楊 鑫，易俊華，劉宇彬，曾軍琴，董 盼，姚 錚

(1．長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114； 2．湖南經(jīng)研電力設(shè)計(jì)有限公司，長(zhǎng)沙 410014)

0 引言

考慮到經(jīng)濟(jì)效益等問題，現(xiàn)階段城市輸電網(wǎng)仍然較多采用架空線路的形式。鋼管塔是城市輸電線路桿塔的典型型式。城市輸電鋼管塔大都分布在馬路邊或馬路中央的花壇中，屬于人流密集區(qū)域。當(dāng)城市輸電鋼管塔發(fā)生工頻或雷擊接地短路故障時(shí)，會(huì)造成桿塔周圍地電位的急劇升高，在桿塔周圍產(chǎn)生危險(xiǎn)的跨步電壓和接觸電壓，從而威脅人身安全[1-2]。因而，對(duì)于城市鋼管塔的接地安全指標(biāo)，除了接地電阻之外，還應(yīng)注重考慮接觸電壓和跨步電壓等安全性指標(biāo)。針對(duì)城市輸電鋼管塔接地裝置的安全優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)確保周圍人員安全具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)接地裝置的安全性設(shè)計(jì)和研究主要針對(duì)發(fā)電廠、變電站的接地網(wǎng)。通過(guò)對(duì)矩形地網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)格調(diào)控，地表鋪設(shè)瀝青、礫石等方法，使得周邊電位梯度、設(shè)備接觸電壓和跨步電壓等接地安全參數(shù)滿足安全值的要求[3-6]。對(duì)于輸電線路桿塔接地的研究主要集中在高土壤電阻率地區(qū)(尤其是山巖地區(qū))接地降阻方面，提出了針刺式接地裝置[7-9]、柔性石墨接地極[10-11]、長(zhǎng)垂直接地極[12-13]和空腹式接地裝置[14]等新型接地降阻方法。

但針對(duì)輸電線路桿塔接地裝置對(duì)人身安全的影響以及接地裝置的安全優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究較少。劉國(guó)華等人分析了影響跨步電壓及接觸電壓大小的主要幾個(gè)因素，并提出了桿塔故障電流、桿塔接地電阻是影響跨步電壓及接觸電壓的主要因素[15]。周鋒等人利用ANSYS有限元計(jì)算軟件及Matlab仿真軟件，通過(guò)建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，對(duì)輸電桿塔周圍跨步電壓的分布情況進(jìn)行了分析，評(píng)估了跨步電壓對(duì)周圍人身安全的影響[16]；姜鵬等人通過(guò)研究桿塔接地裝置的散流特性對(duì)地面電位分布及人身安全的影響，得出最大跨步電壓軌跡包絡(luò)線分布規(guī)律[17]?？梢?，在輸電桿塔接地安全設(shè)計(jì)方面：1)安全優(yōu)化設(shè)計(jì)缺少針對(duì)性的指標(biāo)參數(shù)(雷擊或者工頻接地短路造成的接地安全指標(biāo))，接地安全指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象不明確；2)輸電桿塔接地安全優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理和方法研究仍較少。

綜上，針對(duì)輸電鋼管塔接地設(shè)計(jì)存在的問題，筆者首先通過(guò)研究輸電桿塔接地裝置的安全指標(biāo)及其計(jì)算方法，以現(xiàn)有輸電鋼管塔典型接地設(shè)計(jì)為模型，利用CDEGS接地計(jì)算軟件對(duì)其安全指標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算，得到影響桿塔接地安全性的關(guān)鍵指標(biāo)；繼而，針對(duì)存在的工頻跨步電壓安全性問題，研究降低水平接地體工頻跨步電壓的原理和方法；針對(duì)城市輸電鋼管塔接地裝置的特點(diǎn)，提出在接地體末端添加水平夾角射線，輔以垂直接地極的結(jié)構(gòu)來(lái)降低接地裝置工頻跨步電壓的方法；最后，綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)合實(shí)際要求，對(duì)鋼管塔接地裝置進(jìn)行了全面綜合優(yōu)化。所得結(jié)果證明了所提安全優(yōu)化方法能夠滿足各項(xiàng)安全性要求，為實(shí)際城市輸電鋼管塔接地設(shè)計(jì)和施工提供了方法指導(dǎo)。

