基于ATP-EMTP对新型输电线路杆塔接地型式的研究

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(1.国家电网公司华中分部，武汉 430077； 2.国网浙江省电力公司舟山供电公司，浙江 舟山 316022； 3.长沙理工大学 电气与信息工程学院，长沙 410004； 4.国网湖南省电力公司邵阳市隆回县供电公司，湖南 邵阳 422200)

0 引言

随着我国雷雨天气愈发频繁，由雷击引起的事故也日益增多，因此提高线路耐雷水平从而保证电力系统的供电安全稳定性变得尤为重要[1-4]。对提高线路耐雷水平来说，减小接地装置的接地电阻是一种非常有效的方法[5-8]。因此，研究一种能够更有效的优化接地体冲击特性的接地装置，减小接地体的冲击接地电阻，对提高输电线路的供电稳定可靠性有着重要意义。

1 接地体物理模型的建立

本文研究的接地体模型是在考虑了接地体火花放电效应的基础上，忽略杆塔参数对接地装置的影响，直接将雷电流作用在接地极上的物理模型。根据文献[7]的研究结论，可以得到：

(1)

(2)

土壤临界击穿场强；Ec=241ρ0.215

(3)

在该的模型当中，将接地体进行n等分。其中，Ji为第i段导体上的电流密度；ΔIi为第i段导体入地电流大小；ρ为土壤电阻率；Δl代表n等分中的每段导体的长度；ri表示第i段接地体的等效半径。

1.1 雷电流参数的设定

对于脉冲形式的雷电流来说，需要用幅值、波长以及波头来对其进行描述[9]。根据我国数据统计表明，40 kA-80 kA之间的雷电流幅值所占比率最大，将近35%左右。而80 kA-108 kA之间的发生概率是在12%左右[10-11]。本文采用的模型是假设已经经过杆塔和输电线路的分流作用之后，把冲击电流注入接地点处的位置作为起始点，采用波形为8/50 μs、电流幅值为10 kA的雷电流用于防雷保护的计算。

1.2 冲击电流作用下的接地体等效模型建立

在考虑火花效应前提下，以电磁场理论为依据，采用杆塔接地体等效模型进行仿真分析。其原理是首先将接地体n等分，运用线性差分电路模型将接地体分割成n个单元等效电路。而其中的任意一个等效电路再按照有损长线处理，就把基本单元转变成π型等值电路。该电路是由各个分支上所产生的自电阻R、对地的泄漏电导G、自感L以及对地电容C这四个主要参数来进行描述。基本单元等效电路如图1所示。

图1 基本单元π型等效电路Fig.1 The basic unit of π type equivalent circuit

由于雷电流的大小是随着时间不断变化的，接地体火花放电的程度大小与雷电大小流密切相关，该模型中与接地体等效半径有关的电气参数同样也是变化的。由于接地体表面是垂直与接地体中入地电流的方向，因此电流交链的磁链一般来说是不变的[12-13]。所以接地极当中的自阻抗和互阻抗可以近似当作不变的，由文献[7]可设每米接地体的电阻为0.05 Ω[7]，接地体中的对地电导G与对地电容C是随时间变化的。

当雷电流注入接地极时，如果是低频电流，就需要考虑对地导纳、对地电容，自电感以及输入阻抗作用；如果是高频或者暂态电流，由于电流是沿着接地体发生不均匀散流，并且各电位是不均匀的分布在导体上，故将其看成有损传输线电路。考虑雷击接地体时，接地体会产生磁通饱和现象，忽略接地体内的自感，可得π型等值电路上单位长度接地体上的各参数计算公式如下：

(4)

单位长度电容；C=ερG0

(5)

(6)

其中，S=πr2

(7)

式中：ρ是土壤电阻率；μ0是真空导磁系数(一般取μ0=4π×10-7)；l表示接地体的总长度；r为接地体的半径；ε是土壤介电常数(一般是取ε=9×8.86×10-12)；接地体的埋深为h；表示第i段的接地体长度为li；接地体的电阻率为ρ0(试验中取ρ0=1.5 Ωgmm2/m)；ri为第i段时导体的等效半径。

