基于模拟实验与有限元仿真的针刺式接地体接地特性研究

务孔永，惠 康，张国锋，郭 洁

（1.河南四达电力设备股份有限公司，河南 许昌 461503；2.西安交通大学，西安 710049）

0 引言

当杆塔或输电线路遭受雷击时，雷电流入地后沿接地以垂直于接地导体表面的方向向土壤流散[1]。在散流过程中接地导体间的屏蔽效应[2]、端部效应[3]、电感效应，以及土壤中的火花效应是影响冲击电流散流效果的主要因素。散流效果差会造成冲击接地阻抗过高，降低线路耐雷水平[4]。

传统降低冲击接地阻抗的方法是增加接地导体长度或数量，但由于接地体的电感效应，长度的增加受到限制，即存在有效长度[5-7]。鉴于上述情况，在接地体上增加短导体—针刺，利用针刺头部的强电场扩大土壤中的火花区域，增强接地体近区的火花效应，降低接地体的冲击接地阻抗。

本文根据模拟实验以及有限元仿真，研究接地体针刺设置数量、长度、间距等参数对冲击接地阻抗的影响，并对针刺式接地体的结构进行优化设计，从而降低冲击接地阻抗。

1 模拟实验

1.1 模拟实验原理

相对于真型实验研究，模拟实验具有易于改变土壤参数和接地体参数、对设备和场地的要求相对较低、节约成本等优点[8-9]。模拟实验基于电磁场理论和相似性原理，在保证接地土壤媒质相同的前提下，采用一定的比例对接地体尺寸、雷电流波形等相关量进行缩比，使模拟实验与真型实验的对应点的电磁场相同。文献[10]详细推导了模拟实验的比例尺，主要特征量的比例关系为：

式中：下标为1 的物理量表示真型实验特征量；下标为2 表示模拟实验特征量；S 为接地体的特征尺寸；t 为实验中冲击电流的波头时间；i 为冲击电流的大小；RI为接地体的冲击接地阻抗。

冲击电流流过接地装置存在电感效应，接地体的感抗为：

式中：f 为冲击电流的等值频率；L0为接地体单位长度的电感；l 为接地体长度。

由于接地体的长度和直径都按比例缩小，因此单位长度的电感保持不变时，接地体长度缩小n 倍，为了保持真型接地体和模拟接地体之间的感抗相等，则应将冲击电流的波头和波尾时间缩短n 倍。

1.2 模拟实验平台

模拟实验平台如图1 所示，包括冲击电流发生器、模拟沙池、模拟接地体和测量系统。

图1 模拟实验平台

沙池模拟槽为半球形，半径为2.5 m，槽壳为不锈钢材质，作为金属回流极模拟无穷远处大地，槽壳设有引出线将回流极电流回流至冲击电流发生器接地极。

受模拟实验场地限制，模拟比例尺n 一般取值为30～50，因此模拟实验中采用场畸变三电极气体开关和低电感回路来实现百纳秒左右波头时间的模拟冲击电流波形。本文模拟实验中电流波形为92/1 640 ns，等效于实际中波形为4.6/82.0 μs的雷电流。

为了减小截断误差，模拟实验中接地体最大几何长度一般不得超过模拟槽直径的1/4，即1.25 m。综合冲击电流波形波头时间和对电极尺寸的要求，本文设定接地体的模拟比例尺n=50:1。经对比，本文中的模拟实验与真型实验误差较小，可采用模拟实验进行研究。

2 针刺参数对冲击阻抗的影响

高土壤电阻率区域通常采用方框带射线的接地体型式，本文主要研究针刺设置数量、长度、间距等参数对于冲击接地阻抗的影响，因此只采用单根射线作为研究对象。将射线简称为h-LH·m，其中，L 为射线长度，H 为针刺长度，m 为针刺数量。若以真实射线长度30 m 为例，则模拟实验中射线长度L 取为0.6 m。为了形成比较，本实验还采用了一长度为0.6 m 水平接地体，简称为h-0.6。

