不同針刺型接地網結構的雷電沖擊散流特性影響分析

咸文濤，張坤，郭贏，崔仙政，胡元潮

（1.國網山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255000；2.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000）

0 引言

輸電線路桿塔的重要作用體現在：在線路遭受雷擊或發生短路故障等意外情況時可以迅速地提供電流散泄的通道，從而穩定電位，保證輸送電設備的正常運行和工程應用中的人身財產安全［1-2］。輸電線路防雷實際工程經驗表明，相比于優化絕緣子性能、外加避雷設備、自動重合閘等防雷手段會增加設備投入、損耗及人工成本［3］，降低輸電線路桿塔沖擊接地電阻在優化線路耐雷性能方面相較于其他措施應用最廣［4-6］。在高幅值雷電流作用下，桿塔接地網的火花放電現象對于接地網沖擊散流性能的提高有顯著作用。因此，如何充分利用接地網火花放電現象以優化接地裝置的沖擊散流性能，對電力系統線路雷電防護具有現實意義。

目前對接地裝置的散流性能優化已進行了較多研究，路永玲團隊以單根水平接地極為研究對象，采用模擬試驗和數值仿真的方法，研究了接地體長度、電流幅值、電流注入點位置對沖擊特性的影響，并分析了瞬時沖擊接地電阻隨時間的變化特性，得出了沖擊電流幅值越大，火花效應越明顯，沖擊接地電阻和沖擊接地系數越小的結論［7-8］。司馬文霞等［9］為研究兩種不同典型接地體沖擊散流特性的異同，進行了不同土壤電阻率情況下的試驗，并將結果推廣到利用針刺導體改善散流性能的實際應用中；童雪芳等［10］基于自然情況下的土壤情況，設置了自然土壤電阻率下的典型接地極并改變接地參數，對不同接地裝置的降阻性能進行了比較。

為了增大接地體的沖擊火花放電效應，學者們提出了在主接地體上增加針刺型外延的接地形式。鄭州大學李景麗［11］研究了針刺型接地的降阻方式及降阻效果，系統分析了加針刺降阻機制并通過試驗對其降阻機理和效果進行分析驗證。重慶大學袁濤［12］將添加針刺后接地體與針刺之間的相互影響作用作為主要研究對象，進一步探究了針刺長度、間距對接地體降阻效果的影響。

為了深入研究針刺結構對接地網的沖擊接地特性的影響，搭建“一”字形水平針刺接地極沖擊散流計算模型，分析針刺數量、針刺長度及針刺間距對接地網沖擊散流特性的影響，從理論上對比分析不同因素對接地網周圍空間電場及電流分布、沖擊接地阻抗、散流效率等接地性能的影響規律。

1 針刺型接地網雷電沖擊特性計算模型

1.1 針刺型接地網幾何材料模型

為更加直觀且準確地研究添加針刺后接地極的沖擊散流特性優化效果，在長度為Ly的“一”字形接地導體上設置針刺，針刺導體與“一”字形水平接地極相互垂直，埋設在土壤中，長度為Δl。加針刺后接地裝置的結構尺寸如圖1所示。

圖1 “一”字形接地體加針刺幾何結構

為使試驗結果更接近工程實際，本文利用仿真軟件建立了三維立體半球形土壤模型，如圖2 所示。設置土壤條件為土壤電阻率為1 000 Ω·m 的高電阻率土壤，土壤相對介電常數εr=8。“一”字形接地極埋深為0.8 m。接地極材料為直徑為12 mm 的鍍鋅鋼材料，相對電阻率ρ=109.7，相對磁導率μr=636。球體半徑設置為接地體長度的10倍。

圖2 三維土壤模型

1.2 數學模型及邊界條件

1.2.1 數學模型

當雷云天氣下桿塔受到雷擊時，雷電流由接地極進入大地，此時土壤中所產生的電磁場隨時間變化。該過程可由方程（1）描述。

式中：H為磁場強度；D為電位移向量；E為電場強度；J為由傳導電流Jc和位移電流構成的全電流密度［4］。

1.2.2 邊界條件

引進變量電位φ，使其滿足E=-?φ，當電流注入接地極首端時，散流過程如方程（2）所示。

式中：γ、?分別為散流媒質的電導率和介電常數。

在接地裝置散流過程中，式（3）表示在無窮遠處，電流場引起的電位為零，且水平地面垂直方向上的電流為零，即

式中：ω為入地電流的角頻率；n為垂直于地面方向上的向量。

另外，在接地極一端注入電流時，該端點處滿足條件

式中：s為接地極長度。

在該模型所設置條件中，接地裝置與土壤、不同電阻率的土壤與土壤的連接處均符合連續性邊界條件的設定。

在網格拆分求解過程中，用空間坐標變換將無窮大的散流空間映射為有限區域，并采用有限元網格劃分的方法，對于時間域的求解，本文采用的是有限差分網格劃分的方式［13-16］。