1 城市輸電鋼管塔接地裝置的典型設(shè)計(jì)

1.1 城市輸電鋼管塔接地裝置的典型設(shè)計(jì)

目前城市輸電桿塔的類型多種多樣，直線鋼管塔是常見的城市輸電桿塔型式，其塔身外形及常用的接地體基本型式見圖1。

圖1 直線鋼管塔的基本型式Fig.1 The basic form of linear steel tube tower

城市輸電桿塔大多安裝在馬路邊或者馬路中央的花圃中，以鋼管塔所處的典型位置，其接地裝置一般通過(guò)采用水平射線接地體和垂直接地極組成的立體地網(wǎng)。在現(xiàn)階段城市輸電鋼管塔的接地設(shè)計(jì)指標(biāo)中，一般只考慮了桿塔接地電阻，其接地體采用的典型材料尺寸參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表Table 1 Material parameter table

根據(jù)表1中現(xiàn)有城市輸電鋼管塔的材料參數(shù)表，結(jié)合圖1(b)直線鋼管塔典型的接地型式及相關(guān)典型參數(shù)設(shè)置，以接地電阻小于10 Ω為目標(biāo)，計(jì)算了現(xiàn)有城市輸電鋼管塔在土壤電阻率為500 Ω·m的條件下，采用表1所示的接地體材料(水平射線等效直徑為12.5 mm，垂直接地極等效直徑為21.78 mm)，其水平接地體總長(zhǎng)度L為88 m，垂直接地極單根長(zhǎng)度為2 m，間隔4 m，總根數(shù)為23根。

基于上述確定的直線鋼管塔的典型參數(shù)設(shè)置，根據(jù)規(guī)程[18]中水平和垂直接地體組合的接地電阻計(jì)算公式，可計(jì)算得出現(xiàn)有城市輸電鋼管塔在典型參數(shù)設(shè)置下接地體的工頻接地電阻為7.61 Ω。

1.2 城市輸電鋼管塔接地裝置的安全性指標(biāo)

目前城市輸電鋼管塔的接地設(shè)計(jì)主要考慮接地電阻這一項(xiàng)指標(biāo)，但城市鋼管塔所處位置在市區(qū)，屬于人流密集地區(qū)，其接地裝置設(shè)計(jì)不僅應(yīng)考慮接地電阻達(dá)標(biāo)，還應(yīng)考慮接地安全問題。接地安全指標(biāo)主要涉及工頻接地短路和雷電流入地時(shí)人體的安全跨步電壓及接觸電壓指標(biāo)。

以一個(gè)體重為50 kg的人體作為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算鋼管塔在發(fā)生工頻接地短路或者雷電流入地時(shí)，人體允許的安全跨步電壓和接觸電壓。

1.2.1 工頻接地短路時(shí)的安全指標(biāo)

根據(jù)電擊事故時(shí)人體的分布參數(shù)等效電路，當(dāng)人在地面行走時(shí)，人的兩腳和地面的接觸電阻RF及人體電阻RB是串聯(lián)的，此時(shí)得到兩腳間人體允許的跨步電位差US為[19]

(1)

當(dāng)人站立地面用手去接觸接地體的金屬導(dǎo)體時(shí)，人的兩只腳和土壤間的接觸電阻是并聯(lián)的，因此人的手和腳間人體允許的安全接觸電壓UT為

(2)

式(1)和(2)中：RB-人體電阻；ρ-表層土壤電阻率；t-工頻短路故障持續(xù)時(shí)間。

1.2.2 雷電流入地時(shí)的安全指標(biāo)

