果越好;從降阻效率上來看,當(dāng)接地極長度為1~1.3倍接地網(wǎng)等效半徑時,降阻效率最高,可達(dá)18.5%以上。

        4)優(yōu)化后以一定角度傾斜敷設(shè)接地極可以達(dá)到最佳的降阻效果,但對垂直敷設(shè)接地極,降阻優(yōu)勢不明顯;當(dāng)土壤中存在較低電阻率土壤區(qū)時,為使降阻效果更佳,可以靈活改變接地極敷設(shè)角度,增大接地極與低電阻率土壤區(qū)充的接觸面積。

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