采用螺旋状接地模块的城市输电钢管塔接地装置安全设计

陈静雯，杨鑫，杨泰，易俊华，刘宇彬，曾军琴

(1.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙410114；2.湖南经研电力设计有限公司，长沙410014)

0 引言

城市输电线路仍较多采用架空线路的形式。钢管塔适用于承受大荷载，且占用空间较低，相对于角钢塔更具技术和经济优势，已作为城市架空输电线路的典型塔型。钢管塔大多架设在马路边或中央的花坛中，该区域属人流密集区域，其接地安全问题应引起相关部门的重视。

接地装置的安全设计主要针对大型变电站、发电厂的接地网[1]。文献[2-5]通过仿真研究得到接地网在工频故障、雷电冲击下的接地特性，提出了外引接地技术、使用接地降阻剂以及电解离子接地极等方法降低变电站的接地电阻。文献[6]通过铺设不均匀网格、地表铺设沥青砾石等方法均衡接地网的跨步电压。文献[7-10]对于输电线路塔接地的研究主要集中于高土壤电阻地区的降阻问题，提出了深孔爆破、局部换土以及使用柔性石墨接地极等新型降阻方法。

目前，针对城市输电线路杆塔接地装置的安全性和安全设计的研究相对较少[11]。根据接地规程规定[12]，人流密集区域的输电杆塔接地装置应尽量设计为闭合形。文献[13]结合钢管塔施工工程实例分析提出影响跨步电压及接触电压大小的主要因素，并对钢管塔故障电流和接地电阻进行了相关理论研究。文献[14]利用ANSYS有限元计算软件及MATLAB仿真软件，通过建立数学模型对输电钢管塔周围跨步电压的分布情况进行分析。文献[15]采用CDEGS软件对部分特殊线路钢管塔的跨步电压及接触电压进行仿真和工程测试，提出降低跨步及接触电压的综合措施。

城市输电钢管塔大多位于花坛中，接地装置表层土壤为植被[16]，无法采用敷设沥青、砾石等高土壤电阻率物质的方法降低跨步电压，仅能从改进接地体着手开展接地安全设计。

本文首先通过分析得出工频短路、雷电流入地情况下输电钢管塔接地装置安全指标的目标值计算方法及典型设计下的目标值，以现有城市输电钢管塔典型设计为模型，利用CDEGS接地计算软件得到该装置两种情况下各安全指标的实际值。针对工频跨步电压超标的问题，提出在接地装置末端加装螺旋状接地模块以替代普通垂直接地体，仿真分析了螺旋状接地模块接地性能随参数变化的规律，确定了满足均压指标的最优化结构参数；以接地电阻和安全指标为目标，结合实际施工条件，提出了采用螺旋状接地模块的城市输电钢管塔接地设计方案，研究成果可为城市输电钢管塔的安全接地设计提供方法参考。

1 城市输电钢管塔接地安全参数及其计算

1.1 城市输电钢管塔接地装置的典型设计

由于城市输电钢管塔所处位置的特殊性，难以敷设输电杆塔典型采用的四角放射形接地装置[17]。在实际施工中，输电杆塔的接地装置一般采用如图1所示的直线放射形和闭合形接地型式。

依据现阶段城市输电钢管塔接地安全规范，接地装置中水平接地体的长度、垂直接地体的数量均以钢管塔接地电阻达到目标值以下作为设计指标进行铺设[18]，各接地材料采用的典型参数如表1所示。

表1 材料参数表

根据接地体散流的表面积等效原理[19]，表中所述的扁钢水平接地体可等效为半径8 mm的圆钢，角钢垂直接地体等效为半径33.7 mm的圆钢。考虑城市输电钢管塔所架设位置一般位于路边以及马路中央的花坛中，土壤电阻率取300 Ω·m。

在该土壤条件、接地材料参数下，以接地电阻小于10 Ω为目标，根据接地规程[12]计算得到：1)直线放射形接地装置，单根射线长度25 m，总长度为50 m，垂直接地体单根长度为2 m，间隔5 m，共11根，该装置接地电阻为9.23 Ω；2)闭合形接地装置，水平接地体长度为30 m，宽度为4 m，垂直接地体单根长度为2 m，间隔5 m，共14根，此时接地电阻为8.75 Ω。其基本型式示意图由图1所示。

