垂直接地極對輸電線路桿塔接地電阻的影響效果

程育林，方鵬，江雷，楊鑫，易俊華

(1.國網湖南省電力有限公司經濟技術研究院，湖南長沙410004；)2.國網湖南省電力有限公司，湖南長沙410004；3.長沙理工大學，湖南長沙410114)

輸電線路桿塔接地電阻對輸電線路的反擊耐雷水平有重要影響。降低桿塔接地電阻是提高輸電線路反擊耐雷水平的重要手段。在實際輸電線路建設工程中，對輸電線路桿塔的接地電阻均有嚴格限制。在湖南地區，即使在高土壤電阻率的山巖地區，輸電線路桿塔的接地電阻一般也應小于20 Ω[1-3]。

為解決高土壤電阻率地區輸電線路桿塔接地降阻困難的問題，近年來國內外出現了許多新型接地技術，包括針刺式接地極技術[4]、接地模塊技術[5]、空腹式接地裝置[6]、利用桿塔大開挖基礎降阻的接地技術[7]、利用壓力注漿的深井接地技術[8]、導電混凝土技術[9]等。以上技術各有適用的條件，對高土壤電阻率地區輸電桿塔的接地降阻起到有益的效果，但從技術經濟效益綜合比較來看，仍無法大規模推廣使用。

在高土壤電阻率地區，在鋪設水平接地體的同時，接入一定數量的垂直接地極，共同構成立體地網，對改善桿塔接地裝置的雷電沖擊散流特性具有重要作用，同時具有較好的綜合技術經濟效益[10-12]。普遍認為，水平接地體射線的長度是影響輸電桿塔接地裝置的主要因素。垂直接地極對加強雷電入地電流的散流效果和對降低接地電阻有一定效果，但垂直接地極的長度、等效直徑和間隔距離對桿塔地網降阻的具體效果仍未明晰，直接影響了垂直接地極在輸電線路桿塔接地中的設計和應用。

本文利用垂直接地極與水平接地體構成的立體地網的接地電阻的解析計算方法[13-14]，對垂直接地極在不同間隔距離、長度和等效直徑時，計算立體地網接地電阻；通過數據分析，得到了垂直接地極不同間隔距離、長度和等效直徑對立體地網接地電阻的影響效果，為垂直接地極在輸電桿塔接地中的應用提供了依據。

1 輸電線路桿塔水平接地體和垂直接地極組成的立體地網的接地電阻計算方法

1.1 水平接地體接地電阻的計算

水平放射型接地裝置是目前應用最廣、最常見的輸電桿塔接地裝置，適用于除用地緊張城區以外的各種地區。水平射線的基本形式按土壤電阻率不同分為四角放射形和井字形，如圖1所示。

圖1 水平射線的基本形式

均勻土壤中不同形狀水平接地極的接地電阻，可按式 (1)計算:

式中Rh為水平接地極的接地電阻，Ω；L為水平接地極的總長度，m；h為水平接地極的埋設深度，m；dh為水平接地極的直徑或等效直徑，m；A為水平接地極的形狀系數，可按表1的規定取值[14]。

表1 水平接地體的形狀系數

1.2 垂直接地極的接地電阻計算

1.2.1 單根垂直接地體接地電阻計算

當l＞＞d時，單根垂直接地體接地電阻可由式(2)計算:

式中Rv為單根垂直接地極的接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；l為單根垂直接地極的長度，m；d為垂直接地極等效截面的直徑，m。

1.2.2 多根垂直接地體并聯接地電阻計算

當n根長度為l的垂直接地棒沿直線以間距s均勻分布，并通過水平接地體相連而組成接地電極時，用平均電位法可以導出沿直線均勻分布，間距為s的n根垂直接地棒并聯后的接地電阻Rn可由式(3)計算:

1.3 水平與垂直接地極相結合的輸電線路桿塔接地電阻計算

實際的接地裝置可以設計成由若干條水平接地體和若干個垂直接地體并聯組成。當n根垂直接地棒與埋設在地中的水平接地體相連時，在接地電阻的計算中應同時考慮垂直的和水平的接地體共同的散流作用，水平和垂直接地體組合的接地電阻R可由式 (4)計算:

