输电线路杆塔冲击接地电阻特性的模拟试验研究分析

输电线路杆塔冲击接地电阻特性的模拟试验研究分析文摘全面系统地分析输电线路杆塔接地装置的冲击接地电阻特性对于提高电力系统安全运行可靠性起着十分重要的作用。根据相似理论采用模拟试验系统地模拟了各种因素对输电线路杆塔接地装置冲击特性的影响。试验结果表明，冲击接地电阻随冲击电流幅值的增加而减小，随几何尺寸的增加而减小，随土壤电阻率的增加而增加。各种因素的影响规律均与火花区的形成与发展有关，具有非线性特征。本次试验研究的土壤电阻率从100Ωm到5103Ωm，变化范围大，在国内外文献中没有报导。试验采用的接地装置包括了各种高压输电线路工程中常用的结构，使研究更具有实际应用价值。关键词输电线路；接地装置；模拟理论；冲击接地电阻；模拟试验分类号TM862随着电力系统的发展，雷击输电线路引起的事故也日益增多，如何提高输电线路的耐雷水平已受到广泛重视。统计结果表明，改善接地是很有效的线路防雷措施［1］。线路杆塔接地装置的冲击接地电阻取值会影响到线路的防雷效果的计算。而《接地规程SDJ8-79》［2］中推荐的冲击系数多数是用简单形状的半球形、水平及垂直接地体在小电流下的试验值，然后运用外插等方法得到。因此，全面系统地研究输电线路杆塔接地装置，特别是高电阻率地区杆塔接地装置的冲击接地电阻及冲击系数是迫切需要解决的课题。华北500kV紧凑型线路以及将要建设的三峡输电线路都将经过土壤电阻率高的山区，这使得本课题更具有重要的现实意义。接地装置冲击特性试验可用真型或模拟试验。二者相比，模拟试验具有比较容易改变各种相关参数的优点。国内外的研究表明，如果严格按照模拟试验的相似理论来进行，其结果是比较准确的。本文采用模拟试验方法对输电线路杆塔接地装置的冲击特性进行了系统的研究。1模拟试验原理及试品介绍接地装置的冲击特性不仅与其结构尺寸、土壤电阻率、接地装置的埋深及雷电流参数等因素有关，而且频率很高的雷电流在地中流散时，电荷在空间的分布随时间的变化而变化，具有时变场的特征。到目前为止，国内外学者发表了很多关于接地体冲击特性的研究论文［3～10］，但都是在一些假设条件下，对结构比较简单的水平接地体和垂直接地体建立简化数学模型，对接地体的冲击特性进行近似的分析。文［11］提出了冲击接地模拟试验的原理，其关键是土壤中的冲击物理过程的模拟。文［12］详细推导了冲击接地的模拟比例尺。主要的模拟比例尺为ρ1=ρ2，E01=E02，l1=nl2，t1=nt2，Im1=n2Im2，τ1=nτ2，RI1=RI2/n，α1=α2.式中，各物理量的下标1表示真型接地装置，2表示模拟接地装置，ρ为土壤电阻率，E0为土壤临界击穿场强，l为长度，t为时间，Im为冲击电流幅值，τ为冲击电流波头时间，RI为冲击接地电阻，α为冲击系数。长度模拟比例尺n与时间比例尺相同。模拟试验在重庆大学高压实验室的半球形砂池中进行。为了满足模拟试验的要求，需要减小冲击电流的波头时间，即减小冲击电流发生器的电感。因此，将电容器的连接导线改为平板，增加连接导线的尺寸，并缩短其长度。测量得到冲击电流的波头时间为0.04～0.06μs，平均值为0.05μs.取实际冲击电流波形为2.6/50μs，则模拟比例尺n=52.试验中用细砂来模拟土壤。用埋在砂中的电加热器加热细砂来提高土壤电阻率，加水或盐水来降低土壤电阻率，试验时砂池中土壤电阻率在100～5103Ωm范围改变。砂池的外部是直径为5m的半球形铁壳，用来作为集电极模拟无穷远处大地。