2.1 针刺数量的影响

模拟实验中，当针刺长度为0.1 m（真实长度5 m）时，改变针刺的数量，得到不同针刺数量下的冲击接地阻抗与电流幅值的关系曲线如图2 所示。从图2 中可以看出，增加针刺数量可以降低冲击接地阻抗，并且加入针刺的数量越多，冲击接地阻抗越小，当针刺数量较多时，冲击阻抗呈现饱和。增加针刺数量，缩小了针刺的间隔距离，当针刺数量较多时，相邻针刺间隔距离的缩小导致屏蔽效应明显增强，因而过多增加针刺数量会使降阻效果出现饱和。

图2 针刺数量对冲击接地阻抗的影响

2.2 针刺长度的影响

当针刺数量为3 时，改变针刺的长度，得到不同长度下冲击接地阻抗与电流幅值的关系曲线如图3 所示。从图3 中可以看出，模拟实验中，当针刺长度不超过0.3 m（真实长度15 m）时，增长针刺长度可以显著降低冲击接地阻抗。但实际工程中，长15 m 的针刺在高土壤山地等场合较难实现，因此，采用的长度需根据实际情况决定，但针刺数量不宜过多（不超过5 根）。

图3 针刺长度对冲击接地阻抗的影响

为了更深入地研究针刺设置数量、长度、间距等参数对冲击接地阻抗影响的机理，依据电磁场理论，对影响机理进行了有限元仿真研究。

3 有限元仿真

3.1 仿真模型参数

仿真中单根接地体长2 m，材料为实际应用中的圆钢，半径为10 mm，水平埋设于土壤电阻率为580 Ω·m 的均匀土壤中，埋设深度为0.8 m。本文采用COMSOL Mutiphysics 有限元仿真软件，基于电磁场理论和有限元方法，考虑土壤中的非线性火花放电效应，采用无限元边界以消除截断误差[11-21]。采用接地体冲击电压最大时刻的火花放电区域体积V 和冲击接地阻抗为特征参量分析结果，其中火花放电区域V 通过积分计算获得。积分表达式中Ec为临界场强，仿真中土壤发生火花放电的临界场强Ec采用CIGRE（国际大电网会议）的推荐值350 kV/m。仿真计算采用标准雷电流，波形为2.6/50 μs。

3.2 针刺长度的影响

将针刺根数设为1，装设在水平接地体中点，只改变针刺长度L，研究针刺长度单一因素对接地阻抗的影响。

在相同仿真条件下，不同长度针刺火花效应区域剖面如图4 所示。火花效应在水平接地体的端部以及针刺的端部明显强于其他部位。添加针刺之后不仅使得接地装置接地体与土壤接触面增加，散流空间增加，同时高曲率针刺端部的场强很高，使周围土壤产生明显的火花放电，增加了土壤中的火花放电区域，使得接地阻抗降低。

图4 不同长度针刺下火花效应区域

土壤中发生火花放电的空间体积随着针刺长度变化如图5 所示，由图示可知火花放电空间体积随着针刺长度增加而先增加后下降，在针刺长为0.12 m 时火花放电区域达到最大。当针刺长度过小时，针刺端部火花放电区域与水平接地体自身火花区域有部分重合，散流面积有限，火花放电区域较小；当针刺长度较大时，虽然散流面积增大，但各部分电流密度J 变小，使得达到土壤击穿场强的区域变小，所以火花放电区域反而减小。

图5 火花放电区域体积随针刺长度变化曲线

3.3 针刺设置位置的影响

采用1 根针刺时，分别取L=0.1 m 和L=0.2 m，以注流点至针刺距离x 为变量，如图6 所示。

图6 针刺位置

针刺布置位置改变时，接地体火花放电区域如图7 所示，针刺布置在水平接地体端头附近时，与端头存在屏蔽效应，削弱了降阻效果；而针刺越靠近水平接地体中点时，与水平接地体端头之间的屏蔽效应越弱，针刺的降阻效果越明显。

