输电杆塔不同形状接地体最大跨步电压轨迹包络线分布规律研究

潘子仁，洪书文，毛兴华，李 悦，周 威，马亚琦，林俊超，胡林洁

(长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410000)

随着国家电网公司提出建设用特高压为骨干网架，各级电网协同发展的战略布局，加上新型城镇化的加速发展，以前人烟稀少的地区现在可能建设成新的工业区或者居住区，输电线路杆塔的分布也越来越密集，高压输电线路穿越人口密集地区的现象将会更加普遍。在线路杆塔遭受雷击或者发生接地故障时，强大的故障电流经接地装置入地时可能造成地电位的异常升高，此时杆塔附近可能存在危险的接触电压或跨步电压，此时如果有人在此附近活动，将会造成触电事故，对人身安全构成威胁。

杆塔接地装置一般采用水平和垂直接地极为主，没有均压措施，当强大的故障电流通过接地装置入地时，电流在接地导体上各段的散流值大小是不同的，而且电流的这种不均匀散流还受到接地装置的形状、几何尺寸、埋深和屏蔽系数等状态参数的影响，因此接地短路电流的散流过程是复杂的。在散流过程中，可能会在接地导体上产生电流密度局部最大值，引起局部电势异常增加，出现危险的跨步电压对附近人员造成人身触电事故。因此，对输电杆塔周围地电位与跨步电压的研究是非常重要的[1-2]。

为了探讨输电杆塔不同接地体形状对地电位与最大跨步电压分布情况的影响，采用了仿真计算与模拟试验等方法开展研究，得出不同形状对其周围地电位与最大跨步电压轨迹包络线分布规律的影响。

对接地装置而言，会在其周边一定的范围存在最大跨步电压轨迹包络线，最大跨步电压轨迹包络线上的跨步电压的大小，最能真实反映接地装置是否安全，找出最大跨步电压轨迹包络线可为接地安全改造提供依据，研究具有均匀散流和均压效果的新型杆塔安全接地方法和重点地段输电线路接地安全防护措施，都具有极其重要的理论价值、工程应用价值和社会价值[3]。

1 建立不同接地体的试验模型

为了研究输电杆塔不同形状接地体对周围地电位与最大跨步电压轨迹包络线分布规律的影响，对输电杆塔常见的几种接地体真实尺寸进行了仿真计算。

几种接地体模型见图1。

图1 不同接地体形状

图1中方框边长为10 m，射线长度为20 m，圆环的周长为40 m。

为了进一步验证不同形状接地体对周围地电位与最大跨步电压轨迹包络线分布的影响，对这几种接地体采用了等比例缩少的方法，进行了现场的模拟试验[4]，模拟比n=40∶1。

试验地点在长沙某试验室的模拟试验网上进行，首先将三相线路的一相与埋在土壤中的接地装置相连接，模拟输电杆塔接地故障，根据测量所需的接地电流调节线路电容的大小，然后通过调压器及变压器将母线电压升高至所设定的电压值，可以迅速测量接地体周围的地电位大小分布情况。

通过四极法测量到现场试验的土壤电阻率为ρ=41 Ωm，采用三极法测得方框型、方框带4条斜射线型、方框带4条垂直射线型和圆环型的接地电阻Rd分别为27.70 Ω、11.45 Ω、11.68 Ω、25.02 Ω。

根据单相接地电计算公式[5]：

(1)

式中Id——单相接地电流，A；UX——故障前的相电压，V；C0——相对地电容，F；Rd——故障点的过渡电阻，Ω。

现场试验设定各接地体的单相接地电流Id=5 A，经式(1)得到方框带射线型的2种接地体需调电容大小约为0.928 μF，方框型和圆环型接地体需调电容大小为2.757 μF。

图2 真值试验模拟网

2 不同接地体仿真对比分析

针对不同形状的接地体周围地电位及周围最大跨步电压轨迹的分布情况[6-10]，通过对四种接地体进行仿真试验，得到其周围最大跨步电压轨迹包络线的分布规律。试验对四种真实尺寸下的接地装置施加10 kA工频接地故障电流，采用四点法注入方式，接地体材质均为圆钢，直径12 cm，埋深1 m，仿真试验采用双层土壤，第一层的土壤电阻率ρ为50 Ω·m，厚度为1 m；第二层的土壤电阻率ρ为200 Ω·m，厚度为无穷大。

2.1 方框型接地体

方框型接地体是输电杆塔接地装置中常见的接地地体模型，其较其他几种接地体具有制作简单、施工方便等优点[11-15]，因而对其周围地电位与最大跨步电压分布规律研究，找到其适用的区域并能指导工程做出相应的防护措施是十分有意义的。

图3为10 kA工频电流方框型接地体地电位分布，图4 10 kA工频电流方框型接地体地跨步电压分布。

图3 10 kA工频电流方框型接地体地电位分布

图4 10 kA工频电流方框型接地体地跨步电压分布

如图3可知，在10 kA工频接地电流作用下，方框型接地体周围地电位分布以方框为中心，向四周圆环状分布，有着明显的分层现象，相邻两颜色的电位差约为3.22 kV，电位大小向着远离方框中心方向逐渐减少，周围的电位分布比较均匀。最大地电位分布在方框的四个顶点附近，分布区域极小，高达54 kV，且顶点附近电位分层要相对密集些。

如图4可知，在顶点周围有前四种颜色的极小圆环状分布，且在顶点上有最大跨步电压分布。在距顶点1 m左右处，又有前四种颜色的一小段弧状分布，以距顶点约1.5 m处的最大跨步电压分布的弧形为中心，相邻两颜色的跨步电压差约为1.26 kV，最大跨步电压的大小约为12 kV。最大跨步电压的轨迹包络线分布在方框的顶点周围。

