桿塔接地網(wǎng)垂直接地降阻及影響因素分析

劉興華，安韻竹，咸日常，于 洋，王 濤，高曉東

(1.國(guó)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 255049；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司 檢修公司，山東 濟(jì)南 250118)

桿塔接地網(wǎng)作為輸電線路最基本的防雷設(shè)施，限制桿塔接地網(wǎng)的工頻接地電阻是降低塔頂過(guò)電壓，預(yù)防絕緣子因反擊造成沿面閃絡(luò)的關(guān)鍵[1-2]。由于輸電線路桿塔跨越不同的地形、地貌及地質(zhì)區(qū)域，不同地區(qū)無(wú)法采用統(tǒng)一的桿塔接地網(wǎng)接地降阻策略[3-5]。長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，現(xiàn)行的桿塔接地網(wǎng)多采用以下3種施工方式進(jìn)行接地降阻：外延接地體降阻[6]、垂直接地降阻[7]和輔助降阻材料(降阻劑、接地模塊)降阻[8]。不同的降阻方式受制于地形、土質(zhì)等影響因素，實(shí)際施工時(shí)往往無(wú)法按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行降阻施工。采用輔助降阻材料還經(jīng)常面臨著降阻效率低、降阻長(zhǎng)效性差和加速金屬接地體腐蝕等技術(shù)瓶頸。采用降阻效率高、實(shí)效長(zhǎng)的降阻措施同時(shí)使得降阻施工達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的要求是輸電運(yùn)維工作中面臨的重要工程問(wèn)題[9]。

輸電線路垂直接地降阻作為一種常見(jiàn)的接地降阻措施，垂直接地縱深降阻效率高于水平外延接地降阻[10]，近年來(lái)在地形復(fù)雜、征地困難等外延施工受限的輸電線路桿塔接地網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用[11]。在東北、高原等凍土層地區(qū)的輸電線路桿塔接地降阻中[12-13]，垂直接地作為施工便捷的降阻方式應(yīng)用范圍廣。實(shí)際工程表明，雖然垂直接地降阻效率相對(duì)較高，但垂直接地所需的單次施工成本較高，一些垂直接地在施工時(shí)沒(méi)有進(jìn)行充分的測(cè)量與論證，多個(gè)接地體之間的屏蔽效應(yīng)、土壤分層結(jié)構(gòu)等因素使得垂直接地的降阻效率達(dá)不到預(yù)期[14]。同樣，當(dāng)發(fā)電廠、變電站等大型接地網(wǎng)采用垂直接地降阻時(shí)往往也面臨著施工方式不當(dāng)、屏蔽效應(yīng)過(guò)大等問(wèn)題[15]，垂直接地施工需要規(guī)律性的理論參考。

本文采用防雷接地領(lǐng)域中通用的CDEGS軟件，對(duì)輸電線路桿塔接地網(wǎng)采用垂直接地降阻時(shí)的影響因素進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了“一”字型、方框射線型接地網(wǎng)的垂直接地敷設(shè)位置、接地體長(zhǎng)度、土壤結(jié)構(gòu)分層對(duì)降阻效率的影響規(guī)律，仿真計(jì)算結(jié)果及相關(guān)結(jié)論，為輸電線路防雷、桿塔接地網(wǎng)降阻施工提供參考。

1 均勻土壤“一”字型接地網(wǎng)垂直接地計(jì)算

輸電線路桿塔接地網(wǎng)采用垂直接地降阻時(shí)往往與水平接地網(wǎng)配合，在水平接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上組成“組合式”接地網(wǎng)。在對(duì)已經(jīng)運(yùn)行中的桿塔接地網(wǎng)進(jìn)行垂直接地改造時(shí)，往往單獨(dú)敷設(shè)水平“一”字型接地網(wǎng)，并在水平接地體的基礎(chǔ)上進(jìn)行垂直接地施工，本文采用CDEGS，分別對(duì)均勻土壤與分層土壤情況下的垂直接地進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.1 垂直接地位置的影響

在通用防雷接地計(jì)算軟件CDEGS中建立“一”字型接地網(wǎng)模型，為了模擬垂直接地體不同敷設(shè)位置對(duì)接地電阻的影響規(guī)律，垂直接地體分別敷設(shè)在水平接地體的首端、中間以及末端位置，各接地網(wǎng)模型如圖1所示。

