基于模擬實驗與有限元仿真的針刺式接地體接地特性研究

務孔永，惠 康，張國鋒，郭 潔

（1.河南四達電力設備股份有限公司，河南 許昌 461503；2.西安交通大學，西安 710049）

0 引言

當桿塔或輸電線路遭受雷擊時，雷電流入地后沿接地以垂直于接地導體表面的方向向土壤流散[1]。在散流過程中接地導體間的屏蔽效應[2]、端部效應[3]、電感效應，以及土壤中的火花效應是影響沖擊電流散流效果的主要因素。散流效果差會造成沖擊接地阻抗過高，降低線路耐雷水平[4]。

傳統降低沖擊接地阻抗的方法是增加接地導體長度或數量，但由于接地體的電感效應，長度的增加受到限制，即存在有效長度[5-7]。鑒于上述情況，在接地體上增加短導體—針刺，利用針刺頭部的強電場擴大土壤中的火花區域，增強接地體近區的火花效應，降低接地體的沖擊接地阻抗。

本文根據模擬實驗以及有限元仿真，研究接地體針刺設置數量、長度、間距等參數對沖擊接地阻抗的影響，并對針刺式接地體的結構進行優化設計，從而降低沖擊接地阻抗。

1 模擬實驗

1.1 模擬實驗原理

相對于真型實驗研究，模擬實驗具有易于改變土壤參數和接地體參數、對設備和場地的要求相對較低、節約成本等優點[8-9]。模擬實驗基于電磁場理論和相似性原理，在保證接地土壤媒質相同的前提下，采用一定的比例對接地體尺寸、雷電流波形等相關量進行縮比，使模擬實驗與真型實驗的對應點的電磁場相同。文獻[10]詳細推導了模擬實驗的比例尺，主要特征量的比例關系為：

式中：下標為1 的物理量表示真型實驗特征量；下標為2 表示模擬實驗特征量；S 為接地體的特征尺寸；t 為實驗中沖擊電流的波頭時間；i 為沖擊電流的大小；RI為接地體的沖擊接地阻抗。

沖擊電流流過接地裝置存在電感效應，接地體的感抗為：

式中：f 為沖擊電流的等值頻率；L0為接地體單位長度的電感；l 為接地體長度。

由于接地體的長度和直徑都按比例縮小，因此單位長度的電感保持不變時，接地體長度縮小n 倍，為了保持真型接地體和模擬接地體之間的感抗相等，則應將沖擊電流的波頭和波尾時間縮短n 倍。

1.2 模擬實驗平臺

模擬實驗平臺如圖1 所示，包括沖擊電流發生器、模擬沙池、模擬接地體和測量系統。

圖1 模擬實驗平臺

沙池模擬槽為半球形，半徑為2.5 m，槽殼為不銹鋼材質，作為金屬回流極模擬無窮遠處大地，槽殼設有引出線將回流極電流回流至沖擊電流發生器接地極。

受模擬實驗場地限制，模擬比例尺n 一般取值為30～50，因此模擬實驗中采用場畸變三電極氣體開關和低電感回路來實現百納秒左右波頭時間的模擬沖擊電流波形。本文模擬實驗中電流波形為92/1 640 ns，等效于實際中波形為4.6/82.0 μs的雷電流。

為了減小截斷誤差，模擬實驗中接地體最大幾何長度一般不得超過模擬槽直徑的1/4，即1.25 m。綜合沖擊電流波形波頭時間和對電極尺寸的要求，本文設定接地體的模擬比例尺n=50:1。經對比，本文中的模擬實驗與真型實驗誤差較小，可采用模擬實驗進行研究。

2 針刺參數對沖擊阻抗的影響

高土壤電阻率區域通常采用方框帶射線的接地體型式，本文主要研究針刺設置數量、長度、間距等參數對于沖擊接地阻抗的影響，因此只采用單根射線作為研究對象。將射線簡稱為h-LH·m，其中，L 為射線長度，H 為針刺長度，m 為針刺數量。若以真實射線長度30 m 為例，則模擬實驗中射線長度L 取為0.6 m。為了形成比較，本實驗還采用了一長度為0.6 m 水平接地體，簡稱為h-0.6。

