基于邻近斜坡土钉墙结构的电力杆塔接地降阻方式研究

李 阳，刘书辉，刘子平，亓孝武，平宗飞

（1.国网山东省电力公司济宁供电公司，山东 济宁 272000；2.国网天津市电力公司东丽供电公司，天津 东丽 300300；3.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255000）

0 引言

输电线路杆塔接地网是影响线路耐雷水平的基础防雷设施［1］，实际输电线路的长度多达数十甚至数百公里，输电线路走廊途径山区、丘陵等多种复杂地形，高土壤电阻率条件下的杆塔接地电阻难以达标，因此降低杆塔接地网的接地电阻是防止输电线路雷击闪络故障的基本措施。实际工程中，输电线路杆塔往往架设在公路、斜坡、河堤等公共建筑周边，受地形地貌以及公共交通道路等施工条件的限制，道路沿线的杆塔接地网设计与施工仍面临如下问题：地形连绵起伏、地势错综复杂，杆塔接地网施工土壤条件较差，土壤电阻率较高；道路沿线的杆塔施工区域有限，不利于大型接地网的敷设。杆塔接地网长时间运行后局部接地体出现腐蚀、人为损坏等问题，且道路沿线的输电线路杆塔接地网不便于频繁更换与维护。因此，道路沿线、河堤斜坡等外延施工面积受限条件下的杆塔接地降阻仍缺乏有效的施工方案［2］。

近年来，国内外学者针对山区杆塔接地电阻较高的问题做了大量研究。为提高线路耐雷水平，降低杆塔接地网的接地电阻，文献［3］提出在杆塔接地网的基础上进行外延的方式进行接地降阻，并认为外延引线本身对散流也有不同的影响作用。考虑到杆塔接地网外延接地网面积、方向、连接线数量对于降阻效果的影响，文献［4］提出通过增加辅助地网长度、面积和连接线数量进行输电线路杆塔接地降阻的方法。而针对高土壤电阻率的情况，认为可通过增大接地网面积、外延接地或深井接地等方法进行降阻。苗浩铭等人［5］采用仿真计算验证了连续冲击作用下不同土壤地区接地装置的散流特性，并提出接地材料选型建议。周力行等采用EMTP-ATP仿真计算软件计算双层土壤中杆塔接地装置冲击特性，雷击的瞬间会使接地体末端迅速升温并使土壤电离［6］，火花放电效应能降低杆塔接地网的冲击接地阻抗。高晓晶等计算了杆塔混凝土桩基接地散流特征，并提出有限施工面积条件下降低桩基自然接地电阻的方法［7］。此外，文献［8］提及道路、河堤等地形条件下的护坡土钉墙采用钢筋骨架，能够起到固定斜坡土壤层，防止滑坡坍塌施工的作用。考虑到道路、河堤等地形条件下的邻近输电线路杆塔接地降阻需要长距离外延，道路、河堤等地形条件下的护坡土钉墙钢构架可以为邻近杆塔接地散流提供散流通道，将杆塔接地网外延至斜坡土钉墙钢构架，实现杆塔接地网面积有效增加进而降低杆塔接地电阻，该方法可以减少杆塔接地施工成本，并避免因大型工器具运输施工造成的斜坡损坏，具有较高的工程实用价值［9-11］。

针对道路、河堤等有限施工面积条件下的邻近杆塔接地降阻问题，建立陡坡地形下杆塔接地网与土钉墙的仿真模型，分析杆塔接地网的位置，连接线的数量、材料参数等对接地降阻效率的影响规律，验证采用道路土钉墙进行杆塔接地降阻的可行性，相关研究结论可为道路、河堤等护坡土地墙邻近处的电力线路设计与运维提供可行参照。

1 接地电阻计算模型与参数

1.1 接地电阻计算理论与公式

杆塔接地电阻是衡量输电线路耐雷水平的重要参数，杆塔接地电阻的精确计算一般可采用理论计算或CDEGS、COMSOL、ANSYS 等“场、路”仿真软件进行数值计算。常见的方框型杆塔接地网可采用公式法进行近似计算，其计算精确主要与接地网在水平及垂直维度上的散流长度有关，不同形状杆塔接地网的工频接地电阻R一般可采用形状修正系数α进行计算［12］，工频接地电阻R的理论值可表征为