相關(guān)研究結(jié)果表明：人體在工頻50 Hz～60 Hz的電流作用下，其傷害最為嚴(yán)重，低于或高于這個(gè)頻率，其傷害都會(huì)降低很多，在3 kHz～10 kHz的頻率范圍內(nèi)，人體可以承受更高的電流。當(dāng)電流的頻率為10 kHz時(shí)，人體感覺電流的閥值可達(dá)工頻時(shí)的13倍[19]。

根據(jù)雷電流的幅頻特性可知，雷電流的能量主要集中在幾萬(wàn)赫茲以下的中低頻部分[20]，因此可以選擇10 kHz作為人體安全電流的計(jì)算參考點(diǎn)。

根據(jù)電擊事故時(shí)人體的分布參數(shù)等效電路，結(jié)合雷電流的頻率特征，可得出雷電流入地時(shí)兩點(diǎn)間人體允許的安全跨步電壓USLJ計(jì)算公式見式(3)[19]。

(3)

式(3)中，T-雷電流持續(xù)時(shí)間。

雷電流入地時(shí)兩點(diǎn)間人體允許的安全接觸電壓UTLJ計(jì)算公式見式(4)。

(4)

1.2.3 典型參數(shù)設(shè)置下的接地安全指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)上述工頻故障和雷電流入地故障下人體允許的安全接觸電壓和跨步電壓計(jì)算公式：人體的電阻RB取1 000 Ω，工頻故障持續(xù)時(shí)間t取0.25 s，雷電流持續(xù)時(shí)間T取150 μs，土壤電阻率取500 Ω·m；可得工頻和雷擊故障下人體允許的接觸電壓和跨步電壓見表2。

表2 人體允許的安全電壓值Table 2 Safe voltage value allowed by human body

2 城市輸電鋼管塔接地裝置的安全性分析

2.1 鋼管塔接地裝置安全指標(biāo)的計(jì)算方法

利用接地計(jì)算軟件CDEGS進(jìn)行城市輸電鋼管塔接地裝置的仿真計(jì)算，主要計(jì)算工頻接地短路和雷電流入地兩種故障情況下鋼管塔接地裝置的跨步電壓和接觸電壓。

在CDEGS的SESCAD模塊中搭建了接地體仿真模型，見圖2。根據(jù)1.1中確定的直線鋼管塔的典型接地參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，土壤模型采用電阻ρ=500 Ω·m的均勻土壤模型。

工頻故障參數(shù)可以利用MALZ模塊計(jì)算，本研究在圖2所示鋼管塔接地體模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)110 kV桿塔裝有雙避雷線的分流系數(shù)(取0.86)及該城市110 kV鋼管塔的系統(tǒng)短路電流(取6 000 A)，仿真模型的工頻激勵(lì)源可以采用幅值為5 280 A的工頻電流源，分析計(jì)算接地裝置的工頻跨步電壓和接觸電壓。

圖2 鋼管塔接地體仿真模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of simulation model of steel pipe tower grounding body

雷電流入地故障參數(shù)可以利用FFTSES和HIFREQ模塊計(jì)算。雷電流波形采用雙指數(shù)函數(shù)波形，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

i(t)=kIm(e-αt-e-βt)

(5)

式(5)中，i(t)為雷電流t時(shí)刻的瞬時(shí)值，k為雷電流峰值的調(diào)節(jié)系數(shù)，α和β是根據(jù)波前時(shí)間和波尾時(shí)間設(shè)置的參數(shù)。我國(guó)規(guī)程推薦的防雷計(jì)算波形參數(shù)為2.6/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形，其中k取1.047 4，α取14 790.18，β取1 877 833，Im=20 kA。

2.2 城市鋼管塔接地裝置的安全指標(biāo)分析

根據(jù)圖2搭建的鋼管塔接地裝置模型以及工頻接地短路和雷電流入地故障下接地裝置各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算方法，計(jì)算得到的工頻和雷電流激勵(lì)下跨步電壓和接觸電壓的最大值見表3，工頻激勵(lì)下的跨步電壓和接觸電壓分布分別見圖3和圖4(工頻和雷電流激勵(lì)下，接地體的接觸電壓選擇塔身距地面1.8 m，地面距離桿塔0.8 m的兩點(diǎn)之間的電位差進(jìn)行計(jì)算)。

