桿塔接地網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 255049；3.國網山東省電力公司 檢修公司，山東 濟南 250118)

桿塔接地網作為輸電線路最基本的防雷設施，限制桿塔接地網的工頻接地電阻是降低塔頂過電壓，預防絕緣子因反擊造成沿面閃絡的關鍵[1-2]。由于輸電線路桿塔跨越不同的地形、地貌及地質區域，不同地區無法采用統一的桿塔接地網接地降阻策略[3-5]。長期的運行經驗表明，現行的桿塔接地網多采用以下3種施工方式進行接地降阻：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、土質等影響因素，實際施工時往往無法按照設計方案進行降阻施工。采用輔助降阻材料還經常面臨著降阻效率低、降阻長效性差和加速金屬接地體腐蝕等技術瓶頸。采用降阻效率高、實效長的降阻措施同時使得降阻施工達到技術經濟性的要求是輸電運維工作中面臨的重要工程問題[9]。

輸電線路垂直接地降阻作為一種常見的接地降阻措施，垂直接地縱深降阻效率高于水平外延接地降阻[10]，近年來在地形復雜、征地困難等外延施工受限的輸電線路桿塔接地網中得到廣泛應用[11]。在東北、高原等凍土層地區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用范圍廣。實際工程表明，雖然垂直接地降阻效率相對較高，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沒有進行充分的測量與論證，多個接地體之間的屏蔽效應、土壤分層結構等因素使得垂直接地的降阻效率達不到預期[14]。同樣，當發電廠、變電站等大型接地網采用垂直接地降阻時往往也面臨著施工方式不當、屏蔽效應過大等問題[15]，垂直接地施工需要規律性的理論參考。

本文采用防雷接地領域中通用的CDEGS軟件，對輸電線路桿塔接地網采用垂直接地降阻時的影響因素進行仿真計算，分析了“一”字型、方框射線型接地網的垂直接地敷設位置、接地體長度、土壤結構分層對降阻效率的影響規律，仿真計算結果及相關結論，為輸電線路防雷、桿塔接地網降阻施工提供參考。

1 均勻土壤“一”字型接地網垂直接地計算

輸電線路桿塔接地網采用垂直接地降阻時往往與水平接地網配合，在水平接地網的基礎上組成“組合式”接地網。在對已經運行中的桿塔接地網進行垂直接地改造時，往往單獨敷設水平“一”字型接地網，并在水平接地體的基礎上進行垂直接地施工，本文采用CDEGS，分別對均勻土壤與分層土壤情況下的垂直接地進行仿真計算。

1.1 垂直接地位置的影響

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

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

圖1中“一”字型接地網采用圓鋼接地體，接地體電阻率取ρ=1.92×10-6Ω·m，相對磁導率μr=636，直徑為10 mm。水平接地體的長度為10 m，接地體埋深為0.8 m，引下線為單端接地，引下線數量為1，施加的激勵為10 kA。仿真計算所采用的垂直接地體長度為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，仿真計算結果如圖2所示。

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

由圖2的仿真計算結果可知：當垂直接地體敷設在接地網的末端時，其接地電阻最小；當垂直接地體位于首端時其次；而垂直接地體位于水平接地體中點時接地電阻最大。這說明水平接地體對中間位置的垂直接地體的屏蔽作用較強，而對邊緣位置的屏蔽效應影響較小。因此，在實際接地施工時，應盡可能地將垂直接地體敷設在接地體的邊緣位置，從而降低整個接地網的接地電阻。

1.2 垂直接地長度的影響

垂直接地體的敷設長度對接地電阻有影響。為了模擬垂直接地體不同敷設長度對接地電阻影響規律，在CDEGS仿真軟件中建立“一”字型接地網模型。“一”字型接地網采用1.1節所述的圓鋼接地體，水平接地體的長度為15 m，接地體埋深為0.8 m，引下線為單端接地。仿真計算所采用的垂直接地體敷設在“一”字型接地網的末端位置，垂直接地體的長度分別為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，仿真計算結果如圖3所示。

圖3 垂直接地體長度對接地電阻的影響Fig.3 Effect of vertical grounding conductor length on grounding resistance

由圖3計算結果可知，在均勻土壤地質條件下，隨著接地體長度的增大，其接地電阻逐漸降低。因此，在實際接地施工時，在施工條件允許的情況下，應盡可能地增加垂直接地體的長度。但隨著垂直接地體長度的增加，接地網的施工費用也隨之提高。實際施工時應綜合考慮施工成本，保證接地網的設計與施工達到技術經濟性的要求。

2 分層土壤“一”字型接地網垂直接地計算

實際輸電線路所處的地質條件并非均一土壤，更多的土質條件是分層土壤。其中，比較有代表性的地質條件為：表層主要由稀薄土壤層構成，中間層為砂石、巖石等地質條件，底層為含地下水的土質。為了分析地質分層對垂直接地體接地電阻的影響規律，仿真采用較為復雜的三層地質結構，各層土壤電阻率見表1。

表1 土壤分層結構參數
Tab.1 Parameters of soil stratification structure

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

垂直接地體的敷設長度對接地電阻有影響。為了模擬垂直接地體不同敷設長度對接地電阻影響規律，在CDEGS仿真軟件中建立“一”字型接地網模型。“一”字型接地網模型及參數與1.2節的相同。圖4為垂直接地體長度對接地電阻的影響規律。由圖4仿真結果可知，隨著接地體長度的增大，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。結合表1的土壤分層可知，垂直接地的降阻效果與土壤地質結構密切相關：當垂直接地體僅觸及到土壤電阻率較高的砂石、巖石時，降阻效率并不高，只有當接地體的底部觸及到底層地下水地質時，接地電阻才能迅速降低，但該降低幅度與均勻土壤一致，也呈現出逐漸降低的趨勢，這同樣是由于垂直接地長度足夠大時，參與散流的土壤已經趨于飽和，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度對接地電阻的影響Fig.4 Effect of vertical grounding conductor length on grounding resistance under soil stratification

