輸電桿塔不同形狀接地體最大跨步電壓軌跡包絡線分布規律研究

潘子仁，洪書文，毛興華，李 悅，周 威，馬亞琦，林俊超，胡林潔

(長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410000)

隨著國家電網公司提出建設用特高壓為骨干網架，各級電網協同發展的戰略布局，加上新型城鎮化的加速發展，以前人煙稀少的地區現在可能建設成新的工業區或者居住區，輸電線路桿塔的分布也越來越密集，高壓輸電線路穿越人口密集地區的現象將會更加普遍。在線路桿塔遭受雷擊或者發生接地故障時，強大的故障電流經接地裝置入地時可能造成地電位的異常升高，此時桿塔附近可能存在危險的接觸電壓或跨步電壓，此時如果有人在此附近活動，將會造成觸電事故，對人身安全構成威脅。

桿塔接地裝置一般采用水平和垂直接地極為主，沒有均壓措施，當強大的故障電流通過接地裝置入地時，電流在接地導體上各段的散流值大小是不同的，而且電流的這種不均勻散流還受到接地裝置的形狀、幾何尺寸、埋深和屏蔽系數等狀態參數的影響，因此接地短路電流的散流過程是復雜的。在散流過程中，可能會在接地導體上產生電流密度局部最大值，引起局部電勢異常增加，出現危險的跨步電壓對附近人員造成人身觸電事故。因此，對輸電桿塔周圍地電位與跨步電壓的研究是非常重要的[1-2]。

為了探討輸電桿塔不同接地體形狀對地電位與最大跨步電壓分布情況的影響，采用了仿真計算與模擬試驗等方法開展研究，得出不同形狀對其周圍地電位與最大跨步電壓軌跡包絡線分布規律的影響。

對接地裝置而言，會在其周邊一定的范圍存在最大跨步電壓軌跡包絡線，最大跨步電壓軌跡包絡線上的跨步電壓的大小，最能真實反映接地裝置是否安全，找出最大跨步電壓軌跡包絡線可為接地安全改造提供依據，研究具有均勻散流和均壓效果的新型桿塔安全接地方法和重點地段輸電線路接地安全防護措施，都具有極其重要的理論價值、工程應用價值和社會價值[3]。

1 建立不同接地體的試驗模型

為了研究輸電桿塔不同形狀接地體對周圍地電位與最大跨步電壓軌跡包絡線分布規律的影響，對輸電桿塔常見的幾種接地體真實尺寸進行了仿真計算。

幾種接地體模型見圖1。

圖1 不同接地體形狀

圖1中方框邊長為10 m，射線長度為20 m，圓環的周長為40 m。

為了進一步驗證不同形狀接地體對周圍地電位與最大跨步電壓軌跡包絡線分布的影響，對這幾種接地體采用了等比例縮少的方法，進行了現場的模擬試驗[4]，模擬比n=40∶1。

試驗地點在長沙某試驗室的模擬試驗網上進行，首先將三相線路的一相與埋在土壤中的接地裝置相連接，模擬輸電桿塔接地故障，根據測量所需的接地電流調節線路電容的大小，然后通過調壓器及變壓器將母線電壓升高至所設定的電壓值，可以迅速測量接地體周圍的地電位大小分布情況。

通過四極法測量到現場試驗的土壤電阻率為ρ=41 Ωm，采用三極法測得方框型、方框帶4條斜射線型、方框帶4條垂直射線型和圓環型的接地電阻Rd分別為27.70 Ω、11.45 Ω、11.68 Ω、25.02 Ω。

根據單相接地電計算公式[5]：

(1)

式中Id——單相接地電流，A；UX——故障前的相電壓，V；C0——相對地電容，F；Rd——故障點的過渡電阻，Ω。

現場試驗設定各接地體的單相接地電流Id=5 A，經式(1)得到方框帶射線型的2種接地體需調電容大小約為0.928 μF，方框型和圓環型接地體需調電容大小為2.757 μF。