图1 城市输电钢管塔接地装置的两种典型型式

1.2 城市输电钢管塔接地装置的安全参数及其目标值计算方法

由于城市输电钢管塔所处位置多为人流密集区域，因此除接地电阻外，接地设计需对其接地安全参数进行校核。钢管塔接地安全参数包括：工频短路电流下的跨步电压和设备接触电压、雷电入地电流下的跨步电压和设备接触电压[20]。

以质量50 kg的人体作为标准，可得到工频短路和雷电冲击两类故障下各安全参数的目标值。

1.2.1 工频短路故障时安全参数目标值的计算方法

根据相关研究结果显示，人体在工频50～60 Hz的电流作用下伤害最为严重[21]。国内外很多学者对人遭受故障电击时的等效电路模型进行了分析，得到跨步电击和接触电击时作用于两脚间的耐受跨步电压、人体手和脚间的耐受接触电压分别为[22]：

VS=(RB+6ρ)IK

(1)

VT=(RB+1.5ρ)IK

(2)

式中：RB为人体电阻；ρ为土壤电阻率；IK为不同质量下人体的安全电流；K为与人体质量有关的能量系数；VT为跨步电压。IK可由式(3)计算得出。

(3)

式中t为入地电流持续时间。

此时由事故电路的分布参数电路可以得到，人站立两点间的跨步电压US、手和脚所接触两点间的接触电压UT分别与耐受跨步电压VS、耐受接触电压VT有以下关系：

US=(RB+6ρ)VS/RB

(4)

UT=(RB+1.5ρ)VT/RB

(5)

由此得到工频故障下各安全参数，即工频跨步电压US和工频接触电压UT的计算公式为：

(6)

(7)

1.2.2 雷电流入地时安全参数目标值的计算公式

研究表明，高频电流对人体的伤害远小于工频电流。当雷电流频率为10～100 kHz时，人体耐受的安全电流约为工频时的13倍[23]。根据式(1)—(7)的推导可类比得到钢管塔遭受雷击时，能确保人身安全的跨步电压和接触电压计算公式分别为：

(8)

(9)

式中：ULS为跨步电压限值；ULT为接触电压限值；T为故障雷电流的持续时间。K的计算方法如式(3)所示。

1.2.3 典型参数下钢管塔的接地安全参数目标值

选取质量为50 kg的人作为标准，能量系数K的大小为0.013 5，人体电阻RB取值1 000 Ω[19]，土壤电阻率为300 Ω·m；输电线路排除工频故障电流的时间较短，考虑一定裕度，工频短路电流持续时间t取0.2 s；故障雷电流持续时间T取150 μs。将上述参数代入式(6)—(9)中计算得到工频短路、雷击短路故障下，人体允许的安全参数目标值,如表2所示。

表2 两种故障情况下各安全参数目标值

2 城市输电钢管塔接地装置安全参数的计算实例

利用CDEGS接地计算软件，搭建如1.1小节所述两种接地型式的仿真模型，仿真计算得到不同型式下接地装置的安全参数实际值。

2.1 经钢管塔入地的电流大小

由于跨步电压、接触电压均与入地电流的大小密切相关，因而在对接地装置的安全参数进行仿真计算时应首先确定工频短路、雷电流入地时输电线路钢管塔的入地电流大小及参数。

2.1.1 工频短路故障入地电流

输电线路的工频短路故障入地电流主要针对单相接地短路故障情况。线路单相接地短路故障下流经钢管塔的入地电流Id的计算表达式有：

Id=kIf

(10)

式中：If为单相接地短路故障下故障电流的大小；k为钢管塔的工频分流系数。

故障电流If的大小与系统的运行方式、中性点的接地方式以及短路点位置均有关[24]，可通过微机保护或故障录波得到，220 kV系统下一般为3 000～4 000 A，本文取4 000 A。