图7 不同针刺位置下的火花区域

长度分别为0.1 m 和0.2 m 的针刺处于不同坐标下的冲击接地阻抗分布曲线如图8 所示，可以看出针刺位于水平接地体中点时，冲击接地阻抗最小，表明此时对针刺的利用达到最大化。同时可以得出，针刺在水平接地体中点附近冲击接地阻抗随坐标x 变化缓慢，而在水平接地体端部附近随x 变化较快，针刺越短愈明显，即在水平接地体中点一定范围内加装针刺降阻效果最好。

图8 冲击接地阻抗随针刺位置变化的曲线

3.4 针刺间距的影响

以2 根针刺为例，对称分布在水平接地体上，间距为d。仿真中只改变2 根针刺的间距d，保持针刺长度不变恒定为0.2 m。

2 根针刺在不同间距时的火花区域分布如图9 所示，冲击接地阻抗随间距d 的变化曲线如图10 所示。可知当2 根针刺间距较小时，针刺之间存在明显的屏蔽效应，火花放电区域小于2 根针刺火花区域之和，针刺的降阻效果被减弱；而间距超过一定距离时，针刺间的屏蔽效应较弱，2根针刺的火花区域互不重叠，针刺的降阻效果得到了完全发挥。

图9 不同针刺间隔距离下的火花区域

图10 火花区域体积随针刺间隔距离变化的曲线

间距小于0.15 m 时，冲击接地阻抗随着间距距离增大呈下降趋势，间距较小时（d＜0.1 m），下降趋势极为明显；间距大于0.15 m 之后，冲击接地阻抗随间距变化趋于饱和。

4 针刺式接地体布置结构优化

根据上节增设针刺对接地阻抗的影响研究，得出针刺最佳长度为0.12 m，最佳间距为针刺长度L 的0.75。

为了研究布置结构对降阻效果的影响，在长2 m 的水平接地体上，除端头位置外，按0.1 m间距均匀布置19 根长0.12 m 的针刺。布置结构分为水平布置和垂直布置，如图11 所示。

图11 针刺一维布置结构

由图12 所示的水平针刺和垂直针刺的火花区域分布可知，由于针刺较短、相对埋设深度较小，相同条件下两者的火花区域分布特点基本一致，只是分布区域一个为水平分布，一个为垂直分布，两者在围绕水平接地体的一维土壤空间中针刺间均存在部分屏蔽作用。因此将针刺布置结构改为三维交替结构，将19 根水平针刺和垂直针刺交错布置于水平接地体上。相邻水平针刺和垂直针刺两者间隔0.05 m，如图13 所示。

图13 针刺三维交错布置结构

不同针刺布置方式下的接地装置冲击接地阻抗随冲击电流幅值变化曲线如图14 所示。3 种布置结构均有一定的降阻效果，水平针刺和垂直针刺由于布置针刺数量一致，只是布置方向分别为水平和垂直，降阻效果基本一致。而交错布置结构由于针刺数量本身较多，且水平、垂直三维交错分布在一定程度上削弱了针刺间的屏蔽效应，因而降阻效果更好，最大降阻达到18.03%。

5 结论

通过模拟实验以及有限元仿真研究了针刺长度、数量、间隔距离以及针刺布置结构对冲击接地阻抗的影响，得到以下结论：

（1）在接地体上增设针刺的方式通过畸变局部空间场强，增强火花效应，扩大有效散流区域，从而降低冲击接地阻抗。

（2）在土壤以及雷电流幅值一定的情况下，针刺的长度L 与减小接地阻抗间存在最佳值，能使火花击穿区域空间体积最大。对于单根长2 m，半径为10 mm 的圆钢接地体，采用2.6/50 μs 标准雷电流进行仿真，可得L 的最佳值为0.12 m；在水平接地体中部加装针刺降阻效果最好，且随针刺长度增加而减小；受针刺间的屏蔽效应影响，接地装置冲击接地阻抗随针刺间距d 增加而减小，d 超过一定值后呈现饱和，本文条件下该值为0.75 L。

（3）在2.6/50 μs 标准雷电流下，针刺水平布置与垂直布置降阻效果相当，三维交错布置降阻效果最好，最大降阻达到18.03%。