式 (4)中，R12為水平接地體和垂直接地體的互電阻系數，可用式 (5)計算:

垂直接地極在實際使用中，主要選擇的參數有間隔距離s、垂直接地極的長度l、垂直接地極的等效截面直徑d。水平垂直綜合接地體如圖2所示。

圖2 水平垂直綜合接地體

在湖南地區，有很多地方的土壤電阻率較高。因而，在計算中分別選取典型土壤電阻率ρ分別為1 000Ω·m和3 500Ω·m時進行計算。

2 垂直接地極對立體地網總接地電阻的影響

2.1 間隔距離對立體地網總接地電阻的影響

當土壤電阻率ρ取1 000Ω·m時，水平接地體的放射方式如圖1(a)所示 (四角放射形)，單根水平接地體射線長度取60 m，垂直接地極在水平放射接地線上的施加間隔分別s＝[2 4 6 10 15 20 30 60]m。當土壤電阻率ρ取3 500Ω·m時，水平接地體采用圖1(b)井字形方式，水平接地體射線長度取100 m，垂直接地極在水平放射接地線上的施加間隔分別取s＝[2 4 5 10 20 25 50 100]m。兩種土壤電阻率下桿塔接地體的其他具體參數取值見表2。

表2 計及間隔距離ρ的接地體參數取值

利用公式 (1)— (5)，根據表2中兩種土壤電阻率下桿塔接地體的具體參數取值，計算得到2種土壤電阻率下，垂直接地極的間隔距離s對總體接地電阻R的影響如圖3所示。

圖3 不同間隔距離對電阻影響

由圖2可知，隨著垂直接地體間距s不斷增大，當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時，其綜合接地電阻R的變化均有前期增長快速，后期平緩的趨勢。

當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時，水平接地體的接地電Rh＝10.31Ω。當土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時，水平接地體的接地電阻Rh＝14.84Ω。兩種土壤電阻率下，改變垂直接地極的間隔距離s，垂直接地極施加后的總接地電阻相比水平接地體接地電阻降低的百分比 (降阻效果α)如圖4所示。

圖4 不同間隔距離的垂直接地極的降阻效果

分析圖3—4可知，當桿塔接地體加入垂直接地極之后，桿塔接地體的綜合電阻均有所減小。當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m，隨著垂直接地體間距s從2 m到60 m，其降阻效果對應的變化范圍為41.90%～1.26%。當土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m，隨著垂直接地體間距s從2 m到100 m，其降阻效果對應的變化范圍為48.43%～2.29%。綜合上述不同土壤電阻率條件下不同垂直接地體間距s的降阻效果，當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時，建議垂直接地極的間隔距離s取12 m；當土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時，建議垂直接地極的間隔距離s取20 m。

2.2 長度對立體地網總接地電阻的影響

當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時，設置水平接地體單根長度為 60 m。當土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時，水平接地體單根長度為100 m。兩種土壤電阻率下單根垂直接地極的長度變化范圍均設置為l＝ [0.1 0.5 1 2 3 5 10 15]m。兩種土壤電阻率下桿塔接地體的其他具體參數取值見表3。

表3 計及垂直接地極長度的接地體參數取值

利用公式 (1)— (5)，根據表3中兩種土壤電阻率下的桿塔接地體具體參數取值，計算得到2種土壤電阻率下，不同垂直接地極的單根長度l對總體接地電阻R的影響如圖5所示。

圖5 不同垂直接地極的單根長度對電阻影響

從圖5可以看出，隨著垂直接地極的單根長度不斷增大，當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時，其綜合接地電阻R的變化均有前期快速減小，后期平緩的趨勢。

當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時，水平接地體的接地電阻Rh＝10.31Ω；當土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時，水平接地體的接地電阻Rh＝14.84Ω。兩種土壤電阻率下，改變垂直接地體單根長度后總電阻值相比水平接地體接地電阻降低的百分數 (降阻效果α)分別如圖6所示。