由均匀链型等效电路可知，钢管塔工频分流系数k值的大小与接地钢管塔电阻、架空地线阻抗(电阻)有关，计算公式如式(11)所示。

(11)

式中：RT为钢管塔的接地电阻；ZS为一个档距架空地线的阻抗(电阻)。220 kV线路架空地线选型为GJ-50，钢管塔接地电阻取10 Ω，得到钢管塔工频分流系数为0.81，代入式(10)计算得到单相接地短路故障时通过钢管塔流入地的工频短路电流值为3 240 A。

2.1.2 雷击下的入地电流参数

一般，雷击杆塔时的入地电流较大。雷电流一部分通过避雷线向两侧流散，一部分通过钢管塔向下流经接地装置向大地泄流。因此经过避雷线分流之后的入地雷电流的大小可通过式(12)计算得出。

IdL=kLIm

(12)

式中：kL为雷击发生时钢管塔的分流系数；Im为雷电流幅值。

根据IEEE推荐的雷电流幅值累积概率分布公式有[25]：

P=10-Im/88

(13)

由式(13)可知，雷电流的幅值概率P取98.5%时雷电流幅值Im大小为160 kA。雷击故障下220 kV线路双根避雷线的钢管塔分流系数可取0.86[26]。因此进行雷击故障时的仿真计算时，本文采用的入地雷电流为幅值137 kA、2.6/50 μs标准雷电流。

2.2 两种接地型式下安全参数实际值的仿真计算

2.2.1 跨步电压和设备接触电压的计算方法及验证

通过CDEGS接地计算软件来计算接地体的相关参数。在SESCAD窗口搭建接地体仿真模型，地表水平观测线间隔距离为1 m，经过入地电流点且覆盖地下接地装置所对应的地表范围。

工频跨步电压、接触电压使用MALZ模块进行计算。在搭建的仿真模型基础上，定义激励电流源的幅值，计算频率取50 Hz。雷电流入地下接地装置的跨步电压、接触电压用到FFTES模块进行正方向变换，HIFREQ模块进行频域响应的计算，从而得到雷击时域下两个接地装置模型的跨步电压与接触电压分布。

文献[13]用测试效率及安全性较高的8000S地网参数测量系统，对某一输电线路杆塔直线放射形接装置下的地面跨步电压和设备接触电压进行了试验测量。该系统采用小电流异频法进行测试，测量注入电流为10 A，试验频率为48 Hz，测量电极采用自制的模拟人脚的42码铁板鞋底，模拟人体电阻设置为1 500 Ω，该杆塔附近区域的土壤电阻率实测值为420 Ω·m。测得杆塔附近自杆塔入地电流点起(右塔脚)，沿线路走向的不同测量点处跨步电压与接触电压。

采用CDEGS计算软件，按本文采用的仿真方法，对该试验中的杆塔接地装置进行建模仿真，得到对应实测线上的跨步电压和接触电压。试验和仿真结果对比数据如图2所示。

图2 试验测量值与仿真计算值对比曲线

上述对比结果显示，仿真数据与试验测量数据结果基本吻合，从而验证本文对接地装置地面跨步电压和设备接触电压的仿真计算方法是可靠的。

2.2.2 两种接地型式下安全参数实际值的计算

220 kV城市输电钢管塔接地装置的两种型式分别按图1所示2种形式计算，土壤和接地装置参数均按1.1节所述，按上节的计算方法，得到两种典型接地型式在工频电流激励下跨步电压的二维色块分布图分别如图3所示。

图3所示工频跨步电压分布图表明：1)直线放射形接地装置的跨步电压较大值主要集中在靠近水平射线末端的区域，且跨步电压最大值出现在最末端处。2)闭合形接地装置的跨步电压较大值集中在靠近长边的末端区域，最大值落在长边与宽边的交点位置。

图3 接地装置对应地表工频跨步电压分布图

两种典型接地型式在工频电流、雷电流激励下跨步电压和设备接触电压的最大值如表3所示。(工频和雷电流激励下，接地体的接触电压选择塔身距地面1.8 m，地面距离钢管塔入地电流点0.8 m的两点之间的电位差进行计算)

