计算分析
孙帆1，陶礼兵2，刘浔1
（1.新疆电力公司电力科学研究院，乌鲁木齐830011
（2.浙江省电力公司衢州电力局，324000）
摘要：杆塔接地装置的冲击电阻大小直接影响输电线路安全，针对浙江衢州特殊的地理环境，设计了一种
改进型接地装置，在不改变接地装置覆盖面积的同时，相比较原先使用的接地装置具有更好的雷电冲击特性，经ATP-EMTP仿真计算该型电极的冲击接地电阻，并与现在使用较为普遍的接地电体模型进行对比，证明该电极具有更好的冲击特性。
关键字:输电线路接地体冲击接地电阻ATP-EMTP中文图书分类号：TM86
文献标识码：A
1.引言
有效地降低杆塔冲击接地电阻是确保电力系统安全，提高线路耐雷水平的重要措施。铺设接地电极需要考虑杆塔所在地区环境因素，综合考虑工程实际情况。目前较多时用的接地装置不能完全满足防雷需求，出现了一定的雷击跳闸现象，故需要在实践中寻求改进。
浙江衢州雷暴天气较为频繁，防雷水平要求较高，同时地处丘陵地势施工难度大，如果在原有模型基础上加长伸长射线需要占用更多土地，并且增加了施工难度，并且效果有限，结合当地特殊地形环境及工程实际，设计出一种有利于现场施工并具有较好雷电冲击特性的接地装置，并且通过APT-EMTP计算该接地体等效模型，验证了该新型电极具有比原先使用的接地电极更好的冲击特性。
2.接地体模型
浙江衢州地区且当地土壤电阻率较高，部分地区达到3000Ω/m以上，山区110kV，220kV杆塔较易遭受雷击，故防雷水平要求高。目前110kv及220kv较多采用水平铺设的放射状电极如图1，但在线路运行中出现了一定的雷击跳闸现象，不能满足我们日益增长的安全生产要求，所以根据防雷工作的实际经验，结合环境因素综合考虑，设计了这一款改进型接地电极，模型两视图如图2所示。
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laa图1.普遍使用的水平接地体模型图2.改进型接地装置两视图
图中a=10m,l=20m,d=1.5m,标有叉的节点连接有垂直接地棒，垂直接地棒长度为1.5m，埋深h=0.8m。该接地装置可以再不增加射线长度的情况下，利用有限的土地资源，降低杆塔冲击接地电阻，并且多方面的考虑了结构对接地体散流特性的影响，谨慎的使用垂直地桩，节约材料，具有较好的经济性能。基于这样的设计对于现场不适合填埋四面放射性电极的地区，可采用两面伸长结构的接地极，适度加长伸长部分和垂直接地柱，以达到接地电阻值要求。
3.接地体冲击特性模型
在冲击电流作用下，接地体可以视作有电感电容点到和电阻组成的π型等值电路[1][3]，图3中R0为各段接地体自身电阻，C和G分别为各段接地体对地电容和泄流电导，L0是各段接地体的电感。
模型中各参数的计算公式为[2]：
图3.任意段接地体等值回路
R=ρ0l/SG=
πρ（ln（2l/2hr）−1）
（1）
（2）
7
L0=2×10-（ln（2l/r）−1+0.25β）
（3）
ρ0=0.05Ωmm2/m为接地体电阻率，S为接地体截面积，h为填埋深度，ρ为土壤电
阻率，r为导体半径，l为接地体长度。当导体埋深为h时，根据镜像原理，可得导体对地电容为：
C=C1(r)+C1(2h−r)C1(r)=
2πε0εrl（4）（5）
r/l+ln（（l+l+r）/r）-1+r/l2222
式中εr为土壤相对介电常数，在实际计算中取εr=8×10
11
，ε0为空气相对介电常数。特