圖1 “一”字型接地網(wǎng)模型Fig.1 "One" shaped grounding grid model

圖1中“一”字型接地網(wǎng)采用圓鋼接地體，接地體電阻率取ρ=1.92×10-6Ω·m，相對(duì)磁導(dǎo)率μr=636，直徑為10 mm。水平接地體的長(zhǎng)度為10 m，接地體埋深為0.8 m，引下線為單端接地，引下線數(shù)量為1，施加的激勵(lì)為10 kA。仿真計(jì)算所采用的垂直接地體長(zhǎng)度為5 m，垂直接地體同樣采用與水平接地體一致的圓鋼接地材料。仿真所取的土壤為均勻土壤，土壤電阻率為300 Ω·m，仿真計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 垂直接地體位置對(duì)接地電阻的影響Fig.2 Effect of vertical grounding conductor location on grounding resistance

由圖2的仿真計(jì)算結(jié)果可知：當(dāng)垂直接地體敷設(shè)在接地網(wǎng)的末端時(shí)，其接地電阻最小；當(dāng)垂直接地體位于首端時(shí)其次；而垂直接地體位于水平接地體中點(diǎn)時(shí)接地電阻最大。這說(shuō)明水平接地體對(duì)中間位置的垂直接地體的屏蔽作用較強(qiáng)，而對(duì)邊緣位置的屏蔽效應(yīng)影響較小。因此，在實(shí)際接地施工時(shí)，應(yīng)盡可能地將垂直接地體敷設(shè)在接地體的邊緣位置，從而降低整個(gè)接地網(wǎng)的接地電阻。

1.2 垂直接地長(zhǎng)度的影響

垂直接地體的敷設(shè)長(zhǎng)度對(duì)接地電阻有影響。為了模擬垂直接地體不同敷設(shè)長(zhǎng)度對(duì)接地電阻影響規(guī)律，在CDEGS仿真軟件中建立“一”字型接地網(wǎng)模型。“一”字型接地網(wǎng)采用1.1節(jié)所述的圓鋼接地體，水平接地體的長(zhǎng)度為15 m，接地體埋深為0.8 m，引下線為單端接地。仿真計(jì)算所采用的垂直接地體敷設(shè)在“一”字型接地網(wǎng)的末端位置，垂直接地體的長(zhǎng)度分別為5 m、10 m、15 m、20 m和25 m。垂直接地體同樣采用與水平接地體一致的圓鋼接地材料。仿真所取的土壤為均勻土壤，土壤電阻率為300 Ω·m，仿真計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 垂直接地體長(zhǎng)度對(duì)接地電阻的影響Fig.3 Effect of vertical grounding conductor length on grounding resistance

由圖3計(jì)算結(jié)果可知，在均勻土壤地質(zhì)條件下，隨著接地體長(zhǎng)度的增大，其接地電阻逐漸降低。因此，在實(shí)際接地施工時(shí)，在施工條件允許的情況下，應(yīng)盡可能地增加垂直接地體的長(zhǎng)度。但隨著垂直接地體長(zhǎng)度的增加，接地網(wǎng)的施工費(fèi)用也隨之提高。實(shí)際施工時(shí)應(yīng)綜合考慮施工成本，保證接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)與施工達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的要求。

2 分層土壤“一”字型接地網(wǎng)垂直接地計(jì)算

實(shí)際輸電線路所處的地質(zhì)條件并非均一土壤，更多的土質(zhì)條件是分層土壤。其中，比較有代表性的地質(zhì)條件為：表層主要由稀薄土壤層構(gòu)成，中間層為砂石、巖石等地質(zhì)條件，底層為含地下水的土質(zhì)。為了分析地質(zhì)分層對(duì)垂直接地體接地電阻的影響規(guī)律，仿真采用較為復(fù)雜的三層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，各層土壤電阻率見(jiàn)表1。

表1 土壤分層結(jié)構(gòu)參數(shù)
Tab.1 Parameters of soil stratification structure

土質(zhì)層土壤電阻率/Ω·m土質(zhì)層厚度/m表層土壤層3002中間層砂石層8004底層地下水層50∞

垂直接地體的敷設(shè)長(zhǎng)度對(duì)接地電阻有影響。為了模擬垂直接地體不同敷設(shè)長(zhǎng)度對(duì)接地電阻影響規(guī)律，在CDEGS仿真軟件中建立“一”字型接地網(wǎng)模型。“一”字型接地網(wǎng)模型及參數(shù)與1.2節(jié)的相同。圖4為垂直接地體長(zhǎng)度對(duì)接地電阻的影響規(guī)律。由圖4仿真結(jié)果可知，隨著接地體長(zhǎng)度的增大，其接地電阻逐漸降低，但接地電阻降低的幅度有變化，減小的變化逐漸變慢。結(jié)合表1的土壤分層可知，垂直接地的降阻效果與土壤地質(zhì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)：當(dāng)垂直接地體僅觸及到土壤電阻率較高的砂石、巖石時(shí)，降阻效率并不高，只有當(dāng)接地體的底部觸及到底層地下水地質(zhì)時(shí)，接地電阻才能迅速降低，但該降低幅度與均勻土壤一致，也呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，這同樣是由于垂直接地長(zhǎng)度足夠大時(shí)，參與散流的土壤已經(jīng)趨于飽和，底層接地體的散流作用逐漸減小。