表3 接触电压和跨步电压最大值

对比表2—3各参数值可知：

1)设备接触电压超标。闭合形接地装置的雷击下接触电压符合安全要求，但直线放射形接地装置在雷电流入地时接触电压超标。两种型式的接地装置在工频短路故障下的接触电压均超标;

2)工频跨步电压超标。对于两种型式下的接地装置，雷电流入地时的跨步电压均符合安全目标值，但工频短路故障时的跨步电压均超标。

2.3 钢管塔接地安全关键参数的确定

针对接触电压普遍超标的问题，根据事故发生时的分布参数电路可知，若提高人手与钢管塔塔身之间的接触电阻，则相当于提高了土壤电阻率ρ的大小，从而提高工频接触电压的目标值。目前城市输电钢管塔的塔身尤其是靠近地面附近的区域均涂敷有防锈绝缘漆，该措施能有效解决城市输电钢管塔接触电压超标的问题。

工频跨步电压超标是城市钢管塔接地安全的主要问题。目前均衡跨步电压的措施主要是在地面敷设沥青砾石、铺设均压带等。由于输电钢管塔大多处于花坛及马路边，地表多为植被，其表层土壤电阻率难以提高。因此，本文从钢管塔接地装置型式设计入手，通过向接地装置中加入螺旋状接地模块以改善接地装置的散流特性，从而达到均衡接地装置对应地表工频跨步电压的目的。

3 螺旋状接地模块的提出及效果对比

3.1 螺旋状接地模块

螺旋状接地模块采用直径为14 mm的圆钢沿半径为r的圆柱壁环绕而成螺旋状结构，如图4所示。图4中d为该螺旋结构的匝间距离，r为螺旋绕径，h为螺旋的垂直长度。采用螺旋状接地模块替代垂直接地体，以进一步加强散流。

图4 螺旋状接地模块结构示意图

相比于普通的垂直接地体，螺旋状接地模块具有以下优势：1)由于实际施工条件有限，垂直接地体的长度往往受到很大限制，而螺旋状接地模块在垂直长度h一定的情况下，大大增加了接地体的散流长度，从而增强了电流向下引流及向土壤四周流散的效果。2)根据接地体散流等效表面积原理[25]，由于螺旋状接地模块以r为半径绕制而成，其散流效果类似于半径为r的实心圆钢接地体，因而大大减少了材料耗费，具有更高的性价比。

根据上述分析，螺旋状接地模块的向下引流以及散流效果能有效降低流经水平接地体电流的大小，从而在进一步降低接地装置工频接地电阻的同时均衡接地装置地表的跨步电压。

3.2 螺旋状接地模块改善工频跨步电压分布的仿真计算及效果对比

为探讨螺旋状接地模块对于杆塔接地装置跨步压的均衡效果，以输电杆塔接地装置中的直线放射形接地型式为例，分别将典型垂直接地体、薄管状垂直接地模块以及螺旋状接地模块3种型式接地体加装于水平接地体中散流效果最显著的水平接地体末端处。通过仿真得到上述各模型散流效果，对比分析螺旋状接地模块的结构优越性。

3.2.1 不同接地体模块的建模方法

螺旋状接地模块在接地计算软件中的模拟通过插入选项中的“弧/圆/螺线/螺旋”实现。其中螺旋顶部坐标为0.8 m(水平接地体的埋深为0.8 m)，底部坐标为2.8 m，即螺旋状接地模块垂直长度为2 m；螺旋半径为0.3 m，圈数为6圈，每圈的导体段数为15段，导体材料为φ12 mm的圆钢导体。

薄管状垂直接地模块的等效模拟则通过插入空心导体的方式实现。其长度为2 m，空心半径为0.3 m，与螺旋状接地模块的绕径一致；薄管厚度为6 mm，材料与螺旋状接地模块一致，均为圆钢材料。