圖2 真值試驗模擬網

2 不同接地體仿真對比分析

針對不同形狀的接地體周圍地電位及周圍最大跨步電壓軌跡的分布情況[6-10]，通過對四種接地體進行仿真試驗，得到其周圍最大跨步電壓軌跡包絡線的分布規律。試驗對四種真實尺寸下的接地裝置施加10 kA工頻接地故障電流，采用四點法注入方式，接地體材質均為圓鋼，直徑12 cm，埋深1 m，仿真試驗采用雙層土壤，第一層的土壤電阻率ρ為50 Ω·m，厚度為1 m；第二層的土壤電阻率ρ為200 Ω·m，厚度為無窮大。

2.1 方框型接地體

方框型接地體是輸電桿塔接地裝置中常見的接地地體模型，其較其他幾種接地體具有制作簡單、施工方便等優點[11-15]，因而對其周圍地電位與最大跨步電壓分布規律研究，找到其適用的區域并能指導工程做出相應的防護措施是十分有意義的。

圖3為10 kA工頻電流方框型接地體地電位分布，圖4 10 kA工頻電流方框型接地體地跨步電壓分布。

圖3 10 kA工頻電流方框型接地體地電位分布

圖4 10 kA工頻電流方框型接地體地跨步電壓分布

如圖3可知，在10 kA工頻接地電流作用下，方框型接地體周圍地電位分布以方框為中心，向四周圓環狀分布，有著明顯的分層現象，相鄰兩顏色的電位差約為3.22 kV，電位大小向著遠離方框中心方向逐漸減少，周圍的電位分布比較均勻。最大地電位分布在方框的四個頂點附近，分布區域極小，高達54 kV，且頂點附近電位分層要相對密集些。

如圖4可知，在頂點周圍有前四種顏色的極小圓環狀分布，且在頂點上有最大跨步電壓分布。在距頂點1 m左右處，又有前四種顏色的一小段弧狀分布，以距頂點約1.5 m處的最大跨步電壓分布的弧形為中心，相鄰兩顏色的跨步電壓差約為1.26 kV，最大跨步電壓的大小約為12 kV。最大跨步電壓的軌跡包絡線分布在方框的頂點周圍。

2.2 方框帶射線型接地體

埋設在土壤中的不同導體之間，或同一導體結構之間，都存在一定的相互屏蔽作用，該作用會影響到接地體的工頻特性。綜合考慮，為了驗證試驗的合理性，試驗采用方框帶垂直型和方框帶斜射線型兩種接地體進行比較。接地體的射線長度相同，方框和射線布置的方向有所差異，試驗結果如圖5～圖8所示。

圖5 10 kA工頻電流方框帶4垂直射線型接地體地電位分布

圖6 10 kA工頻電流方框帶4垂直射線型接地體跨步電壓分布

圖7 10 kA工頻電流方框帶4射線型接地體地電位分布

圖8 10 kA工頻電流方框帶4射線型接地體跨步電壓分布

方框帶4條斜射線型接地體周圍地電位大小圍繞著方框與射線呈現出四角形分層現象，電位線分布較為密集，尤其是在射線末端，電位梯度變化較大；在接地體外圍電位分布較均勻，呈現較大圓環狀。地電位最大區域分布在方框及射線前半段，最大值約為27 kV。跨步電壓較大區域主要分布在射線周圍，最大跨步電壓軌跡包絡線分布在射線末端，圍繞著射線尖端，呈橢圓狀分布，區域較小，幅值約為1 678 V。方框帶4條垂直射線型接地體周圍地電位大小圍繞著邊框與射線呈現四角風車形分層現象，電位線分布較為密集，尤其是在射線與邊框垂直區域與射線末端，電位梯度變化較大；在接地體外圍電位分布較均勻，也呈現較大圓環狀。地電位最大區域分布在方框及射線前半段，最大值約為28 kV。跨步電壓較大區域主要分布在射線周圍，最大跨步電壓軌跡包絡線分布在射線與邊框垂直區域與射線末端，幅值約為1 830 V，在尖端分布的面積較斜射線型有所減小。通過比較，帶4條斜射線型的地電位和最大跨步地壓的大小都要略小于方框帶垂直型接地體。