圖4 土壤分層垂直接地體長(zhǎng)度對(duì)接地電阻的影響Fig.4 Effect of vertical grounding conductor length on grounding resistance under soil stratification

由以上仿真結(jié)果可以看出：(1)無(wú)論是均勻土壤還是分層土壤結(jié)構(gòu)，水平接地體采用垂直接地降阻時(shí)，盡可能將垂直接地放置在屏蔽效應(yīng)較小即接地體分布稀疏的位置，如接地體的末端、非交叉點(diǎn)等位置；(2)當(dāng)接地網(wǎng)處于土壤分層土質(zhì)條件時(shí)，垂直接地降阻應(yīng)充分考慮地質(zhì)分層結(jié)構(gòu)，尤其是底層為高土壤電阻率的砂石、巖石時(shí)，采用垂直接地降阻效果往往并不理想；(3)當(dāng)土壤層存在低土壤電阻率的地質(zhì)層(如地下水土質(zhì)層)時(shí)，接地體觸及該土質(zhì)層時(shí)整體降阻效率較高；(4)無(wú)論是均勻土壤還是分層土壤結(jié)構(gòu)，垂直接地長(zhǎng)度超過(guò)20 m時(shí)，降阻效率有變緩的趨勢(shì)，而此時(shí)施工難度和成本往往呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)上的增加。因此，實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)充分考慮垂直施工深度與降阻效率、成本的關(guān)系，使得垂直接地施工達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的要求。

3 方框射線型接地網(wǎng)垂直接地計(jì)算

方框射線型接地網(wǎng)是輸電線路桿塔接地網(wǎng)典型設(shè)計(jì)中最為常見(jiàn)的，施工時(shí)在塔基外繞口字型接地網(wǎng)的4個(gè)角分別放射出4根接地射線，與每條邊夾角為135°。本文針對(duì)該典型接地網(wǎng)的垂直接地降阻效率進(jìn)行仿真計(jì)算，模型為邊長(zhǎng)和射線均為15 m的方框射線型接地網(wǎng)，土壤電阻率為300 Ω·m，接地材料同樣采用1.1節(jié)所述的圓鋼接地體，直徑為10 mm，接地網(wǎng)埋深為0.8 m，注流點(diǎn)為4個(gè)引下線，接地模型如圖5所示。

圖5 方框射線型接地網(wǎng)垂直接地仿真模型Fig.5 Square belt-shaped grounding grid model

3.1 垂直接地位置的影響

仿真計(jì)算所采用的垂直接地體長(zhǎng)度為5 m，垂直接地體同樣采用與水平接地體一致的圓鋼接地材料。仿真所取的土壤為均勻土壤，土壤電阻率為300 Ω·m，分別在4條射線的首端、中點(diǎn)和尾端設(shè)置垂直接地體，仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 方框射線型接地網(wǎng)垂直接地不同位置接地電阻Fig.6 Grounding resistance of square belt-shaped grounding grid in different locations

由圖6可知，當(dāng)垂直接地體敷設(shè)在接地網(wǎng)的射線末端時(shí)，其接地電阻最小，降阻效率最高，這與“一”字型接地體的仿真計(jì)算結(jié)論一致。當(dāng)垂直接地體位于多條導(dǎo)體的交匯點(diǎn)時(shí)，接地體之間的屏蔽效應(yīng)增大，此時(shí)垂直接地體的散流作用降低。因此，在實(shí)際接地施工時(shí)，應(yīng)盡可能地將垂直接地體敷設(shè)在接地體的射線末端位置，從而降低整個(gè)接地網(wǎng)的接地電阻。

3.2 垂直接地長(zhǎng)度的影響

此外，針對(duì)射線末端接地體的長(zhǎng)度對(duì)整個(gè)接地網(wǎng)的影響進(jìn)行仿真，垂直接地體的長(zhǎng)度分別為5 m、10 m、15 m、20 m和25 m。垂直接地體同樣采用與水平接地體一致的圓鋼接地材料。仿真所取的土壤為均勻土壤，土壤電阻率為300 Ω·m，仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 方框射線型接地網(wǎng)垂直接地長(zhǎng)度對(duì)接地電阻影響Fig.7 Grounding resistance of square belt-shaped grounding grid with different grounding length