2.2 方框带射线型接地体

埋设在土壤中的不同导体之间，或同一导体结构之间，都存在一定的相互屏蔽作用，该作用会影响到接地体的工频特性。综合考虑，为了验证试验的合理性，试验采用方框带垂直型和方框带斜射线型两种接地体进行比较。接地体的射线长度相同，方框和射线布置的方向有所差异，试验结果如图5～图8所示。

图5 10 kA工频电流方框带4垂直射线型接地体地电位分布

图6 10 kA工频电流方框带4垂直射线型接地体跨步电压分布

图7 10 kA工频电流方框带4射线型接地体地电位分布

图8 10 kA工频电流方框带4射线型接地体跨步电压分布

方框带4条斜射线型接地体周围地电位大小围绕着方框与射线呈现出四角形分层现象，电位线分布较为密集，尤其是在射线末端，电位梯度变化较大；在接地体外围电位分布较均匀，呈现较大圆环状。地电位最大区域分布在方框及射线前半段，最大值约为27 kV。跨步电压较大区域主要分布在射线周围，最大跨步电压轨迹包络线分布在射线末端，围绕着射线尖端，呈椭圆状分布，区域较小，幅值约为1 678 V。方框带4条垂直射线型接地体周围地电位大小围绕着边框与射线呈现四角风车形分层现象，电位线分布较为密集，尤其是在射线与边框垂直区域与射线末端，电位梯度变化较大；在接地体外围电位分布较均匀，也呈现较大圆环状。地电位最大区域分布在方框及射线前半段，最大值约为28 kV。跨步电压较大区域主要分布在射线周围，最大跨步电压轨迹包络线分布在射线与边框垂直区域与射线末端，幅值约为1 830 V，在尖端分布的面积较斜射线型有所减小。通过比较，带4条斜射线型的地电位和最大跨步地压的大小都要略小于方框带垂直型接地体。

2.3 圆环型接地体

由DL/T621—1997《交流电气装置的接地》可知，居民区和水田中的接地装置，适宜围绕杆塔基础敷设成闭合环形[7]。圆环形接地体的目前使用相对要少些，但随着社会发展的需要，输电线路杆塔向人口密集地区分布的现象也越来越普遍，杆塔附近可能活动的人员数量也越来越多。故对散流分布更加均匀的圆环型接地体周围地电位及跨步电压分布情况研究是非常有必要的。

如图9可知，在10 kV工频接地电流作用下，接地体周围的地电位大小围绕着圆环接地体呈现标准的圆环状，圆环的宽度逐渐增加，相邻两颜色的电位差约为3.90 kV，最大地电位分布区域出现在接地引下线与圆环的连接处，高达53 kV，但区域极小，周围电位梯度下降极快。如图10可知，在接地引下线与圆环的连接处以及与离其约1 m的位置都有最大跨步电压分布。前者主要是以点状分布，区域极小，后者是一小段弧状分布，并有前四种颜色围绕其分布，相邻两颜色跨步电压差约1.09 kV，最大跨步电压大小约为11 kV。最大跨步电压轨迹包络线分布在圆环型接地体附近一周的区域。

图9 10 kA工频电流圆环型接地体地电位分布

图10 10 kA工频电流圆环型接地体跨步电压分布

3 现场试验结果对比分析

现场试验采用等比例缩少的试验方法，用圆钢为材料分别制作方框型、方框带4条斜射线型、方框带4条垂直射线型以及圆环型四种接地体模型，长度尺寸的缩放比例为40，土壤埋深为20 cm。试验结果如表1～表4所示。

对于方框接地体来说，其方框各边的交点处电位最高，电位下降梯度也最为陡峭，其次为方框的四条边处电位较大，距离接地体越近，电位越高；相比于方框型，方框带射线型接地体周围地电位大小有所下降，散流更加均匀，但在其射线的周围，电位分层比较密集，地位下降梯度较大，最大跨步电压应该分布在射线周围。圆环型接地体相比于方框型接地体而言，圆环型接地体周围电位下降更加均匀，圆环型除电位最高，电位朝着远离圆环型中心的方向逐渐减小。是较理想的接地体模型，适合在人口密集区使用。

对于方框带射线型接地体，通过对斜射线、垂直射线接地体的测量数据比较可知，射线与边框的夹角大小对接地体的散流效果影响不大，离接地体越近的区域电位越高，在接地体的射线末端电位梯度线变化最陡峭，其附近电流线也最密集，也是跨步电压较大的区域。

综上所知，由仿真计算与现场试验得到不同接地体形状对周围地电位与最大跨步电压分布规律基本一致。

图11 测量点分布图

4 结语

(1)通过现场试验与仿真计算分析，得到了方框型、方框带射线型以及圆环型不同接地体地电位分布与最大跨步电压轨迹包络线分布规律。

表1 试验测得方框型周围地电位分布 V

表2 方框带4条斜射线型周围地电位分布 V

表3 方框带4条垂直射线型周围地电位分布 V

表4 圆环型周围地电位分布 V

(2)结果分析表明，方框带射线型接地体周围地电位和最大跨步电压大小相比于方框型明显减少，且射线的角度对其影响较少。

(3)综合比较，对于学校、居民区等人口密集的重点防护区域，采用圆环型接地体比较适合；方框带射线型接地体适合在人口稀少的山区，并在射线周围及尖端安装均压环。