潘子仁，洪書(shū)文，毛興華，李 悅，周 威，馬亞琦，林俊超，胡林潔

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410000)

隨著國(guó)家電網(wǎng)公司提出建設(shè)用特高壓為骨干網(wǎng)架，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)同發(fā)展的戰(zhàn)略布局，加上新型城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展，以前人煙稀少的地區(qū)現(xiàn)在可能建設(shè)成新的工業(yè)區(qū)或者居住區(qū)，輸電線路桿塔的分布也越來(lái)越密集，高壓輸電線路穿越人口密集地區(qū)的現(xiàn)象將會(huì)更加普遍。在線路桿塔遭受雷擊或者發(fā)生接地故障時(shí)，強(qiáng)大的故障電流經(jīng)接地裝置入地時(shí)可能造成地電位的異常升高，此時(shí)桿塔附近可能存在危險(xiǎn)的接觸電壓或跨步電壓，此時(shí)如果有人在此附近活動(dòng)，將會(huì)造成觸電事故，對(duì)人身安全構(gòu)成威脅。

桿塔接地裝置一般采用水平和垂直接地極為主，沒(méi)有均壓措施，當(dāng)強(qiáng)大的故障電流通過(guò)接地裝置入地時(shí)，電流在接地導(dǎo)體上各段的散流值大小是不同的，而且電流的這種不均勻散流還受到接地裝置的形狀、幾何尺寸、埋深和屏蔽系數(shù)等狀態(tài)參數(shù)的影響，因此接地短路電流的散流過(guò)程是復(fù)雜的。在散流過(guò)程中，可能會(huì)在接地導(dǎo)體上產(chǎn)生電流密度局部最大值，引起局部電勢(shì)異常增加，出現(xiàn)危險(xiǎn)的跨步電壓對(duì)附近人員造成人身觸電事故。因此，對(duì)輸電桿塔周圍地電位與跨步電壓的研究是非常重要的[1-2]。

為了探討輸電桿塔不同接地體形狀對(duì)地電位與最大跨步電壓分布情況的影響，采用了仿真計(jì)算與模擬試驗(yàn)等方法開(kāi)展研究，得出不同形狀對(duì)其周圍地電位與最大跨步電壓軌跡包絡(luò)線分布規(guī)律的影響。

對(duì)接地裝置而言，會(huì)在其周邊一定的范圍存在最大跨步電壓軌跡包絡(luò)線，最大跨步電壓軌跡包絡(luò)線上的跨步電壓的大小，最能真實(shí)反映接地裝置是否安全，找出最大跨步電壓軌跡包絡(luò)線可為接地安全改造提供依據(jù)，研究具有均勻散流和均壓效果的新型桿塔安全接地方法和重點(diǎn)地段輸電線路接地安全防護(hù)措施，都具有極其重要的理論價(jià)值、工程應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)價(jià)值[3]。

1 建立不同接地體的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

為了研究輸電桿塔不同形狀接地體對(duì)周圍地電位與最大跨步電壓軌跡包絡(luò)線分布規(guī)律的影響，對(duì)輸電桿塔常見(jiàn)的幾種接地體真實(shí)尺寸進(jìn)行了仿真計(jì)算。

幾種接地體模型見(jiàn)圖1。

圖1 不同接地體形狀

圖1中方框邊長(zhǎng)為10 m，射線長(zhǎng)度為20 m，圓環(huán)的周長(zhǎng)為40 m。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同形狀接地體對(duì)周圍地電位與最大跨步電壓軌跡包絡(luò)線分布的影響，對(duì)這幾種接地體采用了等比例縮少的方法，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的模擬試驗(yàn)[4]，模擬比n=40∶1。

試驗(yàn)地點(diǎn)在長(zhǎng)沙某試驗(yàn)室的模擬試驗(yàn)網(wǎng)上進(jìn)行，首先將三相線路的一相與埋在土壤中的接地裝置相連接，模擬輸電桿塔接地故障，根據(jù)測(cè)量所需的接地電流調(diào)節(jié)線路電容的大小，然后通過(guò)調(diào)壓器及變壓器將母線電壓升高至所設(shè)定的電壓值，可以迅速測(cè)量接地體周圍的地電位大小分布情況。

通過(guò)四極法測(cè)量到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的土壤電阻率為ρ=41 Ωm，采用三極法測(cè)得方框型、方框帶4條斜射線型、方框帶4條垂直射線型和圓環(huán)型的接地電阻Rd分別為27.70 Ω、11.45 Ω、11.68 Ω、25.02 Ω。

根據(jù)單相接地電計(jì)算公式[5]：

(1)