式中：R1为等值（等面积、等长）方框型接地网的接地电阻，Ω；ρ为土壤电阻率，Ω·m；A为接地网面积，m2；L1为接地网周长，m；L为接地导体总长，m；h为接地导体埋深，m；d为接地导体直径，m。

由式（1）可知：若降低杆塔接地网的接地电阻，可通过增大接地网面积、尺寸等措施，杆塔接地网连接辅助接地网后，通过连接线，雷电流的流经变长，散流面积变大，因此从理论上讲，辅助接地网可以使得杆塔接地网的接地电阻降低，但接地电阻的计算并非线性计算，连接辅助接地网后形成的新接地系统在形状、面积、尺寸上均发生变化，因此，外延接地网的接地电阻Rio可采用式（2）［13］计算。

式中：R0为杆塔接地网的接地电阻，Ω；R1为外引接地网的接地电阻，Ω；ηio为杆塔接地网与外引接地网之间的利用系数。

由式（2）可知：杆塔接地网与辅助接地网连接后的新的接地系统的接地电阻计算公式形如欧姆定律的并联计算公式。辅助接地网接地电阻与杆塔接地网的接地电阻同为计算公式中的分母，其结果在理论计算中小于仅由杆塔接地网接地电阻作为分母的计算结果。因此从理论上讲辅助接地网可以起到降阻的效果。但由于杆塔接地网与外引接地网之间的利用系数ηio的存在，可以通过增加杆塔接地网与外延接地网间的连接线根数等措施使利用系数尽量大。综合来看，杆塔接地网连接辅助接地网后的接地系统接地电阻取决于杆塔接地网、辅助接地网以及两网之间的连接处理。

1.2 土钉墙与杆塔接地网模型与参数

在途经陡坡等地势的道路沿线地区，输电线路杆塔接地网的接地电阻较大，外延降阻作为近年来简单、高效的方法广为使用。但在难以施工的陡坡地势下，敷设辅助接地网的工程量较大且对于道路的安全通行有一定隐患，因此可以利用道路沿线常见的土钉墙支护结构内部的钢筋网作为辅助接地网，对杆塔接地网进行降阻处理。陡坡条件下杆塔与土钉墙的示意图如图1 所示。

图1 陡坡条件杆塔与土钉墙示意图Fig.1 Schematic diagram of pole tower and soil nailing wall under steep slope condition

常见的山体陡坡海拔起伏较大，且地势连绵，一般由表面3～5 m 深的黏土及坡内岩石组成，黏土一般呈现低土壤电阻率，而岩石、道路沥青及砂石土质结构多呈现高土壤电阻率。据此，结合实际工程，建立陡坡地形下的杆塔接地网与土钉墙模型如图2 所示，仿真模型参数如表1 所示。

表1 仿真模型参数表Table 1 Parameter table of simulation models

图2 杆塔接地网与土钉墙模型图Fig.2 Model of tower grounding grid and soil nailing wall

在仿真计算中，各类钢材的相对电阻率近似为109.7，相对磁导率为636［14］。接地网均水平敷设于地下0.8 m。设置激励为边角注流，电流为1 kA，频率为10 kHz。根据公共道路工程施工要求，土钉墙内网的土钉与水平面呈10°倾角施工镶嵌于土墙以内。通过外延接地导线连接，护坡土钉墙钢构架可以为邻近杆塔接地散流提供散流通道，将杆塔接地网外延至斜坡土钉墙钢构架，从而增加输电线路杆塔接地网的有效散流面积［15-16］。

2 土钉墙对杆塔接地网接地特性影响

为分析陡坡地形下土钉墙对杆塔接地网接地电阻的影响，对杆塔接地网与土钉墙分别单独注流激励。在不同土壤电阻率条件下，杆塔接地网、土钉墙的接地电阻计算结果如表2 所示。