2 考虑火花效应时基于ATP-EMTP水平接地体冲击放电模型及计算方法

取20 m等效半径为r=0.009 m的水平接地体，将其均分为5段，土壤电阻率ρ=1 000 Ω·m，埋深h=0.8 m，将波形为8/50 μs、电流幅值为10 kA的雷电流从接地体一端注入，利用电力系统暂态仿真软件ATP-EMTP建立水平接地体冲击放电的等效模型如图2所示。

图2 水平接地体冲击放电的ATP仿真模型Fig.2 Level of grounding body impact discharge of ATP simulation model

表1 第一次仿真运行所得参数Table 1 Parameter for the first timerun the simulation

表2 仿真运行所得的最终参数Table 2 Parameters of the simulation run at the end

不考虑接地体火花放电效应时，建立ATP仿真模型，运行得到各段电流变化如图3所示，考虑接地体火花放电效应后得到各段电流变化如图4所示，图3、图4中曲线从上至下依次为第1段至第5段的接地冲击电流对地散流变化曲线；考虑接地体火花放电效应后入地点的冲击电压电流的变化如图5所示，图5中曲线从上之下依次为水平接地体入地点冲击电压、冲击电流的变化图。

图3 不考虑火花效应后各段接地体的入地电流变化图Fig.3 Afterno considering effect of spark paragraphs of grounding body into the current variation

图4 考虑火花效应后各段接地体的入地电流变化图Fig.4 After considering effect of sparkparagraphs ofgrounding body into the current variation

图5 考虑火花效应后入地点的冲击电压电流变化图Fig.5 After considering spark effect into the location of the impulse voltage current variation

由图5中Um和Im的数值得到考虑火花放电效应的冲击接地电阻:

由文献[2-3]中的计算公式：

其中α为从水平接地极一端施加冲击电流的冲击系数，R表示水平接地体的接地电阻，设接地体的长度l为20 m，接地体的等效半径d=0.009 m，埋深h=0.8 m，土壤电阻率ρ=1 000 Ωm时的冲击接地电阻Rch=αR=43.83 Ω，与本文仿真得到的结果Rch=45.58 Ω相近，由此可证明本文采用的考虑接地体火花效应的等效半径的计算方法是可行的。

3 考虑火花效应时树枝状接地装置的仿真分析

3.1 树枝状接地装置的提出

根据目前已有的对接地装置的冲击特性试验及仿真分析的研究得到的结论[14-15]，接地导体的形状和数目等对接地装置的冲击特性有较大影响。在一定范围内，增大接地导体的长度能够使接地体的雷电散流能力得到提高,而接地导体的有效长度与接地体的长度密切相关，一旦超过接地体的有效长度，接地体长度的增加不能够有效的降低冲击接地电阻。在电流注入点处，接地体的散流特性受到接地导体的形状和数量的影响，在土壤电阻率较高的地区，接地体之间的屏蔽效应非常明显[16]。通过对比分析不同形状接地体的冲击特性可知，相邻接地体之间的屏蔽效应、冲击电流作用下接地体的端部效应以及接地体周围的土壤火花放电现象为影响接地体冲击特性的主要因素。在其他参数一定的条件下，接地导体形状不同，其火花击穿程度和附近场强的畸变程度也存在差异。因此，在原有接地体的基础上补充“树枝状”接地导体，使接地导体的局部散流密度以及接地体周围土壤火花放电面积均得到增大，而土壤击穿区域的电阻可以认为等于接地导体电阻，使得接地导体的几何尺寸的大小得到了增加，从而更有效的利用了接地体，达到降低冲击接地电阻的目的。