2.1 針刺數量的影響

模擬實驗中，當針刺長度為0.1 m（真實長度5 m）時，改變針刺的數量，得到不同針刺數量下的沖擊接地阻抗與電流幅值的關系曲線如圖2 所示。從圖2 中可以看出，增加針刺數量可以降低沖擊接地阻抗，并且加入針刺的數量越多，沖擊接地阻抗越小，當針刺數量較多時，沖擊阻抗呈現飽和。增加針刺數量，縮小了針刺的間隔距離，當針刺數量較多時，相鄰針刺間隔距離的縮小導致屏蔽效應明顯增強，因而過多增加針刺數量會使降阻效果出現飽和。

圖2 針刺數量對沖擊接地阻抗的影響

2.2 針刺長度的影響

當針刺數量為3 時，改變針刺的長度，得到不同長度下沖擊接地阻抗與電流幅值的關系曲線如圖3 所示。從圖3 中可以看出，模擬實驗中，當針刺長度不超過0.3 m（真實長度15 m）時，增長針刺長度可以顯著降低沖擊接地阻抗。但實際工程中，長15 m 的針刺在高土壤山地等場合較難實現，因此，采用的長度需根據實際情況決定，但針刺數量不宜過多（不超過5 根）。

圖3 針刺長度對沖擊接地阻抗的影響

為了更深入地研究針刺設置數量、長度、間距等參數對沖擊接地阻抗影響的機理，依據電磁場理論，對影響機理進行了有限元仿真研究。

3 有限元仿真

3.1 仿真模型參數

仿真中單根接地體長2 m，材料為實際應用中的圓鋼，半徑為10 mm，水平埋設于土壤電阻率為580 Ω·m 的均勻土壤中，埋設深度為0.8 m。本文采用COMSOL Mutiphysics 有限元仿真軟件，基于電磁場理論和有限元方法，考慮土壤中的非線性火花放電效應，采用無限元邊界以消除截斷誤差[11-21]。采用接地體沖擊電壓最大時刻的火花放電區域體積V 和沖擊接地阻抗為特征參量分析結果，其中火花放電區域V 通過積分計算獲得。積分表達式中Ec為臨界場強，仿真中土壤發生火花放電的臨界場強Ec采用CIGRE（國際大電網會議）的推薦值350 kV/m。仿真計算采用標準雷電流，波形為2.6/50 μs。

3.2 針刺長度的影響

將針刺根數設為1，裝設在水平接地體中點，只改變針刺長度L，研究針刺長度單一因素對接地阻抗的影響。

在相同仿真條件下，不同長度針刺火花效應區域剖面如圖4 所示。火花效應在水平接地體的端部以及針刺的端部明顯強于其他部位。添加針刺之后不僅使得接地裝置接地體與土壤接觸面增加，散流空間增加，同時高曲率針刺端部的場強很高，使周圍土壤產生明顯的火花放電，增加了土壤中的火花放電區域，使得接地阻抗降低。

圖4 不同長度針刺下火花效應區域

土壤中發生火花放電的空間體積隨著針刺長度變化如圖5 所示，由圖示可知火花放電空間體積隨著針刺長度增加而先增加后下降，在針刺長為0.12 m 時火花放電區域達到最大。當針刺長度過小時，針刺端部火花放電區域與水平接地體自身火花區域有部分重合，散流面積有限，火花放電區域較小；當針刺長度較大時，雖然散流面積增大，但各部分電流密度J 變小，使得達到土壤擊穿場強的區域變小，所以火花放電區域反而減小。

圖5 火花放電區域體積隨針刺長度變化曲線

3.3 針刺設置位置的影響

采用1 根針刺時，分別取L=0.1 m 和L=0.2 m，以注流點至針刺距離x 為變量，如圖6 所示。

圖6 針刺位置

針刺布置位置改變時，接地體火花放電區域如圖7 所示，針刺布置在水平接地體端頭附近時，與端頭存在屏蔽效應，削弱了降阻效果；而針刺越靠近水平接地體中點時，與水平接地體端頭之間的屏蔽效應越弱，針刺的降阻效果越明顯。