在仿真計算中，采用雙指數函數描述幅值100 kA、波形2.6/50 μs的雷電流如式（5）所示。

式中：Im為注入電流峰值；t為時間變量。

雷電流注入位置為“一”字形接地極首端，波形如圖3 所示。沖擊電流迅速達到幅值100 kA 后緩慢下降。

圖3 注入沖擊電流波形圖（100 kA）

2 結構型式對針刺型接地網沖擊特性影響分析

針刺形式對接地網的雷電沖擊特性具有顯著影響，為此，本節計算分析了針刺數量、針刺長度及針刺尺寸等因素對接地網雷電沖擊特性的影響。

2.1 針刺數量

實際接地網中針刺數量會影響接地網的雷電流散流路徑，改變接地網的沖擊散流特性。仿真計算中，針刺長度ΔL=1 m，針刺間的距離為Δd=0.2 m，針刺數量分別選取1、2、3、4、5 個。在幅值為100 kA 的2.6/50 μs 雷電流作用下，不同數量的針刺對“一”字形水平接地極周圍電流密度、電場強度、電位分布如圖4—圖6所示。

圖4 不同數量針刺的接地極電流密度分布云圖

圖5 不同數量針刺的接地極電場分布云圖

圖6 不同數量針刺的接地極電位分布云圖

從圖5 中可以看出，在添加不同數量針刺的“一”字形水平接地極上，100 kA、2.6/50 μs 的沖擊雷電流產生的電場強度最高可達5×103kV/m，遠遠超過了土壤電阻率為1 000 Ω·m 的土壤擊穿場強300 kV/m［17-18］，所以在分析接地極向大地散流這一過程時，需要考慮土壤火花放電的影響。因此在沖擊電流經接地導體向土壤流散過程中必定發生火花放電。

如圖6 所示，由于針刺結構等效于為“一”字形單根水平接地極增加人為端部，短導體周圍出現端部效應，短導體周圍的電流密度增大，注入的沖擊電流在短導體處散流進土壤，使短導體附近的散流比例上升，增強了該接地極的散流效率，從而增強了散流性能。為了進一步分析針刺數量對“一”字形水平接地體的沖擊接地特性的影響，計算了不同針刺數量下水平接地體的沖擊接地電阻，如圖7 所示，計算結果表明該“一”字形水平接地極的沖擊接地電阻隨針刺數量的增大而減小。

圖7 不同針刺數量下水平接地體接地電阻

2.2 針刺長度

針刺過短，會受到水平接地極本身的火花放電效應的影響；針刺過長，則在工程實際應用中會造成建造成本增加的后果［19］。針刺長度變化會影響針刺電極間的屏蔽效應，從而改變接地極表面的雷電沖擊散流特性。因此，確定合適的針刺長度保證針刺短導體降阻效果的重要依據。為此，本節選取單針刺“一”字形接地極作為研究對象，針刺長度分別為0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m。

不同針刺長度下單針刺“一”字形水平接地極周圍剖面電場、電流密度、電位分布云圖如圖8—圖10所示。

圖8 不同長度針刺的接地極電場分布云圖

圖9 不同長度針刺的接地極電流密度分布云圖

圖10 不同長度針刺的接地極電位分布云圖

為了對比針刺長度對接地極沖擊接地特性的影響，計算不同針刺長度下接地極的沖擊接地電阻如圖11所示。

圖11 不同針刺長度下水平接地體接地電阻

如圖11 所示，當添加針刺長度小于0.05 m 時，沖擊接地電阻的阻值隨著針刺長度的增加而增加；當短導體長度時大于0.05 m 時，接地電阻的阻值與長度成反比。

之所以“一”字形水平接地極的沖擊接地電阻值隨添加針刺長度的變化趨勢出現以0.05 m 為轉折點的現象，是因為在當前模擬試驗條件下，由于“一”字形接地極與針刺之間在沖擊電流作用下產生了屏蔽效應［20］，該效應作用的范圍半徑在0.05 m 左右，而此時所設置的針刺長度正好被包裹在該屏蔽區域內。這種屏蔽作用使得針刺與水平接地極所銜接的部分的電場相斥，電場強度下降，沖擊接地電阻上升。而當設置針刺長度大于0.05 m 時，針刺給“一”字形接地極帶來的人為“端部”所增加的散流性能超過與原接地極之間屏蔽效應對火花放電區域所帶來的負面影響，從而使整體沖擊接地電阻呈現下降趨勢，達到改善接地極沖擊散流性能的目的。

