桿塔接地電極的沖擊散流分布研究及結構優化*

王思捷 黃 松 趙海龍

（1.海南電網有限責任公司電力科學研究院 ?？?570311）

（2.海南省電網理化分析重點實驗室 ?？?570311）

1 引言

桿塔接地電極的作用主要在于泄放雷電流，其雷電沖擊下的特性最能反映出性能特征，仿真研究是一種有效的研究手段。在桿塔接地電極沖擊特性的仿真研究中，比較準確的一種方法是利用CDEGS軟件對桿塔沖擊接地電阻及散流分布進行仿真計算［1～3］。仿真計算過程中，土壤非線性電離因素會對仿真結果造成較大影響，同時，接地電極的材料、埋深及降阻劑、仿真時沖擊電流波形及波形注入的位置等諸多因素都會影響仿真結果，因而需要進一步深入研究。且未見文章就仿真結果進而研究對實際的接地電極的優化改進措施，接地電極的結構優化措施方面的研究不多［4～6］。

鑒于國內外文獻中對桿塔接地電極在雷電沖擊下的散流分布研究存在諸多不足之處，本文以CDEGS軟件為仿真平臺，搭建了基于實際尺寸的接地電極模型，并且考慮了土壤非線性電離等因素影響，深入分析研究了接地電極的散流分布，并根據仿真結果提出了接地電極的優化設計方法。

2 接地電極仿真模型

2.1 接地電極仿真模型介紹

沖擊電流經過桿塔接地電極向土壤散流時，接地電極周圍的土壤會形成不同程度的電離區域，以接地電極為中心向外，根據電離程度依次分為電弧區、火花放電區和半導體區［7～8］，更遠的區域電導率恒定，土壤電離后根據電導率的分區如圖1所示。

圖1 以接地電極為中心向外土壤電離區域示意圖

由于沖擊電流向土壤散流時的電離作用，各區域的土壤電阻率會發生不同程度的變化。其中，電弧放電區電阻率將近降低為零，火花放電區電阻率也大幅降低，數值極低，因此這兩個區域的電壓降較小，可以忽略。因而這兩部分區域可以看做接地極等效半徑的擴增。根據電磁場理論經推導可得電離區域等效半徑的計算式：

從式（1）可以看出，導體的等效半徑與導體自身承受的電流大小正相關。沖擊電流以接地極為中心向外散流時，不同區域的散流程度不同，因此各區域的等效半徑也不同。因而可將接地極分段等效，等效模型見圖2。計算各區域等效圓柱體的半徑時，I取注入導體段的散流電流的峰值。

基于CDEGS軟件計算接地極的沖擊特性時，將導體分段等效，并利用迭代原理求得等效半徑。利用CDEGS采用迭代計算的方法計算接地極的沖擊散流分布，每次計算時迭代計算相鄰兩次等效半徑之差，使兩者的絕對值滿足精度要求即可。

圖2 接地極仿真模型設計

本文仿真計算采用的雷電流模型是雙指數函數來表示。我國規程推薦的防雷計算波形參數為2.6/50μs標準雷電流波形［9～10］，如圖3所示。

圖3 2.6/50μs標準雷電流波形

在SESCAD軟件中搭建接地極的三維仿真模型，如圖4所示。

圖4 三維接地極仿真模型

2.2 接地電極模型沖擊散流計算

本文以文獻［11］中的沖擊散流真型試驗為參考，來驗證搭建仿真模型的準確性。文獻［11］中的沖擊試驗排布如圖5所示，試驗中在地平面0.6m以下埋入半徑為6mm長為15m的單根水平接地極；試驗中的土壤電阻率為29Ω·m；試驗時，分別在單端注入幅值為3.8kA和10.2kA的電流波形為2.6/50μs的標準雷電流沖擊波形。

圖5 參考文獻中的真型試驗布置圖

本次仿真采用與文獻相同的試驗條件以驗證模型的準確性，分別仿真了未考慮土壤周圍區域電離與考慮土壤周圍區域電離的兩種情況，基于此分別計算了注入電流幅值為3.8kA及10.2kA時導體不同段的散流比以做對比。最終仿真結果與文獻試驗結果對比如表1所示。