表3 接觸電壓和跨步電壓最大值Table 3 Maximum touch voltage and step voltage

圖3 工頻跨步電壓分布二維色塊圖Fig.3 Two-dimensional color block diagram of power frequency step voltage distribution

圖4 工頻接觸電壓分布二維色塊圖Fig.4 Two-dimensional color block diagram of power frequency touch voltage distribution

綜合分析對(duì)比表2和表3，可知：1)工頻短路故障下，接地體的接觸電壓和跨步電壓的實(shí)際值都超過(guò)了目標(biāo)值，不滿足安全要求；2)雷擊電流下，該接地體的接觸電壓和跨步電壓均滿足安全要求。

可見，城市鋼管塔接地安全的關(guān)鍵問題在于降低工頻跨步電壓和工頻設(shè)備接觸電壓。

若表層土壤電阻率增大，接觸電壓安全值也隨之增大；人只有接觸了塔身才有可能發(fā)生接觸電擊。從式(2)也可得到，若在鋼管塔塔身距離地面2 m高的范圍內(nèi)涂敷高電阻率的絕緣漆，則相當(dāng)于提高了土壤電阻ρ，就能提高桿塔的接觸電壓安全值。目前，城市輸電桿塔的塔身尤其是靠近地面附近的區(qū)域，見圖5，均涂敷有防銹絕緣漆，可以有效提高工頻接觸電壓的目標(biāo)值。

圖5 塔身涂敷防銹絕緣漆Fig.5 The tower body is coated with anti-rust insulating paint

根據(jù)式(2)可得土壤電阻率與工頻接觸電壓安全值的關(guān)系式：

(6)

若式(6)中的UT取城市輸電鋼管塔發(fā)生工頻接地短路故障時(shí)距離桿塔0.8 m范圍內(nèi)接觸電壓的最大值13 898 V，根據(jù)式(6)可計(jì)算得到此時(shí)的土壤電阻率ρ為4 493.23 Ω·m。因此，若在城市輸電鋼管塔表面刷涂電阻率大于4 493.23Ω·m的絕緣材料，這樣就能使工頻故障下城市輸電鋼管塔接地裝置的接觸電壓滿足人體安全性要求。

綜上，城市鋼管塔的接地安全指標(biāo)關(guān)鍵在于工頻跨步電壓。由于鋼管塔大都位于花圃中，土壤表層為草地，難以提高其電阻率。因而，需要通過(guò)接地體的優(yōu)化設(shè)計(jì)使工頻跨步電壓的實(shí)際值小于允許的安全目標(biāo)值，以滿足安全性的要求。

3 降低鋼管塔接地裝置工頻跨步電壓的方法

3.1 降低桿塔接地裝置工頻跨步電壓的原理

由圖3工頻接地短路時(shí)接地裝置跨步電壓分布圖可知，針對(duì)現(xiàn)有鋼管塔接地裝置，跨步電壓最大值集中在接地體的末端區(qū)域。

在鋼管塔水平接地體模型的地表對(duì)應(yīng)位置設(shè)置一條觀測(cè)線，長(zhǎng)度與接地體水平射線總長(zhǎng)度L保持一致。利用CDEGS計(jì)算得到鋼管塔接地體模型地表對(duì)應(yīng)位置的跨步電壓分布，見圖6。(圖6中，觀測(cè)線坐標(biāo)44 m處為桿塔位置，即電流注入點(diǎn))

圖6 水平地表接地體對(duì)應(yīng)位置跨步電壓值Fig.6 The step voltage value of the corresponding position of the horizontal grounding body

由圖6可知，最大跨步電壓分布在水平接地體的末端。因而，降低輸電鋼管塔接地體的跨步電壓關(guān)鍵在于降低接地體末端跨步電壓的最大值。

按同樣的方法，利用CDEGS計(jì)算可得到鋼管塔水平接地體的工頻泄漏電流分布，見圖7。(圖7中，觀測(cè)線坐標(biāo)44 m處為桿塔位置，即電流注入點(diǎn))

