荒漠戈壁地區降阻劑應用效果仿真分析

酒泉衛星發射中心 婁革偉 劉旭亮 李 娟

隨著荒漠戈壁地區電力系統的快速發展，以及工業和生活用電需求的不斷增加，電力系統的運行容量隨之加大，使得該地區電廠、變配電所、高壓電氣裝置、桿塔架空線等發生單相接地故障時的入地電流升高，加之荒漠戈壁地區干旱少雨，土壤電阻率高，僅僅按照規范要求設置接地網，其接地電阻較高，在入地短路電流增加的情況下，地電位升高、接觸電壓和跨步電壓就遠遠超過正常允許值，對電網的平穩運行造成極大的威脅，同時對用電安全特別是用電檢修人員的施工安全也產生重大隱患。因此，有必要采取措施降低荒漠戈壁地區接地裝置的接地電阻。目前，常見的降低接地電阻的方法有添加降阻劑、導電混凝土置換、增加接地網埋深、引外接地、鉆孔爆破法降低接地極與土壤接觸電阻等[1]。考慮到荒漠戈壁地區土壤性質以及降阻可靠性等現實條件，本文著重對使用降阻劑后荒漠戈壁地區接地裝置接地電阻的降阻效率進行研究分析。

國內交流接地系統應用降阻劑改善地網電阻的研究已近30多年，鄭瑞臣等對降阻劑的降阻機理進行了研究和分析，提出在選擇降阻劑時，應從降阻劑的電阻率、穩定性、環境污染、對接地極的腐蝕以及價格等方面綜合考慮[2]。孟曉明等對耐腐蝕接地材料和降阻接地材料在高土壤電阻率地區的應用前景進行了分析和展望[3]。張國鋒等人對降阻材料的降阻效率進行了研究，發現粉體狀的緩釋型降阻膏的降阻效率要遠高于編織型接地模塊和快裝式接地極[4]。傳統降阻劑在實際電力系統應用中存在較多問題，諸如降阻效率低、易流失、長效性不足以保證、污染土壤水源以及加速接地極腐蝕等。隨著材料科技發展，各種新型降阻材料不斷涌現，在實際工程應用中有效解決了上述問題。李歡歡以鈉基膨潤土為基材研制出一種低電阻率、高保水性、防腐性好的長效鈉基膨潤土復合降阻劑，有效解決了高土壤電阻率地區接地電阻過高的問題[5]。

為了分析和研究降阻劑在荒漠戈壁地區接地裝置中對接地電阻的實際降阻效果，本文首先采用四極法對荒漠戈壁地區的土壤電阻率進行了取樣測算，然后在CDEGS仿真計算軟件中建立接地網模型，并基于該模型對降阻劑的降阻效率及其影響因素進行仿真分析，分別從降阻劑自身電阻率、敷設位置、敷設厚度、接地網面積等不同條件來對降阻劑的降阻效果進行分析研究，總結規律，為降阻劑在荒漠戈壁地區接地裝置的實際工程應用提供參考。

1 荒漠戈壁地區土壤電阻率測算

常見的土壤電阻率測量方法包括土壤試樣分析法、三極法和四極法。我國現行接地設計國家標準《GB/T 50065-2011交流電氣裝置的接地設計規范》推薦采用等間距四極法，即將四個測量電極沿一條直線打入土壤中，假設等間距為a，打入深度為b，然后測量兩個中間電極之間的電位差，除以兩個最外側電極之間流過的電流即可得到一個電阻R，如圖1所示。

圖1 等間距四極法測土壤電阻率

根據得到的電阻值R和極間距a可以換算得到視在土壤電阻率：

其中，pa為視在土壤電阻率，R為測量得到的電阻，a為極間距，b為電極埋深b＜＜a。如果，上式可以簡化為：

測量時如果極間距較小，則電流僅僅在土壤表面層流動，當極間距較大，較多的電流就會滲透到土壤深處；當土壤層電阻率反差不大時，可以近似假設測量得到極間距a的電阻率代表深度為a的土壤視在電阻率。因此將pa與對應的a繪制成曲線可以了解到土壤電阻率隨深度變化的情況。