表1 仿真結果與文獻試驗結果對比

從表中數據可以看出，考慮土壤電離與未考慮土壤電離時，仿真得出的導體各段的散流比顯然有差別；當未考慮土壤電離時，仿真與試驗結果中的導體首末端散流比重差異十分顯著；當導體首端注入電流幅值越大時，各種誤差就越明顯。當電流幅值Im為3.8kA時，與試驗值相比，仿真得到的導體段首端散流比誤差為23.6%，末端散流比誤差為25.7%；當電流幅值Im為10.2kA時，與試驗值相比，仿真得到的導體段首端散流比誤差為27.9%，末端散流比誤差為44.2%。

在考慮土壤電離情況時，計算得出的導體沖擊電流分布與文獻中實際試驗得到的散流分布結果基本吻合，同時仿真計算得出的散流比重結果與試驗值相比也基本一致，誤差較小。鑒于文獻中的試驗本身也會存在一定的誤差，基本可以認為本文建立的考慮土壤電離情況下的接地極仿真計算模型計算出的結果契合實際，在計算接地極散流分布的結果上具備良好的可靠性。

3 實際尺寸接地電極沖擊散流分布仿真分析

本文計算四種實際尺寸接地電極的沖擊散流分布。欲計算各段導體的散流比重，先將導體均勻分段。接地電極形狀、尺寸、分段方式如圖6所示。取土壤電阻率500Ω·m，接地極埋深為0.8m，向接地極注入幅值為20kA的標準雷電流波，分別仿真計算四種接地導體各段的首末端電流值，進而計算得到接地極導體各段的散流百分比。

圖6 四種放射型接地極

計算結果如圖7所示，圖7中（a）～（d）分別對應圖6中（a）～（d）接地極的沖擊散流分布。

由圖7可以看出，四種放射型接地極的沖擊散流分布相似，不同之處在于散流比重略有不同。導體AB各段的散流比重呈拱形狀先增后減，其首段導體散流比重最低，中部導體最大。造成該結果的原因在于，屏蔽效應對導體A端的影響大于導體B端，而AB端中部的導體受影響相對最小。對于水平射線導體BC，其各段散流比重隨對B點距離的增加總體呈先緩速平滑增加后快速增加，至C端比重達到最大，其原因在于隨著對B端距離的增加，屏蔽效應對導體段的散流影響愈來愈弱，同時在靠近C端時，端部效應的影響愈來愈強，靠近C端的導體段散流比重在二者影響的共同作用下迅速增加。同時，相對于AB段，導體BC段的總散流比重要高的多，即單位長度的BC段導體散流效率顯著高于AB段；圖7（d）中BD導體散流分布與BC導體類似。

由此可知，在既定條件下，對上述幾種不同形狀的放射型接地極，由于端部效應和屏蔽效應的共同影響，以及中部方框導體的長度遠小于水平射線的長度，導致中部方框導體的散流能力遠低于水平射線。同時，對于水平射線，由于末端火花效應強，使得端部效應突出，這導致水平射線后半段散流比重高于其前半段。進一步地，對于水平放射型接地極，若在其中部方框上添加短導體，即便有端部效應提升散流能力，但也會因屏蔽效應削弱散流能力，綜合作用使得散流能力依然較差。因此，若要對水平放射型接地極進行結構優化，提高散流能力，在水平射線上添加端部導體比在中部方框上要效果好。

圖7 四種放射型接地極沖擊散流分布

4 接地電極優化設計

根據以上對接地電極的研究可知，端部效應對接地電極的沖擊散流分布有較大影響。本文擬從以下幾個方面出發探討改善接地電極散流效率的方法：一是增強端部效應，二是增加散流通道。以上方法旨在提高散流水平，減小屏蔽效應的影響。