别的在对垂直接地桩建立等效模型的时候，由于垂直导体对地电容极小，可以考虑忽略。考虑到雷电流幅值大，波头陡的特性，接地体周围土壤会发生击穿，即发生火化效应，接地体散流半径会变大，甚至远远超过接地体自身半径，这时个参数的计算半径就要发生变化，而根据电感和电阻的定义，可以认为他们不随火化效应放点区域的变化。由E=Jρ可以得到每段导体的等效散流半径ri=
ρ∆Ii，式中∆Ii为通过第i段道题流向大地的电流，∆l2π∆lEc为导体长度，Ec为土壤临界击穿场强，经验公式可得：Ec=241ρ0.215。
4.接地体冲击特性计算分析
为了验证新型电极的性能，使用ATP-EMTP计算了新型电极在不同土壤电阻率，不同雷电流幅值下的冲击特性，并比较了在结构尺寸一定时，两种电极的冲击电阻随土壤电阻率的变化，以及在土壤电阻率一定时，冲击电阻随冲击电流幅值变化的对比。
衢州地区土壤电阻率较高，故选取ρ=500-3000Ω/m这个范围进行计算，根据以往的研究，雷电流幅值大多集中在40-150KA[4][5]，采用的冲击电流波形为2.6/50µs。表1所示，当冲击电流为50KA，采用一点注入电流，两种接地电极内框尺寸均为a=10m，l=20m时，两种电极冲击电阻随土壤电阻率的变化。表中R0，R1分别为原先使用的电极和新型接地电极冲击电阻阻值。
表1.两种接地装置在不通电阻率环境下的冲击电阻值
I=50KAρ=500（Ω/m）ρ=1000ρ=1500ρ=2000ρ=3000
R0/ΩR1/Ω
5.782.55
9.475.21
12.897.26
15.779.57
21.7314.26
由已知研究成果，当ρ大于500Ω/m后，冲击电阻随土壤电阻率的增加的趋势逐渐变缓，
通过对比计算结果，在相同环境下，新型电极可以有效降低冲击接地电阻，降低雷击过电压幅值，保障电网的稳定运行。
表2所示为当ρ=2000Ω/m，结构尺寸一定时，两种电极冲击电阻随不同冲击电流幅值的变化。
表2不同幅值电流下的冲击电阻值变化
ρ=2000Ω/mR0/ΩR1/Ω
I=50KA15.779.57
I=70KA14.819.01
I=90KA13.928.66
I=100KA13.558.03
随电流幅值增大，火花效应的影响更加明显，冲击电阻呈减小趋势，由计算结果可知，冲击电流幅值在100KA以下时，两种电极冲击电阻随电流幅值的变化基本成线性关系，新电极的冲击特性更好。
从工程经济型的角度分析，新型电极每个方向伸长接地体之间的距离较小，在施工环节只需要开挖一条接地沟，相比其他多角度伸长的设计，施工费用更低；同时垂直地桩数量较少，深度仅为1.5m，施工难度不大，且垂直地桩之间间隔长，有利于散流。另外，对于不利于四个方向进行施工的地区（如山坡，山谷地区），可以仅使用两面伸长的接地体，适度增加l长度以及垂直地桩深度，同样可以达到防雷要求。
5.结语
根据计算，本文提出的改进型接地装置相比普遍采用的接地装置具有更好的冲击特性，相同环境下冲击电阻阻值明显降低，同时避免了增加伸长伸长射线，不用扩大施工面积，满足安全输电要求的同时，有效利用土地，并且具有较好的经济效益。
参考文献
1.徐伟，刘浔.基于ATP_EMTP的杆塔接地体冲击接地电阻计算模型，电力建设，2010，35（5）：22-25
2.徐华，吕金煌，文习山.杆塔冲击接地电阻的计算.高电压技术.2006，32（3）：93-953.徐伟.考虑火花效应时杆塔接地装置冲击特性的研究：[硕士学位论文]，湖北：华中科技大学，2008
4.何金良，高玉明等.过电压防护及绝缘配合.北京：清华大学出版社，2002.5.杨少杰，余乃枞.雷电流参数的确定.广东气象，2002，（S2）
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