圖7 鋼管塔接地體的泄漏電流分布Fig.7 Leakage current distribution of the grounding body of steel pipe tower

綜合分析對(duì)比圖6和圖7，可知鋼管塔接地體中水平射線的泄漏電流從電流注入點(diǎn)到射線末端逐漸增大，即水平射線末端接地體的散流效果最好。地表沿線的跨步電壓分布也有相同規(guī)律，即在射線末端對(duì)應(yīng)區(qū)域工頻跨步電壓的值最大。

因而，可以認(rèn)為造成接地體末端工頻跨步電壓集中的原因是該處接地散流的效果最好。解決工頻跨步電壓集中的關(guān)鍵在于改善接地體末端工頻電流的散流方式。

3.2 降低水平射線接地體工頻跨步電壓的方法

與發(fā)電廠、變電站的接地裝置不同，輸電線路桿塔接地裝置采用以水平接地體為主的放射性結(jié)構(gòu)，因而，降低水平射線接地體的工頻跨步電壓是滿足城市鋼管塔安全性要求的關(guān)鍵。

根據(jù)3.1的計(jì)算結(jié)果，均衡輸電桿塔接地裝置跨步電壓分布的方法應(yīng)改善水平射線接地體末端的散流方式。因而，采用在單根水平接地體末端添加不同的接地型式，以分析其對(duì)工頻跨步電壓的影響。

在CDEGS中搭建單根水平接地體，接地體的長(zhǎng)度為10 m，接地參數(shù)設(shè)置見表2，接地體激勵(lì)源為幅值5 280 A的工頻電流。利用CDEGS的MALZ模塊計(jì)算得到接地體工頻跨步電壓分布見圖8。

圖8 水平接地體工頻跨步電壓分布Fig.8 Power frequency step voltage distribution of horizontal grounding body

由圖8可見，接地體跨步電壓的最大值為42 065 V，跨步電壓畸變區(qū)域主要集中在射線末端區(qū)域。

基于圖8中的單根水平接地體模型，在其末端添加水平夾角射線及其與垂直接地極相結(jié)合的兩種接地體型式。結(jié)構(gòu)見圖9。兩種接地型式的夾角射線總長(zhǎng)度設(shè)為4 m，其他參數(shù)與原有接地體保持一致。

根據(jù)圖9所示搭建接地體模型，改變?chǔ)?和θ2，計(jì)算不同接地體模型的工頻跨步電壓最大值，計(jì)算結(jié)果見圖10。

圖9 水平接地體末端添加不同接地型式Fig.9 Add different grounding types to the end of the horizontal grounding body

圖10 不同接地體模型工頻跨步電壓最大值Fig.10 Maximum power frequency step voltage of different grounding body models

綜合分析對(duì)比圖10中單根水平射線末端添加不同夾角大小的水平夾角射線和水平垂直夾角射線結(jié)構(gòu)的工頻跨步電壓最大值，可得：

1)在單根水平接地體末端所添接地體的接地型式一定的情況下，隨著所添結(jié)構(gòu)夾角從30°增大到150°，兩種接地型式下接地體的工頻跨步電壓均出現(xiàn)了先減小后增大的變化趨勢(shì)。

對(duì)于水平夾角射線結(jié)構(gòu)，當(dāng)夾角θ1為90°時(shí)，其跨步電壓最大值最小，此時(shí)相比于原有單根水平接地體的跨步電壓最大值降低了3.79%。

2)在單根水平接地體末端所添接地體的夾角大小一定的情況下，添加水平夾角射線+垂直接地極結(jié)構(gòu)的接地體工頻跨步電壓最大值均小于水平夾角射線結(jié)構(gòu)?？梢?，添加垂直接地極能夠進(jìn)一步改善水平射線的跨步電壓。