在CDEGS的SESCAD界面搭建如图5所示3种不同末端接地形式的接地模型，图中单根水平射线的长度均为10 m，垂直接地体单根长度2 m，间隔5 m，土壤电阻率均取300 Ω·m，接地体激励源幅值均为100 A。

图5 螺旋状接地模块的替换模型

3.2.2 仿真结果分析与对比

利用CDEGS软件仿真计算后得到上述3种模型下各导体段的泄漏电流大小如图6所示。

图6 末端各导体段泄漏电流分布图

由图6各导体段泄漏电流分布图可知：1)将水平接地末端的垂直接地体替换为螺旋状接地模块后，流经水平接地体向大地泄散的电流大小明显降低，电流大多由经螺旋接地模块向下及周围土壤泄散。2)末端垂直接地体的总泄漏电流大小为8.9 A；末端螺旋状接地模块的总散流大小为18.6 A，薄管状垂直接地模块总散流大小为21 A。

进一步查看各模型的工频跨步电压可知，图6(a)所示末端垂直接地体模型的接地电阻为17.92 Ω，最大跨步电压为224.459 V；替换为螺旋状接地模块后(图6(b)图所示模型)的接地电阻为14.71 Ω，最大跨步电压为177.976 V；替换为薄管状垂直接地模块后(图6(c)所示模型)的接地电阻为14.58 Ω，最大跨步电压为173.461 V。

分析上述仿真计算结果可知：1)在水平接地体末端区域加装螺旋状的接地模块，可有效降低接地装置的接地电阻。2)加装螺旋状接地模块后的接地装置，其对应地表的工频跨步电压整体上数值降低，且最大工频跨步电压也明显下降。3)相较于同等半径下的薄管状垂直接地模块，螺旋状接地模块在具有几乎同等散流效果、均衡工频跨步电压效力的同时，更能达到节省接地材料以提高经济性的目的。

4 采用螺旋状接地模块的城市输电钢管塔接地装置安全优化设计

4.1 螺旋状接地模块降阻特性及结构参数优化

螺旋接地模块通过加强向下引流及向大地散流的效果，从而达到降低接地装置工频跨步电压和接地电阻的作用。而加强散流的效果可由接地电阻的大小体现，即散流效果越强，对应的接地电阻越小，反之亦然。因而，本文将通过仿真计算，分析螺旋状接地模块的接地电阻(接地性能)随其结构参数的变化规律，并根据其规律确定螺旋状接地模块的最优参数，即对其匝间距离d、绕径r以及垂直长度h等参数进行优化选择，使该模块达到最优化的均衡工频跨步电压作用。

4.1.1 螺旋状接地模块匝间距离的影响

由于匝间电流的相互屏蔽作用，因此不同的匝间距离会影响该接地模块整体的散流特性。

搭建如图4所示的单根螺旋状接地模块。埋深为0.8 m，于模块上端加入幅值为100 A的工频激励电流，土壤电阻率取300 Ω·m。将螺旋绕径r取0.3 m的典型值，在垂直长度h不变的情况下逐渐增加单位垂直长度的螺旋匝数n(单位长度为m)，即螺旋结构由疏及密，得到工频接地电阻R的变化规律曲线如图7所示。