表2 接地电阻数值表Table 2 Parameter table of grounding resistance

由表2 可知，杆塔接地网与土钉墙的接地电阻均随土壤电阻率的增大而增大。杆塔接地网在土壤电阻率大于300 Ω·m 的条件下接地电阻为13.49 Ω，超过安全标准限值10 Ω。而土钉墙即使在较大土壤电阻率900 Ω·m 时，接地电阻不超过6 Ω，满足安全标准要求。结合式（2）可知，土钉墙在理论上可以为杆塔接地网作辅助散流的外延接地网。

为研究土钉墙对于杆塔接地网接地电阻的影响，采用镀锌钢材质的一根连接线，将土钉墙与杆塔接地网连接，对比连接前后的接地系统接地电阻的变化如图3 所示。

图3 杆塔接地网接地电阻Fig.3 Ground resistance of tower grounding grid

由图3 可知，连接土钉墙后的杆塔接地网接地电阻明显下降，均满足杆塔接地要求，且土壤电阻率越高，降阻效果越明显。降阻效率在土壤电阻率为100 Ω·m 时达到25.3%，土壤电阻率为900 Ω·m 时，降阻效率达到72.5%。可见，土钉墙对高土壤电阻率地区降阻效果良好。

跨步电压为衡量接地安全的标准之一，是指发生接地故障时，在接地电流入地点周围的人两脚之间的电压。一般跨步电压的幅值低于40 kV 时，几乎难以造成伤害，但当幅值大于40 kV，则会造成损伤甚至永久性影响。为分析连接土钉墙后杆塔接地网附近跨步电压的变化，设置在1 000 Ω·m 土壤电阻率的仿真条件，激励雷电流的幅值为10 kA，从杆塔接地网的引一根连接线连接土钉墙中央，其中杆塔接地网与土钉墙均为角钢材料。观察连接前后土钉墙是否对杆塔接地网周围跨步电压的变化造成影响，图4 为连接土钉墙前后杆塔接地网的跨步电压数值。

图4 杆塔接地网跨步电压分布Fig.4 Step voltage distribution of tower grounding grid

由图4 可知，杆塔接地网跨步电压在其四角与边框处较大，未连接土钉墙以前跨步电压最大可达14 kV，在雨雪雷暴天气下，有一定的安全隐患；连接土钉墙后的杆塔接地网跨步电压明显减少，最高不超过6 kV，小于国家安全标准限值，验证了土钉墙作为辅助接地网在安全方面的可行性。

3 不同因素对土钉墙辅助降阻效果的影响

为更明显表征和分析土钉墙条件下，各因素对杆塔接地网散流特性的影响，定义流入连接线的电流I外流与总激励电流I总的比值为分流系数η［17］，如式（3）所示，用以表征其散流能力，反映土钉墙对主接地网的散流与降阻效果。

3.1 连接线数量的影响分析

土钉墙作为外延接地网，其与杆塔接地网之间的连接线的数量，会影响接地网接地电阻的大小。为探究土钉墙与杆塔接地网间连接线数量对接地电阻的影响，设置连接线的数量分别为1～5根，建立输电线路杆塔外延接地降阻模型如图5所示。

图5 不同根数连接线的接地网模型Fig.5 Grounding grid model with different number of connection lines

根据图5 的所示的不同仿真计算模型，在土壤电阻率分别为100 Ω·m、300 Ω·m、500 Ω·m、700 Ω·m、900 Ω·m 的条件下进行仿真计算，得到不同数量连接线条件下的杆塔接地网的接地电阻数据结果如图6 所示，并以土壤电阻率为100 Ω·m 的条件为例，观察连接线数量对分流系数的影响如表3 所示。

表3 分流系数与连接线数量的关系Table 3 The relationship between the number of connecting conductors and current divider coefficient

图6 接地电阻与土壤电阻率、连接线数量关系Fig.6 The relationship between grounding resistance and soil resistance and number of connecting conductor