由圖7仿真計(jì)算結(jié)果可知，隨著接地體長(zhǎng)度的增大，接地網(wǎng)整體接地電阻逐漸降低。隨著垂直接地長(zhǎng)度的增大，接地網(wǎng)整體接地電阻的降低幅度同樣變緩，但變化梯度與“一”字型接地網(wǎng)垂直接地降阻的相比較高，這說(shuō)明接地網(wǎng)中垂直接地?cái)?shù)量越多，垂直接地體所起到的“分流”作用的比重越大，降阻效率越高，接地電阻受屏蔽作用的影響越小。但也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，隨著垂直接地體長(zhǎng)度的增加，接地網(wǎng)的施工成本也隨之提高，方框射線型接地網(wǎng)采用垂直接地降阻的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性也隨之降低。

3.3 分層土壤垂直接地計(jì)算

與水平接地網(wǎng)類(lèi)似，當(dāng)接地網(wǎng)處于分層土壤地質(zhì)條件時(shí)，分析接地體與不同土壤層的相對(duì)位置對(duì)接地電阻的影響規(guī)律。仿真所設(shè)定的土壤分層與表1參數(shù)一致，4條射線取垂直接地的位置均處于射線接地體的末端，當(dāng)垂直接地體長(zhǎng)度分別為5 m、10 m、15 m、20 m和25 m時(shí)，不同土壤分層結(jié)構(gòu)下接地網(wǎng)的接地電阻計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 土壤分層下方框射線型接地網(wǎng)垂直接地電阻Fig.8 Grounding resistance of square belt-shaped grounding grid under soil stratification

由圖8計(jì)算結(jié)果可知，在土壤分層條件下，方框射線型接地網(wǎng)同樣存在“階躍式”降低趨勢(shì)。當(dāng)方框射線型接地網(wǎng)采用垂直接地進(jìn)行接地降阻時(shí)，接地體觸及到低土壤電阻率的地質(zhì)層時(shí)，接地網(wǎng)整體降阻效率較高，存在“階躍式”降低規(guī)律。這提示在典型桿塔接地網(wǎng)進(jìn)行接地降阻時(shí)，應(yīng)采用四極法實(shí)際測(cè)量接地網(wǎng)所在地的土壤電阻率，并對(duì)不同測(cè)量電極間距下的土壤電阻率進(jìn)行反演計(jì)算，得到測(cè)量點(diǎn)的土壤分層結(jié)構(gòu)。桿塔接地網(wǎng)宜根據(jù)土壤分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直接地體施工，使得垂直接地體觸及底層低土壤電阻率的土質(zhì)層，此時(shí)接地降阻效率高。當(dāng)?shù)讓油寥离娮杪瘦^高時(shí)，采用常規(guī)垂直接地施工方法進(jìn)行降阻，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較低，桿塔接地網(wǎng)達(dá)不到降阻效果。

由以上分析可知，桿塔接地網(wǎng)垂直接地的降阻效率與垂直接地體的分布位置、垂直接地體長(zhǎng)度、土壤分層結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，以此類(lèi)推，本文仿真計(jì)算結(jié)論同樣適用于發(fā)電廠、變電站等大型接地網(wǎng)的垂直接地施工。大型接地網(wǎng)受限于外延施工面積，采用垂直接地降阻概率相對(duì)更高，而發(fā)電廠、變電站的接地施工同樣應(yīng)充分考慮土壤分層結(jié)構(gòu)對(duì)垂直接地降阻效率的作用規(guī)律。

4 結(jié)論

本文采用CDEGS軟件，對(duì)輸電線路桿塔接地網(wǎng)采用垂直接地降阻時(shí)的影響因素進(jìn)行仿真計(jì)算，得到規(guī)律性的結(jié)論：

1)常見(jiàn)“一”字型接地網(wǎng)與方框射線型接地網(wǎng)垂直接地體放置在屏蔽效應(yīng)較小即接地體分布稀疏的位置時(shí)，降阻效率最高，實(shí)際施工時(shí)應(yīng)在端部、非交叉點(diǎn)的位置放置垂直接地體。

2)均勻土壤條件下，接地網(wǎng)接地電阻隨接地體長(zhǎng)度的增加逐漸降低，但降低幅度趨于平緩，即降阻效率減小。接地網(wǎng)采用的垂直接地體數(shù)量越多，降阻效率的減小幅度越小，垂直接地體的“有效接地長(zhǎng)度”越大。

3)當(dāng)接地網(wǎng)所處土壤為分層結(jié)構(gòu)時(shí)，若底層為高土壤電阻率的砂石、巖石時(shí)，采用垂直接地降阻效果不理想。

4)在土壤分層條件下，當(dāng)?shù)讓哟嬖诘叵滤容^低電阻率的土壤層，垂直接地體觸及該土質(zhì)層時(shí)，接地電阻存在“階躍式”降低趨勢(shì)。

本文仿真計(jì)算相關(guān)結(jié)論為輸電線路桿塔接地網(wǎng)以及發(fā)電廠、變電站接地網(wǎng)的接地降阻施工提供實(shí)際參考。