為了能夠真實地測得荒漠戈壁地區的平均土壤電阻率，同時考慮含水量等因素的影響，分別在荒漠戈壁灘、生活區、湖河沿岸三處地點對土壤電阻率進行取樣測試，得到視在土壤電阻率pa（折算到20℃）與深度a的曲線關系，如圖2所示。

圖2 荒漠戈壁灘地域土壤電阻率測量曲線

荒漠戈壁灘、生活區、湖河沿岸的土壤電阻率大約為2710Ω.m、2660Ω.m、2630Ω.m，綜合考慮，取平均土壤電阻率為三者均值，即2667Ω.m。

2 降阻劑降阻效率和影響因素分析

為較為真實地反映荒漠戈壁地區接地系統的電氣性能，首先根據測得平均土壤電阻率在CDEGS仿真軟件中建立荒漠戈壁地區的土壤模型，如圖3所示。然后模擬實際工況條件對仿真的電氣參數進行設置，接地網模型按照等間距水平接地網進行考慮，接地極材料為普通鍍鋅圓鋼，降阻劑為普通膨潤土降阻劑，其電阻率為1.8～4.2Ω.m，其他仿真參數設置見表1。

圖3 荒漠戈壁地區土壤結構仿真模型

表1 CDEGS仿真參數設置

在不使用降阻劑時單根水平接地極的工頻接地電阻可由式（3）近似求得：

其中，Rh為單根水平接地極的工頻接地電阻，p為土壤電阻率，Lh為水平接地極的長度，d為接地極的等效直徑，A為形狀系數取-0.6。經計算Rh為38.229Ω。

2.1 降阻劑自身電阻率對降阻效率的影響分析

實際工程應用中，采用電阻率測試儀測得的降阻劑實際電阻率往往比其標稱電阻率要大很多。為了分析降阻劑自身降阻率對降阻效率的影響，在CDEGS軟件中建立等間距水平接地網模型，單根接地導體如圖4所示，接地極總長度為100m，引下線為單端引下線，降阻劑敷設厚度為0.2mm，當電阻率分別為4.2Ω.m、3.8Ω.m、3.4Ω.m、3.0Ω.m、2.6Ω.m、2.2Ω.m、1.8Ω.m時，采用表1所示參數設置，對不同條件下的接地電阻和降阻效率進行仿真計算，結果如表2及圖5所示。

圖4 等間距水平接地導體仿真模型

圖5 降阻劑自身電阻率對降阻效率的影響

表2 降阻率自身電阻率對降阻效率的影響

可以看出，降阻劑的電阻率越低，電導越大，接地裝置的接地電阻也越低，降阻效率越來越好但整體降低幅度不大，并且降阻劑電阻率較高時，通過降低降阻劑的電阻率可以獲得一定的降阻效率提升，但達到一定程度之后，降阻效果不再提升。主要原因是在高土壤電阻率條件下，降阻劑對土壤的散流性能的提升是有限的，使用電阻率低的降阻劑并不能有效地改善荒漠戈壁地區接地裝置的工頻接地電阻。

2.2 敷設位置對降阻效率的影響分析

為分析研究降阻劑敷設位置不同對降阻效率的影響，在CDEGS仿真軟件中，假設有一水平接地體，長度為120m，分成6段，每段長度為20m，分別為0～20m、20～40m、40～60m、60～80m、80～100m、100～120m。降阻劑電阻率1.8Ω.m，敷設厚度0.14m，敷設長度為20m，其他參數設置同表1。現分別在接地體的6個不同位置進行敷設降阻劑，仿真計算結果如圖6所示。