圖7 不同針刺位置下的火花區域

長度分別為0.1 m 和0.2 m 的針刺處于不同坐標下的沖擊接地阻抗分布曲線如圖8 所示，可以看出針刺位于水平接地體中點時，沖擊接地阻抗最小，表明此時對針刺的利用達到最大化。同時可以得出，針刺在水平接地體中點附近沖擊接地阻抗隨坐標x 變化緩慢，而在水平接地體端部附近隨x 變化較快，針刺越短愈明顯，即在水平接地體中點一定范圍內加裝針刺降阻效果最好。

圖8 沖擊接地阻抗隨針刺位置變化的曲線

3.4 針刺間距的影響

以2 根針刺為例，對稱分布在水平接地體上，間距為d。仿真中只改變2 根針刺的間距d，保持針刺長度不變恒定為0.2 m。

2 根針刺在不同間距時的火花區域分布如圖9 所示，沖擊接地阻抗隨間距d 的變化曲線如圖10 所示。可知當2 根針刺間距較小時，針刺之間存在明顯的屏蔽效應，火花放電區域小于2 根針刺火花區域之和，針刺的降阻效果被減弱；而間距超過一定距離時，針刺間的屏蔽效應較弱，2根針刺的火花區域互不重疊，針刺的降阻效果得到了完全發揮。

圖9 不同針刺間隔距離下的火花區域

圖10 火花區域體積隨針刺間隔距離變化的曲線

間距小于0.15 m 時，沖擊接地阻抗隨著間距距離增大呈下降趨勢，間距較小時（d＜0.1 m），下降趨勢極為明顯；間距大于0.15 m 之后，沖擊接地阻抗隨間距變化趨于飽和。

4 針刺式接地體布置結構優化

根據上節增設針刺對接地阻抗的影響研究，得出針刺最佳長度為0.12 m，最佳間距為針刺長度L 的0.75。

為了研究布置結構對降阻效果的影響，在長2 m 的水平接地體上，除端頭位置外，按0.1 m間距均勻布置19 根長0.12 m 的針刺。布置結構分為水平布置和垂直布置，如圖11 所示。

圖11 針刺一維布置結構

由圖12 所示的水平針刺和垂直針刺的火花區域分布可知，由于針刺較短、相對埋設深度較小，相同條件下兩者的火花區域分布特點基本一致，只是分布區域一個為水平分布，一個為垂直分布，兩者在圍繞水平接地體的一維土壤空間中針刺間均存在部分屏蔽作用。因此將針刺布置結構改為三維交替結構，將19 根水平針刺和垂直針刺交錯布置于水平接地體上。相鄰水平針刺和垂直針刺兩者間隔0.05 m，如圖13 所示。

圖13 針刺三維交錯布置結構

不同針刺布置方式下的接地裝置沖擊接地阻抗隨沖擊電流幅值變化曲線如圖14 所示。3 種布置結構均有一定的降阻效果，水平針刺和垂直針刺由于布置針刺數量一致，只是布置方向分別為水平和垂直，降阻效果基本一致。而交錯布置結構由于針刺數量本身較多，且水平、垂直三維交錯分布在一定程度上削弱了針刺間的屏蔽效應，因而降阻效果更好，最大降阻達到18.03%。

5 結論

通過模擬實驗以及有限元仿真研究了針刺長度、數量、間隔距離以及針刺布置結構對沖擊接地阻抗的影響，得到以下結論：

（1）在接地體上增設針刺的方式通過畸變局部空間場強，增強火花效應，擴大有效散流區域，從而降低沖擊接地阻抗。

（2）在土壤以及雷電流幅值一定的情況下，針刺的長度L 與減小接地阻抗間存在最佳值，能使火花擊穿區域空間體積最大。對于單根長2 m，半徑為10 mm 的圓鋼接地體，采用2.6/50 μs 標準雷電流進行仿真，可得L 的最佳值為0.12 m；在水平接地體中部加裝針刺降阻效果最好，且隨針刺長度增加而減小；受針刺間的屏蔽效應影響，接地裝置沖擊接地阻抗隨針刺間距d 增加而減小，d 超過一定值后呈現飽和，本文條件下該值為0.75 L。

（3）在2.6/50 μs 標準雷電流下，針刺水平布置與垂直布置降阻效果相當，三維交錯布置降阻效果最好，最大降阻達到18.03%。