2.3 針刺間距

在針刺數量和針刺長度固定不變的基礎上，針刺間距作為影響短導體之間屏蔽效應強弱的重要因素，在針刺降阻問題中占據重要地位。本節設置針刺的不同間距仿真模型，對仿真計算結果進行分析。仿真計算中，針刺長度ΔL=0.1 m，針刺數量n個，針刺間的距離為Δd=1 m、0.5 m、0.4 m、0.2 m。

為直觀體現針刺間距對接地極沖擊散流性能的影響，定義各測量節點如圖12所示。

圖12 測量節點

為了表征某一因素對于桿塔接地電阻的影響程度，引入散流比例η作為標準，降阻效率定義為

式中：Imax為注入總電流峰值；I（n）為測量節點n的沿水平接地極方向上的電流峰值。

將“一”字形水平接地極添加短導體后的結構劃分為5段等長度導體，利用計算后的散流比例η對添加不同間距的等長度針刺的“一”字形導體進行散流性能的評價與比較。當散流比例較高時，說明各針刺之間的屏蔽作用較弱，接地極的散流性能得到了加強；散流比例較低時，說明各針刺之間存在較強的屏蔽效應，此情況下添加的針刺間距未能達到提高接地極散流性能，降低沖擊接地電阻的目的。所研究的四種間距的五段等距離導體上的軸向電流分布如表1所示。

表1 接地極軸向電流分布

由表1 可知，針刺間距改變會使接地極各段導體的散流比例發生明顯變化。在某一間距下接地極首端及末端的散流比例較大，中間各段散流比例較小，整體呈現U 形變化趨勢。這是因為由于沖擊電流入地后接地極存在端部效應，兩端由于火花放電導致散流程度大，所以端部的散流比例較大。針刺間距不同時，在接地極上設置的針刺間距越大，各段導體的散流比例也隨之增加。這說明在針刺長度不變的情況下，相鄰短導體之間的距離越近，屏蔽效應越顯著越不利于提高各段導體的散流性能。

不同間距針刺下針刺“一”字形水平接地極周圍剖面電流密度、電場、電位分布云圖如圖13—圖15所示。

圖13 不同間距針刺的接地極電流密度分布云圖

圖14 不同間距針刺的接地極電場分布云圖

圖15 不同間距針刺的接地極電位分布云圖

從圖13 可知，在針刺長度不發生改變的情況下，在“一”字形水平接地極上添加不同間距的針刺會導致“一”字形水平接地極周圍的電流密度發生改變，隨著添加針刺密度的增加，相鄰的針刺之間存在的屏蔽效應增大，電流密度減小。

對“一”字形水平接地極添加相同長度，不同間距的針刺，對沖擊接地電阻進行計算，計算結果如圖16 所示。隨著對水平“一”字形接地極添加針刺的間距的增大，接地極的沖擊接地電阻也隨之下降。當間距小于0.4 m 時，沖擊接地阻抗下降的速度較快，當間距處于0.4m到1m之間時，沖擊接地阻抗值下降的速度較慢。沖擊接地阻抗下降的原因是各短導體之間存在的屏蔽效應由于間距增大而下降，接地極的散流性能增強，更有利于沖擊電流的散泄。但隨著添加針刺密度的減小，針刺數量也隨之下降，由于添加端部而帶來的散流效果也被削弱。此時相鄰針刺彼此存在的屏蔽效應很弱，針刺數量改變帶來的影響成為主要影響因素。

圖16 不同針刺間距下水平接地體接地電阻

3 結語

本文分析了不同數量、長度、間距針刺對輸電線路桿塔接地極沖擊散流性能的影響，從理論上得出了通過在接地極上設置針刺可以顯著提高接地裝置的散流性能的結論。具體如下：

1）增加針刺數量有利于優化接地導體的沖擊散流特性。但另一方面，由于導體之間存在會影響散流效率的屏蔽效應，一味增大針刺數量會導致針刺密度增大，各針刺之間，針刺與“一”字形接地極之間的屏蔽效應增強，從而影響接地極整體的散流效率。

2）針刺過短，會受到水平接地極本身的火花放電效應的影響。針刺過長，則在工程實際應用中會造成建造成本增加，對建造環境要求的升高的后果。綜合考慮針刺長度建議取接地極長度的20%為宜。

3）在針刺尺寸不發生改變的情況下，增加針刺間距對改善電流屏蔽效應的效果并不是越大越好。減小間距，屏蔽效應對沖擊散流特性的影響占主要地位；增大間距，針刺數目減小對提高散流效率的影響較大。