由以上仿真結果可以看出：(1)無論是均勻土壤還是分層土壤結構，水平接地體采用垂直接地降阻時，盡可能將垂直接地放置在屏蔽效應較小即接地體分布稀疏的位置，如接地體的末端、非交叉點等位置；(2)當接地網處于土壤分層土質條件時，垂直接地降阻應充分考慮地質分層結構，尤其是底層為高土壤電阻率的砂石、巖石時，采用垂直接地降阻效果往往并不理想；(3)當土壤層存在低土壤電阻率的地質層(如地下水土質層)時，接地體觸及該土質層時整體降阻效率較高；(4)無論是均勻土壤還是分層土壤結構，垂直接地長度超過20 m時，降阻效率有變緩的趨勢，而此時施工難度和成本往往呈現數量級上的增加。因此，實際施工時，應充分考慮垂直施工深度與降阻效率、成本的關系，使得垂直接地施工達到技術經濟性的要求。

3 方框射線型接地網垂直接地計算

方框射線型接地網是輸電線路桿塔接地網典型設計中最為常見的，施工時在塔基外繞口字型接地網的4個角分別放射出4根接地射線，與每條邊夾角為135°。本文針對該典型接地網的垂直接地降阻效率進行仿真計算，模型為邊長和射線均為15 m的方框射線型接地網，土壤電阻率為300 Ω·m，接地材料同樣采用1.1節所述的圓鋼接地體，直徑為10 mm，接地網埋深為0.8 m，注流點為4個引下線，接地模型如圖5所示。

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

3.1 垂直接地位置的影響

仿真計算所采用的垂直接地體長度為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、中點和尾端設置垂直接地體，仿真計算結果如圖6所示。

圖6 方框射線型接地網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，當垂直接地體敷設在接地網的射線末端時，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算結論一致。當垂直接地體位于多條導體的交匯點時，接地體之間的屏蔽效應增大，此時垂直接地體的散流作用降低。因此，在實際接地施工時，應盡可能地將垂直接地體敷設在接地體的射線末端位置，從而降低整個接地網的接地電阻。

3.2 垂直接地長度的影響

此外，針對射線末端接地體的長度對整個接地網的影響進行仿真，垂直接地體的長度分別為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，仿真計算結果如圖7所示。

圖7 方框射線型接地網垂直接地長度對接地電阻影響Fig.7 Grounding resistance of square belt-shaped grounding grid with different grounding length

由圖7仿真計算結果可知，隨著接地體長度的增大，接地網整體接地電阻逐漸降低。隨著垂直接地長度的增大，接地網整體接地電阻的降低幅度同樣變緩，但變化梯度與“一”字型接地網垂直接地降阻的相比較高，這說明接地網中垂直接地數量越多，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。但也應該認識到，隨著垂直接地體長度的增加，接地網的施工成本也隨之提高，方框射線型接地網采用垂直接地降阻的技術經濟性也隨之降低。

3.3 分層土壤垂直接地計算

與水平接地網類似，當接地網處于分層土壤地質條件時，分析接地體與不同土壤層的相對位置對接地電阻的影響規律。仿真所設定的土壤分層與表1參數一致，4條射線取垂直接地的位置均處于射線接地體的末端，當垂直接地體長度分別為5 m、10 m、15 m、20 m和25 m時，不同土壤分層結構下接地網的接地電阻計算結果如圖8所示。

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

由圖8計算結果可知，在土壤分層條件下，方框射線型接地網同樣存在“階躍式”降低趨勢。當方框射線型接地網采用垂直接地進行接地降阻時，接地體觸及到低土壤電阻率的地質層時，接地網整體降阻效率較高，存在“階躍式”降低規律。這提示在典型桿塔接地網進行接地降阻時，應采用四極法實際測量接地網所在地的土壤電阻率，并對不同測量電極間距下的土壤電阻率進行反演計算，得到測量點的土壤分層結構。桿塔接地網宜根據土壤分層結構進行垂直接地體施工，使得垂直接地體觸及底層低土壤電阻率的土質層，此時接地降阻效率高。當底層土壤電阻率較高時，采用常規垂直接地施工方法進行降阻，技術經濟性較低，桿塔接地網達不到降阻效果。

由以上分析可知，桿塔接地網垂直接地的降阻效率與垂直接地體的分布位置、垂直接地體長度、土壤分層結構有直接關系，以此類推，本文仿真計算結論同樣適用于發電廠、變電站等大型接地網的垂直接地施工。大型接地網受限于外延施工面積，采用垂直接地降阻概率相對更高，而發電廠、變電站的接地施工同樣應充分考慮土壤分層結構對垂直接地降阻效率的作用規律。

4 結論

本文采用CDEGS軟件，對輸電線路桿塔接地網采用垂直接地降阻時的影響因素進行仿真計算，得到規律性的結論：

1)常見“一”字型接地網與方框射線型接地網垂直接地體放置在屏蔽效應較小即接地體分布稀疏的位置時，降阻效率最高，實際施工時應在端部、非交叉點的位置放置垂直接地體。

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

3)當接地網所處土壤為分層結構時，若底層為高土壤電阻率的砂石、巖石時，采用垂直接地降阻效果不理想。

4)在土壤分層條件下，當底層存在地下水等較低電阻率的土壤層，垂直接地體觸及該土質層時，接地電阻存在“階躍式”降低趨勢。

本文仿真計算相關結論為輸電線路桿塔接地網以及發電廠、變電站接地網的接地降阻施工提供實際參考。