特高壓輸電線路桿塔灌注樁接地散流結構仿真計算研究

摘 要：在特高壓輸電線路桿塔灌注樁外表面敷設一層柔性石墨材料，將其作為接地散流裝置，可顯著提高桿塔的自然接地散流性能，從而減少雷擊對電力設備的危害。在此次研究中設計3種外敷接地散流結構，分別為籠式、單螺旋式、雙螺旋式，將散流系數和降阻效率作為性能評價指標，使用COMSOL軟件模擬不同結構設計方案的散流接地性能。研究結論如下：增加垂直接地體數量和水平接地體匝數可提高籠式結構散流裝置的性能，增加螺旋式結構的匝數能夠提高接地散流性能。

關鍵詞：特高壓輸電線路；桿塔灌注樁；接地散流結構；仿真計算

中圖分類號：TM 862；TM 75 " 文獻標志碼：A

在傳統的技術方案下，通過在特高壓輸電桿塔樁基外側敷設水平接地網，實現設備接地保護。柔性石墨材料具有良好的導電性，將其敷設在桿塔灌注樁外側，形成一層柔性接地裝置，可替代傳統的接地保護措施，達到降低施工難度和成本的目的。外敷接地散流裝置的性能與其結構形式存在密切的關聯，研究過程設計了3種接地散流結構，改變其結構參數，模擬不同結構下的散流系數和降阻效率，通過對比確定最經濟的接地散流結構，為此類技術的推廣應用奠定理論基礎。

1 特高壓輸電線路桿塔灌注樁接地散流結構設計

桿塔灌注樁接地散流結構的作用為增強桿塔基礎的自然接地散流效果，即當桿塔遭受雷擊時，通過散流結構將雷電導入地下。傳統的技術方案是在桿塔基礎外圍設置水平接地體，例如接地圓鋼、接地扁鋼，同時將接地引下線連接在接地體上[1]。在此次研究中，采用柔性石墨新型接地材料，將柔性石墨以外敷的方式包裹在灌注樁混凝土基礎外層，通過其良好的導電特性增強桿塔的接地散流性能。與傳統方案相比，其成本更低。

根據桿塔灌注樁的幾何特征，提出3種結構形式的柔性石墨外敷接地散流模型，分別為籠式接地裝置、單螺旋體接地裝置、雙螺旋體接地裝置[2]。以籠式接地裝置為例，其結構形式如圖1所示，垂直方向為4根柔性石墨導體，單根導體的長度為5.5m。水平方向為4個環形的柔性石墨接地體，其半徑為0.5m。單螺旋接地體模型僅包括1根柔性石墨接地體，螺旋部分為10匝。雙螺旋體接地模型由2根柔性石墨接地體組成，每1根均包括5匝螺旋結構。

2 特高壓輸電線路桿塔灌注樁接地散流結構仿真計算

2.1 外敷接地散流裝置性能評價指標

為了篩選最佳的柔性石墨外敷接地散流裝置結構形式，通過數值仿真對比不同結構形式的性能，相應的性能指標為散流系數和降阻率[3]，如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

式中：ζ為散流系數；I為外敷柔性石墨接地裝置的散流；I0為總入地電流幅值；μ為降阻效率；R0為未敷設石墨降阻材料之前的桿塔基礎接地電阻值；R為敷設柔性石墨材料后的接地電阻。

電阻值R0如公式（3）所示。

（3）

式中：Lr為垂直接地極的長度；ρ為土壤的電阻率；ρc為混凝土的電阻率；D為混凝土外殼的直徑；d為接地導體的直徑。

2.2 單體桿塔灌注樁籠式接地散流結構性能仿真計算

2.2.1 籠式接地散流結構散流性能仿真分析

籠式接地散流裝置的主體結構分為垂直導體和水平導體，其散流性能的評價指標為散流系數，仿真過程分別改變垂直導體和水平導體的數量，觀察變量因素對散流系數的影響[4]。

2.2.1.1 籠式接地散流結構垂直接地體數量對散流系數的影響

將水平導體的匝數設置為2匝，土壤電阻率設置為4種取值，分別為500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m，籠式接地散流結構垂直導體的數量分別設置為1根、2根、3根、4根、5根。利用COMSOL軟件模擬不同條件下的散流系數，結果如圖2所示。

從模擬數據可知，當水平導體匝數和土壤電阻率保持不變時，隨著垂直接地體數量增加，散流系數均呈上升趨勢。另外，當垂直接地體數量較少（1根～3根）時，散流系數的增長速度較快；當垂直接地體的數量較多時，散流系數的增長速度明顯變慢。因此，增加垂直接地體數量有利于提高籠式柔性石墨接地散流裝置的散流性能，達到一定數量后，散流系數增幅明顯減緩，直至達到最大值[5]。

2.2.1.2 籠式接地散流結構水平接地體匝數對散流系數的影響

將垂直接地體的數量設置為4個，土壤電阻率分別設置為500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m。在同一種土壤電阻率下，將籠式接地散流結構水平接地體匝數分別設置為1匝、2匝、3匝、5匝、7匝、9匝，模擬不同條件下的散流系數，結果見表1。從仿真數據可知，當垂直接地體數量和土壤電阻率保持不變時，散流系數與水平接地體的匝數呈正相關，即匝數越多，散流系數越大。

2.2.1.3 垂直接地體數量和水平接地體匝數影響程度對比

在4種土壤電阻率下，垂直接地體數量保持不變，水平接地體匝數從1提至9，散流系數增量分別為5.8%、6.4%、8.6%、9.1%。在4種土壤電阻率下，水平接地體匝數保持不變，垂直接地體數量從1提至5，散流系數增量分別達到47.2%、44.9%、44.6%、41.8%。顯然，垂直接地體數量對散流系數的促進作用強于水平接地體匝數。