文獻表明，當土壤電阻率較高時，常規接地電極的接地電阻值不能有效滿足桿塔接地要求［12～15］，本文對常見水平放射型接地電極進行優化設計，以圖6（a）放射型接地電極為基礎提出兩種改進型，如圖8所示。兩種改進型接地極設置短導體的位置一致，分別在射線末端和間隔10m處，末端均增設一個夾角為120°、長度為4m的短導體，兩種改進的接地極在10m處設置的短導體均長4m，布置方式有所不同，改進型1是水平布置，改進型2是垂直布置。

圖8 水平放射型接地電極改進型

以下采用CDEGS仿真驗證改進型接地電極的效果。設置沖擊電流為標準雷電流波形（2.6/50μs），土壤電阻率為1000Ω·m，取沖擊電流幅值Im為10kA～100kA時，分別計算常規型和改進型接地極的沖擊接地電阻值Rch。仿真結果如圖9所示。由圖可知，當Im增加時，Rch單調遞減；Im相同時，改進型接地電極的效果顯著優于常規型，且改進型2優于改進型1。

圖9 沖擊接地電阻值比較

5 桿塔接地電極實例分析

基于CDEGS仿真計算方法，對某實際工程中的桿塔接地電極實例進行了分析。實際接地電極的基本型式如圖10（a）所示，方形接地體邊長為15m，放射形水平接地體的長度為18m。同時設計了兩個改進方案，改進方案1如圖10（b）所示，在基本型式的基礎上其放射形水平接地極上每隔3m設置一根垂直于它的長度為2m的短接地體，在放射形接地體兩側水平向外延伸1m；改進方案2如圖10（c）所示，在放射形水平接地極上每隔3m設置一根長度為1m的垂直短接地體。雷電流從方形接地體的四個頂點注入，雷電流波形仍為2.6/50μs，幅值分別為10kA、20kA、30kA、40kA、50kA。取土壤電阻率為100Ω·m，分別計算了三種情況的接地電極在雷電流作用下的電位升高和沖擊接地電阻值。

電極型式在不同幅值的雷電流作用下的電位升高如圖11所示。

由仿真計算數據及圖11所示的仿真結果可以看出，相對于接地電極的基本型式，兩種改進方案的接地電極在不同幅值的雷電流作用下，電位升高都有降低的趨勢，并且沖擊接地電阻的計算值分別為2.28Ω、2.16Ω、2.14Ω，說明兩種改進方案比基本型式的沖擊接地性能都有所改善。對比兩種改進方案的仿真結果可以看出，電位升高和沖擊接地電阻都很接近，說明兩種方案對于改善接地電極沖擊性能的作用基本相同，放射線上加垂直接地體的情況電位升高和沖擊接地電阻值最小，與基本型式的差別超過5%。從結構上講，加水平接地體的改進方案2導體間的屏蔽效應小，最為有利，而改進方案1可能材料利用率偏低；從工程施工的角度看，加水平接地體比加垂直接地體更便于施工。因此，在選擇方案時可兼顧電位升高、沖擊接地電阻值、施工難度、接地材料利用率等因素后，采用最優的設計方案。

圖10 某工程接地電極及改進方法

圖11 改進方案2的電位升高

6 結語

本文搭建了接地極仿真模型，并以真型試驗為參考在CDEGS軟件中驗證了模型的準確性。在考慮土壤非線性電離的情況下，利用CDEGS軟件對四種實際尺寸放射型接地極的沖擊散流分布規律進行了分析，基于沖擊散流分布規律對水平放射型接地極進行了優化設計，提出兩種改進型，最后對某工程實際接地電極進行了結構優化設計。

1）對于放射型接地極，外部導體的散流占比顯著高于內部導體，火花效應和端部效應影響明顯。因此，當優化接地電極結構時，若考慮添加端部導體，應當首先考慮添加在水平射線上。

2）計算結果表明，本文提出的增強端部效應和增加散流通道的接地極結構優化方法能夠降低高土壤電阻率地區的接地電極沖擊接地電阻值，且增加垂直端部效果優于水平端部，改進型2更適用。

3）對某工程實際中的桿塔接地電極進行了實例分析，并在此基礎上進行了兩種改進方案的對比分析，進一步證實了在接地電極放射線上適當增加短接地體對改善沖擊接地性能的作用。