對(duì)于水平夾角射線+垂直接地極結(jié)構(gòu)，當(dāng)夾角θ2為60°時(shí)，其跨步電壓最大值最小，此時(shí)相比于原有單根水平接地體的跨步電壓最大值降低了10.87%。

3)由于垂直接地極和不同夾角的水平射線存在一定的屏蔽效應(yīng)，圖10所示2條曲線的變化規(guī)律并不一致。即對(duì)工頻跨步電壓改善的最優(yōu)夾角與接地裝置的具體接地型式相關(guān)。應(yīng)結(jié)合具體的接地形式進(jìn)行計(jì)算。

綜上，可以通過(guò)在接地體末端添加水平夾角射線，輔以垂直接地極的結(jié)構(gòu)，降低接地裝置工頻跨步電壓。

3.3 降低城市輸電鋼管塔接地裝置工頻跨步電壓的方法

根據(jù)3.2節(jié)中降低水平射線接地裝置工頻跨步電壓的方法，選擇在鋼管塔接地裝置末端添加水平夾角射線與垂直接地極相結(jié)合的接地體型式。實(shí)際的輸電鋼管塔接地裝置采用水平和垂直接地體結(jié)合的立體地網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由于屏蔽效應(yīng)，需對(duì)末端所添結(jié)構(gòu)的夾角大小以及垂直接地極的布置方式進(jìn)一步優(yōu)化，具體的優(yōu)化模型見圖11。

圖11 鋼管塔接地裝置優(yōu)化模型Fig.11 Optimization model of grounding device of steel pipe tower

3.3.1 水平射線夾角的優(yōu)化設(shè)計(jì)

改變圖11中夾角θ的大小，垂直接地極的根數(shù)n取1根，計(jì)算得到鋼管塔接地體末端添加不同夾角大小的水平夾角射線結(jié)構(gòu)的接地體的最大跨步電壓值，見圖12。

根據(jù)圖12的仿真計(jì)算結(jié)果，可知：針對(duì)實(shí)際鋼管塔的接地形式，水平射線夾角取90°時(shí)，接地裝置最大工頻跨步電壓值最小，相比原有鋼管塔接地體工頻跨步電壓最大值降低了19.12%。因此，可以選擇采用夾角為90°的水平夾角射線結(jié)構(gòu)作為城市輸電鋼管塔接地裝置安全優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

圖12 不同夾角的工頻跨步電壓最大值Fig.12 Maximum power frequency step voltage at different angles

3.3.2 垂直接地極布置方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在接地體末端添加垂直接地極可進(jìn)一步均衡工頻跨步電壓分布。改變圖11中垂直接地極的根數(shù)n，根據(jù)3.3.1計(jì)算結(jié)果，夾角θ取90°，考慮實(shí)際施工難度，單根垂直接地極的長(zhǎng)度取2 m，計(jì)算不同垂直接地極根數(shù)對(duì)鋼管塔接地裝置工頻跨步電壓的影響，計(jì)算結(jié)果見圖13。

圖13 不同垂直接地極根數(shù)的工頻跨步電壓最大值Fig.13 Maximum power frequency step voltage with different number of vertical grounding poles

根據(jù)圖13的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)單根水平夾角射線上所加垂直接地極的數(shù)目不斷增多，接地體的工頻跨步電壓最大值逐漸減小，但減小的幅度隨之垂直接地極根數(shù)的增多不斷趨于緩和。當(dāng)垂直接地極根數(shù)為4根時(shí)，接地裝置的工頻跨步電壓的下降趨勢(shì)區(qū)域飽和，因此，在實(shí)際的接地裝置設(shè)計(jì)時(shí)，所添結(jié)構(gòu)中單根水平夾角射線上的垂直接地極不宜超過(guò)4根。

4 考慮實(shí)際要求的城市輸電鋼管塔接地裝置綜合優(yōu)化

根據(jù)第2節(jié)的分析結(jié)果，且考慮實(shí)際情況，城市輸電鋼管塔接地裝置需要滿足的指標(biāo)：1)接地電阻小于10 Ω；2)工頻跨步電壓安全值滿足式(1)的要求；3)考慮城市輸電鋼管塔大多安裝在馬路邊或者馬路中央的花圃中，水平接地體夾角射線末端的寬度H(見圖11)有限，一般不超過(guò)4 m。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，并考慮最優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用MALZ模塊對(duì)不同的接地體形式進(jìn)行計(jì)算，得到如下規(guī)律：