圖6 不同垂直接地體單根長度的垂直接地極的降阻效果

分析圖5—6可知，當垂直接地極的單根長度不斷增大時，桿塔接地體的綜合電阻不斷減小。當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m，垂直接地體單根長度l從0.1 m增到15 m，其降阻效果對應的變化范圍為0.78%～60.43%。當土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m，垂直接地體單根長度l從0.1 m增到15 m，其降阻效果對應的變化范圍為0.81%～53.84%。綜合上述不同土壤電阻率條件下不同垂直接地極單根長度l的降阻效果，當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時，建議垂直接地極的單根長度l取3 m。

2.3 等效直徑對立體地網總接地電阻的影響

當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時，水平接地體單根長度為60 m；當土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時，水平接地體單根長度為100 m。兩種土壤電阻率下的垂直接地體等效直徑d＝[0.01 0.02 0.03 0.06 0.1 0.15 0.2 0.3]m。兩種土壤電阻率下桿塔接地體的其他具體參數取值見表4。

表4 計及垂直接地體等效直徑的接地體參數取值

利用公式 (1)— (5)，根據表4中兩種土壤電阻率下桿塔接地體的具體參數取值，計算得到2種土壤電阻率下，垂直接地體等效直徑d對總體接地電阻R的影響如圖7所示。

圖7 不同垂直接地體等效直徑對電阻的影響

從圖7可以看出，隨著垂直接地體等效直徑不斷增大，當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時，其綜合接地電阻R的變化均有前期快速減小，后期平緩的趨勢。

當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時，水平接地體的接地電阻Rh＝10.31Ω；當土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時，水平接地體的接地電阻Rh＝14.84Ω。兩種土壤電阻率下，改變垂直接地體等效直徑后總電阻值相比水平接地體接地電阻降低的百分數 (降阻效果α)分別如圖8所示。

圖8 不同垂直接地體等效直徑的降阻效果

分析圖7—8可知，當垂直接地體等效直徑d不斷增大時，桿塔接地體的水平垂直綜合電阻不斷減小。當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m，隨著垂直接地體等效直徑d從0.01 m增到0.3 m，其降阻效果對應的變化范圍為23.76%～34.04%。當土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m，隨著垂直接地體等效直徑d從0.01 m增到0.3 m，其降阻效果對應的變化范圍為24.33%～32.14%。綜合上述不同土壤電阻率條件下不同垂直接地體等效直徑d的降阻效果，當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時，建議垂直接地體等效直徑d不超過0.02 m。

3 結語

輸電線路桿塔接地電阻的大小對輸電線路的反擊耐雷水平有重要影響。輸電桿塔接地裝置的一般型式是由水平接地體和垂直接地極組成的立體地網。本文通過相關接地規程中規定的接地電阻的計算方法，系統分析了垂直接地極的形式對總體地網接地電阻的影響效果。

1)隨著垂直接地體間距s從最小間隔 (垂直接地極長度的2倍)開始不斷增大，總體接地電阻R的變化均有前期增長快速，后期平緩的趨勢。典型設計參數下，間隔s對總體接地電阻R的影響范圍在 1%～48%左右。當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m時，建議垂直接地極的間隔距離s取12 m；當土壤電阻率ρ＝3 500Ω·m時，建議垂直接地極的間隔距離s取20 m。

2)隨著垂直接地極長度l的增加，桿塔接地裝置的總體接地電阻R不斷減小，且有前期增長快速，后期平緩的趨勢。典型設計參數下，單根垂直接地體的長度從0.1 m增到15 m，對總體接地電阻R的影響范圍在0.81%～53.84%。當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時，建議垂直接地極的單根長度l均取3 m。

3)隨著垂直接地極的等效截面直徑的不斷增大，總體接地電阻R的變化有前期減小速度較快，后期平緩的趨勢。垂直接地極的等效截面直徑從0.01 m增到0.3 m，對總體接地電阻R的影響范圍在24.33%～32.14%。當土壤電阻率ρ＝1 000Ω·m和ρ＝3 500Ω·m時，建議垂直接地體等效直徑d不超過0.02 m。