2.2.2 籠式接地散流結構降阻效率仿真分析

2.2.2.1 籠式接地散流結構垂直接地體數量對降阻效率的影響

將水平接地體的匝數設置2匝，土壤電阻率分別取值為500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m。在水平接地體匝數和土壤電阻率保持不變的情況下，將垂直接地體數量分別設置為1根、2根、3根、4根、5根，模擬降阻效率的變化情況，結果如圖3所示。

從仿真數據可知，在水平接地體匝數和土壤電阻率保持不變的情況下，增加垂直接地體的數量，可大幅提高籠式柔性石墨接地散流裝置的降阻效率。在垂直接地導體數量較少的情況下，觀察曲線的斜率，降阻效率的增長速度較快[6]。在垂直接地導體數量較多的情況下，降阻效率的增速變緩。

2.2.2.2 籠式接地散流結構水平接地體匝數對降阻效率的影響

將垂直接地體數量設置為4根，土壤電阻率按照500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m梯度提高，水平接地體匝數分別設置為1匝、2匝、3匝、5匝、7匝、9匝，在垂直接地體數量和土壤電阻率保持不變的條件下，模擬水平接地體匝數對降阻效率的影響，結果見表2。

從仿真數據可知，隨著水平接地體匝數提高，降阻效率呈增加的趨勢，但增幅非常小，說明水平接地體匝數對降阻效率的影響較小[7]。

2.2.2.3 垂直接地體數量和水平接地體匝數影響程度對比

在水平接地體匝數保持不變的情況下，將土壤分辨率設置為500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m，當垂直接地體數量從1根增至5根時，根據圖3可知，4種土壤電阻率降阻效率的增量分別為15.3%、16.5%、13.6%、10.1%。在垂直接地體數量保持不變的情況下，將土壤分辨率設置為500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m，當水平接地體匝數從1匝提至9匝，根據表2可知，4種土壤電阻率對應的降阻效率增量分別為3.8%、3.7%、3.7%、3.5%。可見，垂直接地體數量對降阻效率的影響程度高于水平接地體匝數。

2.3 單體桿塔灌注樁螺旋式接地散流結構性能仿真計算

2.3.1 螺旋接地散流結構散流性能仿真分析

2.3.1.1 匝數對單螺旋式散流裝置散流系數的影響

將單螺旋式散流裝置的匝數設置為7匝、9匝、12匝、15匝、18匝、21匝，在4種不同的土壤電阻率下，散流系數的模擬結果見表3。從仿真數據可知，隨著匝數增加，散流系數呈上升趨勢，當匝數為18匝時，散流系數基本達到最大值。因此，單螺旋式散流裝置的匝數不應超過18匝，否則會造成柔性石墨材料浪費。

2.3.1.2 匝數對雙螺旋式散流裝置散流系數的影響

將雙螺旋式散流裝置的匝數設置為2匝、3匝、5匝、7匝、9匝、11匝，在4種不同的土壤電阻率下，散流系數的模擬結果見表4。從仿真數據可知，在雙螺旋式散流裝置中，隨著匝數增加，散流系數持續增大，并且在仿真范圍內，散流系數的增速基本一致，未達到最大值。

2.3.2 螺旋接地散流結構降阻效率仿真分析

2.3.2.1 匝數對單螺旋式散流裝置降阻效率的影響

將匝數設置為7匝、9匝、12匝、15匝、18匝、21匝，在500Ω·m、700Ω·m、1000Ω·m、1500Ω·m4種土壤電阻率條件下模擬單螺旋式柔性石墨散流裝置的降阻效率，結果見表5。從仿真數據可知，隨著匝數增加，降阻效率呈上升的趨勢，并且增速先快后慢。當匝數較大時，降阻效率基本不再提高。

2.3.2.2 匝數對雙螺旋式散流裝置降阻效率的影響

將匝數設置為2匝、3匝、5匝、7匝、9匝、11匝，在4種土壤電阻率條件下模擬雙螺旋式柔性石墨散流裝置的降阻效率，結果見表6。從仿真數據可知，隨著螺旋結構匝數增加，降阻效率呈提高的趨勢。

3 結語

在高壓輸電線桿塔灌注樁外側敷設一層柔性石墨材料，可增強桿塔的散流接地性能。為了探究外敷散流接地裝置的結構對散流性能的影響，在此次研究中提出3種結構設計方案，包括籠式散流裝置、單螺旋式散流裝置、雙螺旋式散流裝置，通過仿真分析探究最優的結構設計方案，針對研究內容，做以下討論。

針對籠式散流裝置，增加垂直接地體的數量或者水平接地體的匝數，均可提高散流系數和降阻效率，并且垂直接地體對散流性能的促進作用更突出。原因在于提高垂直接地體的數量可增加電流通路，從而增強散流接地效果。另外，當垂直接地體數量和水平接地體匝數增至一定程度時，散流接地性能達到飽和。

針對單體式螺旋結構和雙體式螺旋結構的散流裝置，增強螺旋體的匝數可顯著增強散流系數，但對降阻效率的影響相對較小。當螺旋結構的匝數增至一定程度時，散流系數和降阻效率趨近于最大值。因此，可根據散流性能峰值確定合理的匝數設置范圍。

對比3種結構的散流系數，籠式結構和雙螺旋式結構的理論峰值較大，以土壤電阻率為1000Ω·m為例，其散流系數均可超過70%，單體螺旋式結構散流系數上限較低，約為60%。因此，在工程實踐中，推薦采用籠式結構或者雙體螺旋式結構。

參考文獻

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