图7曲线图表明在不同的垂直长度下，接地电阻随单位垂直长度内匝数变化的曲线具有相同规律。

图7 单位垂直长度的螺旋匝数—接地电阻变化曲线

1)当垂直长度h一定，螺旋状接地模块单位垂直长度内的匝数越多，接地电阻值越小。

2)当螺旋单位垂直长度内的匝数增加至4～5圈后，接地电阻的变化曲线趋于平缓。

4.1.2 螺旋状接地模块垂直长度的影响

同理取典型绕径r为0.3 m，匝间距离d为0.25 m，仿真得到接地电阻R随螺旋状接地模块垂直长度h的变化曲线如图8所示。

由图8可知：当螺旋状接地模块的垂直长度越长，接地电阻值越小；当垂直长度增加到30 m左右时，其接地电阻的变化曲线趋于平缓。

图8 垂直长度—接地电阻变化曲线

4.1.3 螺旋状接地模块绕径大小的影响

取匝间距离d=0.25 m，螺旋垂直长度h=3 m，考虑到实际安装的难度，仿真中螺旋绕径r的最大长度取至0.6 m。得到接地电阻R随绕径r变化的曲线如图9所示。

图9 螺旋绕径—接地电阻变化曲线

该曲线表明当绕径在0.1～0.6 m内变化时，其接地电阻大小几乎呈线性下降，即在r<0.6 m范围内的散流降阻效果显著。

综合上述螺旋状接地模块接地性能随各结构参数的变化规律，结合实际施工现场的要求、运输安装的难度以及对经济性的考虑，本文确定散流均压最优的螺旋状接地模块应为绕径0.3 m、匝间距离0.25 m、垂直长度3 m的螺旋结构，并将该螺旋结构应用于下述接地装置的安全设计中。

4.2 钢管塔接地装置的安全设计方案

结合相关接地设计规程并考虑实际情况，220 kV城市输电线路钢管塔接地装置安全设计需要满足的指标为：1)接地电阻小于10 Ω；2)接地装置对应的地表工频跨步电压安全值满足式(6)的要求。

基于接地装置的设计原则和螺旋状接地模块的散流特性，即在确保接地电阻达标的基础上，通过螺旋状接地模块的添加方法，使工频跨步电压达标。为取得最优化效果，结合接地规程的相关规定，对城市输电钢管塔接地装置的安全优化设计流程如图10所示。

图10 接地装置安全设计流程图

4.3 220 kV城市输电钢管塔的安全接地设计实例

现有220 kV城市输电钢管塔的两种接地型式如图1所示。以表2给出的安全工频跨步电压值为目标，根据4.2节中的优化设计流程图的步骤对现有的两种接地型式进行优化设计。

4.3.1 直线放射形接地装置的优化

由图1可知，直线放射形接地装置的单根水平射线长度为25 m，垂直接地体单根长度2 m，间隔5 m，共11根。

根据优化流程图步骤，优化后直线放射形接地装置(入地电流点以左的部分)如图11所示。即在水平接地体两末端各加装3根垂直长度为30 m、每根匝数为12圈、绕径为0.3 m的螺旋状接地模块，间隔为6 m，所需垂直接地体仅4根，间距为5 m。

图11 优化后的直线放射形接地装置

优化后的接地装置的工频跨步电压二维色块分布图如图12所示。

图12 优化后的直线放射形工频跨步电压分布图

优化后直线放射形接地装置的接地电阻为6.67 Ω，符合设计原则。最大工频跨步电压降至1 985.084 V，满足安全目标值。

4.3.2 闭合形接地装置的优化

同理对城市输电钢管塔的闭合形接地装置进行优化设计，优化后的闭合形装置如图13所示。

图13 优化后的闭合形接地装置

根据优化流程图在两长边的末端区域分别加装1组螺旋状接地模块，共4根。垂直接地体10根，间隔5 m。优化后闭合形接地装置的接地电阻为7.3 Ω，符合设计原则。最大工频跨步电压降至2 026.899 V，满足安全目标值。工频跨步电压二维色块图如图14所示。

图14 优化后的闭合形工频跨步电压分布图

5 结语

本文给出了城市输电钢管塔接地装置安全参数目标值和实际值的计算方法，对两种典型接地型式的城市输电钢管塔接地装置的各安全参数指标的目标值与实际值进行了计算，指出工频跨步电压超标是目前城市输电钢管塔接地安全存在的关键问题。

通过螺旋状接地模块与垂直接地体、薄管状接地模块结构的对比分析可知，采用在接地装置末端加装螺旋状接地模块替代普通垂直接地体的措施，大大节省了接地材料且有效降低了接地装置的接地电阻及工频跨步电压。

最后仿真分析了螺旋状接地模块接地性能随各结构参数的变化规律，给出了螺旋的最优结构。以接地电阻和安全指标为目标，提出了采用螺旋状接地模块的城市输电钢管塔接地设计方案，为城市输电钢管塔的安全接地设计提供了方法参考。