式中Id——單相接地電流，A；UX——故障前的相電壓，V；C0——相對(duì)地電容，F(xiàn)；Rd——故障點(diǎn)的過(guò)渡電阻，Ω。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)定各接地體的單相接地電流Id=5 A，經(jīng)式(1)得到方框帶射線型的2種接地體需調(diào)電容大小約為0.928 μF，方框型和圓環(huán)型接地體需調(diào)電容大小為2.757 μF。

圖2 真值試驗(yàn)?zāi)M網(wǎng)

2 不同接地體仿真對(duì)比分析

針對(duì)不同形狀的接地體周圍地電位及周圍最大跨步電壓軌跡的分布情況[6-10]，通過(guò)對(duì)四種接地體進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到其周圍最大跨步電壓軌跡包絡(luò)線的分布規(guī)律。試驗(yàn)對(duì)四種真實(shí)尺寸下的接地裝置施加10 kA工頻接地故障電流，采用四點(diǎn)法注入方式，接地體材質(zhì)均為圓鋼，直徑12 cm，埋深1 m，仿真試驗(yàn)采用雙層土壤，第一層的土壤電阻率ρ為50 Ω·m，厚度為1 m；第二層的土壤電阻率ρ為200 Ω·m，厚度為無(wú)窮大。

2.1 方框型接地體

方框型接地體是輸電桿塔接地裝置中常見(jiàn)的接地地體模型，其較其他幾種接地體具有制作簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)[11-15]，因而對(duì)其周圍地電位與最大跨步電壓分布規(guī)律研究，找到其適用的區(qū)域并能指導(dǎo)工程做出相應(yīng)的防護(hù)措施是十分有意義的。

圖3為10 kA工頻電流方框型接地體地電位分布，圖4 10 kA工頻電流方框型接地體地跨步電壓分布。

圖3 10 kA工頻電流方框型接地體地電位分布

圖4 10 kA工頻電流方框型接地體地跨步電壓分布

如圖3可知，在10 kA工頻接地電流作用下，方框型接地體周圍地電位分布以方框?yàn)橹行模蛩闹軋A環(huán)狀分布，有著明顯的分層現(xiàn)象，相鄰兩顏色的電位差約為3.22 kV，電位大小向著遠(yuǎn)離方框中心方向逐漸減少，周圍的電位分布比較均勻。最大地電位分布在方框的四個(gè)頂點(diǎn)附近，分布區(qū)域極小，高達(dá)54 kV，且頂點(diǎn)附近電位分層要相對(duì)密集些。

如圖4可知，在頂點(diǎn)周圍有前四種顏色的極小圓環(huán)狀分布，且在頂點(diǎn)上有最大跨步電壓分布。在距頂點(diǎn)1 m左右處，又有前四種顏色的一小段弧狀分布，以距頂點(diǎn)約1.5 m處的最大跨步電壓分布的弧形為中心，相鄰兩顏色的跨步電壓差約為1.26 kV，最大跨步電壓的大小約為12 kV。最大跨步電壓的軌跡包絡(luò)線分布在方框的頂點(diǎn)周圍。

2.2 方框帶射線型接地體

埋設(shè)在土壤中的不同導(dǎo)體之間，或同一導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之間，都存在一定的相互屏蔽作用，該作用會(huì)影響到接地體的工頻特性。綜合考慮，為了驗(yàn)證試驗(yàn)的合理性，試驗(yàn)采用方框帶垂直型和方框帶斜射線型兩種接地體進(jìn)行比較。接地體的射線長(zhǎng)度相同，方框和射線布置的方向有所差異，試驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 10 kA工頻電流方框帶4垂直射線型接地體地電位分布

圖6 10 kA工頻電流方框帶4垂直射線型接地體跨步電壓分布

圖7 10 kA工頻電流方框帶4射線型接地體地電位分布

圖8 10 kA工頻電流方框帶4射線型接地體跨步電壓分布

方框帶4條斜射線型接地體周圍地電位大小圍繞著方框與射線呈現(xiàn)出四角形分層現(xiàn)象，電位線分布較為密集，尤其是在射線末端，電位梯度變化較大；在接地體外圍電位分布較均勻，呈現(xiàn)較大圓環(huán)狀。地電位最大區(qū)域分布在方框及射線前半段，最大值約為27 kV?？绮诫妷狠^大區(qū)域主要分布在射線周圍，最大跨步電壓軌跡包絡(luò)線分布在射線末端，圍繞著射線尖端，呈橢圓狀分布，區(qū)域較小，幅值約為1 678 V。方框帶4條垂直射線型接地體周圍地電位大小圍繞著邊框與射線呈現(xiàn)四角風(fēng)車形分層現(xiàn)象，電位線分布較為密集，尤其是在射線與邊框垂直區(qū)域與射線末端，電位梯度變化較大；在接地體外圍電位分布較均勻，也呈現(xiàn)較大圓環(huán)狀。地電位最大區(qū)域分布在方框及射線前半段，最大值約為28 kV?？绮诫妷狠^大區(qū)域主要分布在射線周圍，最大跨步電壓軌跡包絡(luò)線分布在射線與邊框垂直區(qū)域與射線末端，幅值約為1 830 V，在尖端分布的面積較斜射線型有所減小。通過(guò)比較，帶4條斜射線型的地電位和最大跨步地壓的大小都要略小于方框帶垂直型接地體。