3.2 补充树枝状接地体后的效果分析

为了分析树枝状接地装置对于传统接地装置的优势，本节通过前文建立的仿真模型对比分析了不同土壤电阻率和雷电冲击电流幅值作用条件下，在接地导体总长度相等的情况下，计算比较了水平放射接地体与水平放射接地体补充树枝状接地导体时的冲击接地电阻的大小。主要分析了两种情况下的冲击接地电阻。

情况一：土壤电阻率ρ=100 Ω·m，接地装置埋深h=0.8 m，水平放射接地体单根放射极长30 m，补充树枝状导体后水平单根放射极长20 m，单根树枝长2.5 m，保持接地装置的总长度不变，在接地装置的中心点分别施加幅值为5 kA、10 kA、20 kA、40 kA、60 kA、80 kA，波形为8/50 μs雷电冲击电流，如图6所示。

情况二：土壤电阻率ρ=1 000 Ω·m，其他参数与情况一相同。

图6 水平放射型接地体与树枝状接地体Fig.6 Levels of radiation extremely grounding device and dendritic grounding device

通过搭建物理模型，进行仿真计算得到不同雷电冲击电流作用下两种接地装置对应冲击接地电阻的变化关系曲线如图7所示。

(a)ρ=100 Ω·m

(b)ρ=1 000 Ω·m图7 不同土壤电阻率条件下冲击接地电阻与接地电流 幅值的关系曲线Fig.7 When different soil resistivity impact grounding resistance and impact current relation curve

由图7(a)分析可知，在幅值低于25 kA的雷电流作用下，树枝状接地装置对比于放射状接地装置的冲击接地电阻大约降低了11%。相比于普通放射状接地装置，树枝状接地装置的接地导体存在更多的凸出端部，这使得接地导体的端部效应更明显，增大了火花放电面积，提高了接地装置的散流性能，达到了降低冲击接地电阻的效果。当雷电冲击电流幅值超过25 kA时，两种接地装置的冲击接地电阻受雷电冲击电流的增大影响变小且两者之间的差值也越来越小。这是由于随着雷电冲击电流幅值的增大，接地体上向土壤中散流的电流密度也越大，使得接地导体周围的火花放电击穿区域相应的增大，当雷电冲击电流幅值很大时，击穿土壤所形成的火花放电区域要远大于接地导体的半径，补充树枝状导体对降低接地体冲击接地电阻效果甚微。

由图7(b)可知，在土壤电阻率较高的条件下，两种接地装置在相同的雷电冲击电流作用时，冲击接地电阻值都有所增加。树枝状接地装置的降阻效果更加明显。当冲击电流的幅值进一步增加时，二者的冲击电阻值也逐渐趋于稳定，变化趋势也基本一致。

根据分析结果可知：当所采用的接地导体的总长度相同时，树枝状接地装置较之于放射状的冲击接地电阻明显较小，采用树枝状接地装置更有利于降低导体的冲击接地电阻。特别是在高土壤电阻率的地区，冲击接地电阻也相对较大，可使用树枝状接地装置以防止雷电反击事故的发生。若是在土壤电阻率很高的山岩地区，还可以将降阻剂铺设在接地体的四周，更好的降低接地体的接地电阻，从而提高线路的反击耐雷水平。带补充树枝状的放射接地导体设计原理如图8所示。

图8 树枝状补充接地导体示意图Fig.8 Dendritic supplement grounding conductor

4 结论

1)提出了考虑火花放电作用下的接地体等效半径的计算方法，以单根水平接地体为例，通过ATP-EMTP仿真计算验证了该方法的可行性。

2)研究了带补充树枝状放射接地极的接地装置模型，利用考虑接地体火花放电效应的等效半径计算方法，在其他条件相同时对放射接地极与带补充树枝状的放射接地极的冲击接地电阻进行比较，得出带补充树枝状的放射接地极能够使接地体的冲击接地电阻得到有效的降低。

3)在土壤电阻率较高的地区，提出了采用补充树枝状接地体降低冲击接地电阻的方法，若接地电阻仍不能满足设计规定，建议在接地体周围敷设降阻剂来降低接地电阻。