2.3 圓環型接地體

由DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》可知，居民區和水田中的接地裝置，適宜圍繞桿塔基礎敷設成閉合環形[7]。圓環形接地體的目前使用相對要少些，但隨著社會發展的需要，輸電線路桿塔向人口密集地區分布的現象也越來越普遍，桿塔附近可能活動的人員數量也越來越多。故對散流分布更加均勻的圓環型接地體周圍地電位及跨步電壓分布情況研究是非常有必要的。

如圖9可知，在10 kV工頻接地電流作用下，接地體周圍的地電位大小圍繞著圓環接地體呈現標準的圓環狀，圓環的寬度逐漸增加，相鄰兩顏色的電位差約為3.90 kV，最大地電位分布區域出現在接地引下線與圓環的連接處，高達53 kV，但區域極小，周圍電位梯度下降極快。如圖10可知，在接地引下線與圓環的連接處以及與離其約1 m的位置都有最大跨步電壓分布。前者主要是以點狀分布，區域極小，后者是一小段弧狀分布，并有前四種顏色圍繞其分布，相鄰兩顏色跨步電壓差約1.09 kV，最大跨步電壓大小約為11 kV。最大跨步電壓軌跡包絡線分布在圓環型接地體附近一周的區域。

圖9 10 kA工頻電流圓環型接地體地電位分布

圖10 10 kA工頻電流圓環型接地體跨步電壓分布

3 現場試驗結果對比分析

現場試驗采用等比例縮少的試驗方法，用圓鋼為材料分別制作方框型、方框帶4條斜射線型、方框帶4條垂直射線型以及圓環型四種接地體模型，長度尺寸的縮放比例為40，土壤埋深為20 cm。試驗結果如表1～表4所示。

對于方框接地體來說，其方框各邊的交點處電位最高，電位下降梯度也最為陡峭，其次為方框的四條邊處電位較大，距離接地體越近，電位越高；相比于方框型，方框帶射線型接地體周圍地電位大小有所下降，散流更加均勻，但在其射線的周圍，電位分層比較密集，地位下降梯度較大，最大跨步電壓應該分布在射線周圍。圓環型接地體相比于方框型接地體而言，圓環型接地體周圍電位下降更加均勻，圓環型除電位最高，電位朝著遠離圓環型中心的方向逐漸減小。是較理想的接地體模型，適合在人口密集區使用。

對于方框帶射線型接地體，通過對斜射線、垂直射線接地體的測量數據比較可知，射線與邊框的夾角大小對接地體的散流效果影響不大，離接地體越近的區域電位越高，在接地體的射線末端電位梯度線變化最陡峭，其附近電流線也最密集，也是跨步電壓較大的區域。

綜上所知，由仿真計算與現場試驗得到不同接地體形狀對周圍地電位與最大跨步電壓分布規律基本一致。

圖11 測量點分布圖

4 結語

(1)通過現場試驗與仿真計算分析，得到了方框型、方框帶射線型以及圓環型不同接地體地電位分布與最大跨步電壓軌跡包絡線分布規律。

表1 試驗測得方框型周圍地電位分布 V

表2 方框帶4條斜射線型周圍地電位分布 V

表3 方框帶4條垂直射線型周圍地電位分布 V

表4 圓環型周圍地電位分布 V

(2)結果分析表明，方框帶射線型接地體周圍地電位和最大跨步電壓大小相比于方框型明顯減少，且射線的角度對其影響較少。

(3)綜合比較，對于學校、居民區等人口密集的重點防護區域，采用圓環型接地體比較適合；方框帶射線型接地體適合在人口稀少的山區，并在射線周圍及尖端安裝均壓環。