圖6 不同敷設位置條件下降阻劑的降阻效率

當降阻劑敷設在水平接地體越靠近端部區域時，降阻效率越高，敷設在端部的降阻效率要比敷設在中間位置的降阻效率高2.5%左右。這主要是由于在荒漠戈壁地區的接地裝置中，受到集膚效應和端部效應的影響，接地體的不同位置與土壤接觸時的散流特性是有差異的，因此對接地體特別是水平接地體來說，降阻劑敷設位置不同，降阻效率就不同，越靠近接地體兩端進行敷設，降阻劑的降阻效果就越好。

2.3 敷設厚度對降阻效率的影響分析

在CDEGS仿真軟件建立一水平接地體模型，長度為100m，其他參數同表1。為分析研究降阻劑敷設厚度對降阻效率的影響，在CDEGS軟件中將降阻劑模擬為水平接地體的導體涂層，降阻劑敷設厚度以涂層厚度來表征。厚度分別設為0.04m、0.06m、0.08m、0.1m、0.12m、0.14m、0.16m。仿真計算結果如圖7所示。

圖7 敷設厚度對降阻效率的影響

隨著降阻劑敷設厚度的增加，降阻效率有比較明顯的增加，但其增加的幅度逐漸降低，在敷設厚度超過0.1m時，再增加降阻劑的敷設量，對接地電阻的改善作用效果不大，降阻效率最多不超過21%。這表明，使用降阻劑能有效改善荒漠戈壁地區高土壤電阻率條件下接地體周圍土壤的電阻率，增大了接地體的等效散流半徑，從而起到降阻作用，但隨著降阻劑敷設厚度的增加，由于集膚效應和鄰近效應的影響，接地體和降阻劑之間的屏蔽作用增強，接地裝置的降阻效率的提高幅度逐漸趨于平緩。

2.4 接地網面積對降阻效率的影響分析

為研究不同接地網面積條件下，降阻劑對接地裝置的降阻效率，在CDEGS仿真軟件中構建接地網模型，參數設置同表1，降阻劑沿接地體整體敷設，敷設厚度0.08m。接地網面積初始值為10m2，每次增加2m2做一次仿真計算，得到降阻效率與接地網面積之間的折線圖，如圖8所示。

圖8 接地網面積對降阻劑降阻效率的影響

由圖8可以看出，在相同的土壤條件及敷設參數下，隨著接地網面積的增加，降阻劑的降阻效率呈現下滑的趨勢。這主要是由于在高土壤電阻率地區，接地網面積越大，降阻劑所帶來的土壤散流特性提升越小，單純使用降阻劑并不足以有效地改善土壤電阻率高的缺陷。在降阻劑使用數量有限的情況下，接地電阻的減小更多地依賴于擴大接地網面積或者是增加接地體數量，相對于接地網本身對接地電阻的影響，降阻劑的作用在接地網規模擴大時會越來越弱化。

3 結論

本文通過CDEGS仿真計算軟件研究了荒漠戈壁地區高土壤電阻率條件下，接地網中使用降阻劑后接地電阻的降阻效率、影響因素及其規律進行了研究，主要得出以下結論：

一是所采用降阻劑的電阻率越低，降阻效率越高，并且降阻劑電阻率較高時，通過降低降阻劑的電阻率可以獲得較好的降阻效率提升，但隨著降阻劑的電阻率越來越低，降阻效率提升幅度基本不變，因此在實際工程施工中沒有必要追求采用低電阻率的降阻劑。

二是降阻劑敷設在接地體靠近端部時的降阻效率要高于敷設于其他位置。

三是提高降阻劑的敷設厚度，降阻效率會有比較明顯的增加，但其增加的幅度逐漸降低，在敷設厚度超過0.1m時，再增加降阻劑的敷設量，對接地電阻的改善作用效果不大，降阻效率最多不超過21%。因此在實際工程應用中，不應盲目增加降阻劑的使用量，適當敷設既能保證降阻效率又節約成本。

四是隨著接地網面積的增加，降阻劑的降阻效率呈現下滑趨勢。相對于接地網本身對接地電阻的影響，降阻劑的作用較小，實際工程中應注意提高降阻劑使用時的技術經濟性。