2.3 圓環(huán)型接地體

由DL/T621—1997《交流電氣裝置的接地》可知，居民區(qū)和水田中的接地裝置，適宜圍繞桿塔基礎(chǔ)敷設(shè)成閉合環(huán)形[7]。圓環(huán)形接地體的目前使用相對(duì)要少些，但隨著社會(huì)發(fā)展的需要，輸電線路桿塔向人口密集地區(qū)分布的現(xiàn)象也越來(lái)越普遍，桿塔附近可能活動(dòng)的人員數(shù)量也越來(lái)越多。故對(duì)散流分布更加均勻的圓環(huán)型接地體周圍地電位及跨步電壓分布情況研究是非常有必要的。

如圖9可知，在10 kV工頻接地電流作用下，接地體周圍的地電位大小圍繞著圓環(huán)接地體呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的圓環(huán)狀，圓環(huán)的寬度逐漸增加，相鄰兩顏色的電位差約為3.90 kV，最大地電位分布區(qū)域出現(xiàn)在接地引下線與圓環(huán)的連接處，高達(dá)53 kV，但區(qū)域極小，周圍電位梯度下降極快。如圖10可知，在接地引下線與圓環(huán)的連接處以及與離其約1 m的位置都有最大跨步電壓分布。前者主要是以點(diǎn)狀分布，區(qū)域極小，后者是一小段弧狀分布，并有前四種顏色圍繞其分布，相鄰兩顏色跨步電壓差約1.09 kV，最大跨步電壓大小約為11 kV。最大跨步電壓軌跡包絡(luò)線分布在圓環(huán)型接地體附近一周的區(qū)域。

圖9 10 kA工頻電流圓環(huán)型接地體地電位分布

圖10 10 kA工頻電流圓環(huán)型接地體跨步電壓分布

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用等比例縮少的試驗(yàn)方法，用圓鋼為材料分別制作方框型、方框帶4條斜射線型、方框帶4條垂直射線型以及圓環(huán)型四種接地體模型，長(zhǎng)度尺寸的縮放比例為40，土壤埋深為20 cm。試驗(yàn)結(jié)果如表1～表4所示。

對(duì)于方框接地體來(lái)說(shuō)，其方框各邊的交點(diǎn)處電位最高，電位下降梯度也最為陡峭，其次為方框的四條邊處電位較大，距離接地體越近，電位越高；相比于方框型，方框帶射線型接地體周圍地電位大小有所下降，散流更加均勻，但在其射線的周圍，電位分層比較密集，地位下降梯度較大，最大跨步電壓應(yīng)該分布在射線周圍。圓環(huán)型接地體相比于方框型接地體而言，圓環(huán)型接地體周圍電位下降更加均勻，圓環(huán)型除電位最高，電位朝著遠(yuǎn)離圓環(huán)型中心的方向逐漸減小。是較理想的接地體模型，適合在人口密集區(qū)使用。

對(duì)于方框帶射線型接地體，通過(guò)對(duì)斜射線、垂直射線接地體的測(cè)量數(shù)據(jù)比較可知，射線與邊框的夾角大小對(duì)接地體的散流效果影響不大，離接地體越近的區(qū)域電位越高，在接地體的射線末端電位梯度線變化最陡峭，其附近電流線也最密集，也是跨步電壓較大的區(qū)域。

綜上所知，由仿真計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到不同接地體形狀對(duì)周圍地電位與最大跨步電壓分布規(guī)律基本一致。

圖11 測(cè)量點(diǎn)分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與仿真計(jì)算分析，得到了方框型、方框帶射線型以及圓環(huán)型不同接地體地電位分布與最大跨步電壓軌跡包絡(luò)線分布規(guī)律。

表1 試驗(yàn)測(cè)得方框型周圍地電位分布 V

表2 方框帶4條斜射線型周圍地電位分布 V

表3 方框帶4條垂直射線型周圍地電位分布 V

表4 圓環(huán)型周圍地電位分布 V

(2)結(jié)果分析表明，方框帶射線型接地體周圍地電位和最大跨步電壓大小相比于方框型明顯減少，且射線的角度對(duì)其影響較少。

(3)綜合比較，對(duì)于學(xué)校、居民區(qū)等人口密集的重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域，采用圓環(huán)型接地體比較適合；方框帶射線型接地體適合在人口稀少的山區(qū)，并在射線周圍及尖端安裝均壓環(huán)。