综合图6 和表3 的仿真计算结果可知：增加杆塔接地网与土钉墙内网的连接线，可增强土钉墙内网对杆塔接地网的降阻效果，可达25%～55%。但随着土壤电阻率的升高，降阻效果与连接线数量的正相关关系逐渐衰弱，数量为4 根时达到饱和状态，分流系数达到54.32%，继续增加外引线数量反而不能使接地电阻降低。这是由于屏蔽效应的影响，单位面积内接地导体越多，其屏蔽效应越强，因此所能利用的有效散流面积就越小［18］。在工程中若利用土钉墙内网或其他辅助接地网进行降阻处理，可利用1～2 根接地导体将土钉墙与杆塔接地网进行连接。

3.2 连接位置的影响分析

土钉墙作为杆塔接地网的外延接地网，其所受激励由连接线传导，连接线末端即为土钉墙激励点。探究不同激励点对接地电阻的影响，利用3 根连接线，分别采用3 根分散连接土钉墙内网边框、3 根集中连接土钉墙内网边框、3 根集中连接土钉墙内网中心的不同连接位置，建立如图7 所示的模型。

图7 不同连接位置的接地网模型Fig.7 Grounding grid models with different connection positions

对图7 的3 种模型，在100 Ω·m、300 Ω·m、500 Ω·m、700 Ω·m、900 Ω·m 的土壤电阻率条件下，进行仿真计算。通过仿真计算，不同连接位置下的杆塔接地网的接地电阻结果如图8 所示，并以土壤电阻率为100 Ω·m 的条件为例，观察连接位置对分流系数的影响如表4 所示。

表4 分流系数与连接位置的关系Table 4 The relationship between the connecting position and current divider coefficient

图8 接地电阻与连接位置关系Fig.8 The relationship between grounding resistance and connecting position

综合图8 和表4 的仿真计算结果可知：对比连接线分散连接土钉墙与连接线集中于一点连接土钉墙，在任意土壤电阻率条件下，分散连接的接地电阻均小于同等条件下两种集中连接方式后的杆塔接地网接地电阻。分散连接后，土钉墙分流系数可以达到53.13%，在土壤电阻率为500 Ω·m 时，接地电阻为4.903 42 Ω，小于同等土壤电阻率条件下两种集中连接处理后的5.179 00 Ω、5.317 66 Ω。因此在实际工程中，利用多根连接线连接杆塔接地网与土钉墙时，应分散每根连接线的连接点，并使得每根连接线之间保持一定的间距，减少导体屏蔽效应，提高接地导体的散流，使得杆塔接地电阻降低。

3.3 连接线材质的影响分析

镀锌钢因其耐腐蚀性较差，在道路沿线的陡坡等地势下，难以保证长时间的运行而不损坏［19-21］。作为金属活跃性较差的铜和非金属材料石墨复合材料，耐腐蚀性强，力学结构优良，且具有良好的散流效果，同时可避免迅速温升，成为现如今接地导体的可选材料。在接地计算仿真软件中镀锌钢、石墨复合材料、铜的相对电阻率与相对磁导率如表5［22］所示。

表5 各材料的相对电阻率、磁导率Table 5 Relative resistivity and permeability of each materials

为探究相同条件下不同材质连接线对杆塔接地电阻的影响，分别选用以上3 种材料作为连接线材质，将土钉墙与杆塔接地网用3 根连接线分散连接的连接方式，在100 Ω·m、300 Ω·m、500 Ω·m、700 Ω·m、900 Ω·m 的土壤电阻率条件下，进行仿真计算。通过仿真计算，不同连接线材料下的杆塔接地网的接地电阻结果如图9 所示，并以土壤电阻率为100 Ω·m 的条件为例，观察连接线材质对分流系数的影响如表6 所示。

表6 分流系数与连接线材质的关系Table 6 The relationship between the material of connecting conductor and current divider coefficient

图9 接地电阻与连接线材质关系Fig.9 The relationship between grounding resistance and material of connecting conductor