1)有水平和垂直接地體組成的立體式接地裝置，起降阻作用的主要部分在于水平接地體。因而，需要保證水平接地體的長(zhǎng)度。

2)垂直接地極可起到加強(qiáng)散流的作用，改善工頻跨步電壓分布。但其主要作用的部分在于水平接地體的末端附近。

3)針對(duì)實(shí)際情況，水平接地體夾角射線末端的寬度H一般不超過(guò)4 m，夾角射線的結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步優(yōu)化。

基于上述現(xiàn)有城市輸電鋼管塔接地裝置設(shè)計(jì)施工要求，結(jié)合本研究計(jì)算得到的人體安全性指標(biāo)及城市輸電鋼管塔接地裝置的安全優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提出如下安全優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：

1)所添的水平夾角射線結(jié)構(gòu)中夾角大小取60°，單根水平射線優(yōu)化為水平折線結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的最大水平寬度取4 m。

2)單根水平折線結(jié)構(gòu)上布置3根垂直接地極。

3)垂直接地極主要分布在水平射線末端附近，原有接地裝置的垂直接地極根數(shù)由23根減為12根。其余的參數(shù)設(shè)置與3.3中的優(yōu)化方法保持一致。

按優(yōu)化方案搭建的綜合優(yōu)化模型見圖14。

圖14 考慮實(shí)際設(shè)計(jì)施工要求的綜合優(yōu)化模型Fig.14 Comprehensive optimization model considering actual design and construction requirements

根據(jù)圖14所建立的仿真模型，利用接地軟件CDEGS計(jì)算了綜合優(yōu)化模型的工頻接地短路和雷擊桿塔兩種故障下的接地電阻以及人體允許的相關(guān)安全性指標(biāo)，經(jīng)綜合優(yōu)化后的接地裝置工頻跨步電壓分布見圖15，具體的計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 綜合優(yōu)化模型計(jì)算結(jié)果Table 4 Comprehensive optimization model calculation results

圖15 綜合優(yōu)化模型的工頻跨步電壓分布Fig.15 Power frequency step voltage distribution based on comprehensive optimization model

根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果，與表2的安全指標(biāo)對(duì)比，可知其在工頻和雷擊兩種故障下接地電阻滿足設(shè)計(jì)要求，雷擊故障下的接觸電壓和跨步電壓滿足安全性要求，工頻接地短路故障下的跨步電壓滿足安全性要求。

5 結(jié)論

1)基于人體允許的安全標(biāo)準(zhǔn)理論計(jì)算結(jié)果，利用CDEGS軟件計(jì)算了現(xiàn)有城市輸電鋼管塔接地裝置在工頻短路和雷擊故障下的接觸電壓和跨步電壓分布，認(rèn)為工頻跨步電壓超標(biāo)是目前城市輸電鋼管塔接地安全存在的主要問題。

2)針對(duì)輸電桿塔接地普遍采用的水平射線接地體，提出在水平射線末端添加水平夾角射線結(jié)構(gòu)，輔以垂直接地極的方法來(lái)降低最大工頻跨步電壓。通過(guò)對(duì)鋼管塔接地裝置末端射線夾角大小及垂直接地極的布置方式的優(yōu)化研究，得出了射線夾角為90°，單根夾角射線上布置的垂直接地極不宜超過(guò)4根的理論最優(yōu)設(shè)計(jì)方法。

3)基于上述鋼管塔接地裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)施工要求，提出了輸電鋼管塔接地綜合安全優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可以綜合滿足接地電阻、安全指標(biāo)和實(shí)際施工要求。所得結(jié)果可為城市輸電線路桿塔接地的設(shè)計(jì)和施工提供方法指導(dǎo)。