结合图9 和表6 的仿真计算结果可知：相同条件下，利用铜材质与石墨复合材料的连接线比利用镀锌钢材质的连接线更有利于杆塔接地网的散流降阻，其中铜材质的连接线比石墨复合材料连接线的杆塔接地网接地电阻更低。但分流系数的仿真结果显示石墨复合材料的接地导体分流系数可以达到62.01%，而铜为57.44%，均高于镀锌钢材质的53.13%。分析其原因：铜与石墨复合材料的相对磁导率较低，屏蔽效应的影响较小，流入接地导体的电流幅值更大，因而分流系数高。而石墨复合材料的接地导体分流系数大于铜材质的分流系数，但杆塔接地电阻反而更大，是因为石墨复合材料作为一种非金属导电材料，其导电性弱于铜材料，雷电流在石墨复合材料的连接线处的散流弱于铜材质，同时土钉墙的散流效果达到饱和，导致采用石墨复合材料连接线的杆塔接地网接地电阻略大于铜材质。从施工及材料成本的角度看，宜选择石墨复合材料作为连接线材质。

3.4 杆塔接地网位置的影响分析

在部分陡坡因施工难度、距离等原因，杆塔接地网会埋设于陡坡的斜坡处。斜坡处的接地网因位置、倾斜角度、距离等与坡顶处的接地网有所不同，因此为探究杆塔位置对接地电阻的影响，设置坡顶与斜坡两位置的接地网如图10 所示。

图10 不同位置的杆塔接地网模型Fig.10 Models of tower grounding grid with different positions

在100 Ω·m、300 Ω·m、500 Ω·m、700 Ω·m、900 Ω·m 的土壤电阻率条件下，对图10 所示的坡顶、斜坡两位置的杆塔接地网分别进行仿真计算。通过仿真计算，不同位置条件下的杆塔接地网的接地电阻结果如图11 所示。

图11 接地电阻与接地网位置关系Fig.11 The relationship between grounding resistance and position of grounding grid

在相同的条件下，位于斜坡上的杆塔接地网比坡顶的杆塔接地网接地电阻更低。经过计算可得，位置在坡顶时，杆塔接地网连接线的分流系数为53.13%，位于斜坡时则达到63.32%，远高于坡顶位置。分析其原因：斜坡的杆塔接地网距离土钉墙更近，雷电流较为均衡地分散到面积更广的土钉墙的钢筋网；而坡顶的杆塔接地网的连接线较长，部分电流在连接线的传导过程中散流使得雷电流向土钉墙的散流有限，使得分流系数相对小一些。

以上仿真计算结果表明：在实际的杆塔接地设计与施工工程中，在施工条件允许的条件下，可将接地网设于距离土钉墙相对近的斜坡土层内，以降低杆塔接地网的接地电阻，连接线的数量一般1～3 根为宜。同时，考虑到邻近道路的输电线路杆塔的特殊位置，应注意若采用在靠近行人或者道路位置处的土钉墙进行接地散流时，土钉墙内的钢筋不宜大面积裸露在地表，应做掩埋覆盖处理，防止雷电流入地散流时因高电位引出造成跨步电压或者接触电压的潜在危险。

4 结论

仿真计算陡坡条件下土钉墙对杆塔接地网接地电阻、跨步电压的影响，对比了土钉墙与杆塔接地网的连接线数量、连接位置、连接材质以及杆塔接地网的位置4 种因素对杆塔接地网接地电阻的影响。得到结论如下：

1）在陡坡条件下，土钉墙对杆塔接地网具有明显的降阻效果，且随土壤电阻率的升高，降阻比越高。在土壤电阻率100 Ω·m 时，降阻比达19.3%；在土壤电阻率900 Ω·m 时，降阻可达73.4%。同时，跨步电压的仿真分布验证了土钉墙在安全方面的合理性。

2）对比分析各因素对杆塔接地网接地电阻的影响，可以得知：土钉墙与杆塔接地网的连接线数量越多，降阻效果越高，但在连接线达到3～4 根时分流系数饱和，在工程中一般利用1～3 根即可；连接线采用分散连接方框的连接方式降阻效果更加明显，分流系数更高（53.13%）；相比于杆塔接地网设于陡坡坡顶，设于斜坡处的接地网具有更低的接地电阻。