冲击电流发生器的最大冲击电流为65kA。在试验过程中根据需要改变接地装置的几何尺寸及埋深，冲击电流的幅值和波头时间，以及土壤电阻率等参数。对6种接地装置进行了试验，包括表1中a,b,c实际高压输电线路杆塔常用的3种接地装置，d，e,f为3种简单的水平或垂直接地体。一般接地导体的直径为10～20mm，根据模拟比例尺，模拟试验时接地导体的直径取0.4mm.表1试验中采用的杆塔接地装置结构图接地装置名称接地装置形状实际接地体尺寸说明/ma)铁塔接地装置a:4s:8～10l:0～50b)水泥杆环型接地装置d:2.5l:0～26l≠0时，l2=0l=0时，l2=7c)水泥杆放射型接地装置a:1.5d:10l:5～53d)从一端施加冲击电流的水平接地体l:5～100e)从中间施加冲击电流的水平接地体l:5～60f)垂直接地体l:5～602影响冲击接地电阻的主要因素2.1冲击电流幅值对冲击接地电阻的影响图1为试验中得到的冲击接地电阻与冲击电流幅值的关系曲线，其中曲线a～f分别表示表1中相应的接地装置。当接地装置的几何尺寸及土壤电阻率一定时，其冲击接地电阻随冲击电流幅值的增加而减小，但当冲击电流幅值达到一定值以后，冲击接地电阻减小的趋势变缓，趋于饱和。在冲击电流作用下接地体周围具有瞬变电场，当电场强度达到土壤的临界击穿场强E0时，土壤击穿而产生火花放电，这相当于加大了构成接地装置的金属导体直径，因而冲击接地电阻随冲击电流的增加而减小。试验表明，土壤电阻率不同，同一接地装置的冲击接地电阻随电流增加而减小所呈现的饱和趋势也不相同。土壤电阻率越低，出现饱和趋势的冲击电流幅值越小。ρ=3.127kΩm,其中a,b,c,e和f的l=26m；d的l=60m图1各种接地装置的冲击接地电阻与冲击电流幅值的关系曲线2.2接地装置的几何尺寸对冲击接地电阻的影响图2所示为各种接地装置在冲击电流幅值和土壤电阻率一定时，其冲击接地电阻与其几何尺寸的关系曲线。从图中可以看出，冲击接地电阻随几何尺寸的增加而减小，减小到一定值后具有饱和趋势。Im=100kA，ρ=1.031kΩm图2各种接地装置的冲击接地电阻与其几何尺寸的关系曲线在冲击电流的作用下，接地体可以看成是由电感、电容、电导和电阻组成的分布参数组成的电路。由于冲击电流的频率很高，很大的导体感抗阻碍冲击电流向接地体的远端流动。因此，越靠近入地端的接地体流散的电流就越多，这里的电流密度就越大，土壤的击穿厚度也就越大。如图3所示，沿接地体长度周围土壤中的火花区域的形状呈锥形逐渐减少。图3接地体周围形成的火花放电区域形状接地体尺寸的增加，一方面可增加接地体的散流面积，而使其冲击接地电阻减小；另一方面，由于接地体长度的增加，感抗增大，使得散流不均匀，增长的接地体不能得到充分利用。两方面因素导致冲击接地电阻的降低具有饱和特性。这就是冲击电流作用下接地体具有一定的有效长度le.从大量的试验结果中发现，冲击电流幅值一定时，随着土壤电阻率的增加，接地体的有效长度增加。这是因为接地体靠近入地端流散的电流相对减少，使接地体有效长度相对增加。另外试验表明，增加冲击电流幅值也会导致接地体有效长度的增加。2.3土壤电阻率对冲击接地电阻的影响图4所示为冲击电流幅值和接地体的几何尺寸一定时，冲击接地电阻随土壤电阻率的变化曲线。一般来说，接地体的工频接地电阻随土壤电阻率的增加而线性增加，而冲击接地电阻与土壤电阻率呈非线性关系增加，即土壤电阻率较小时，冲击接地电阻随电阻率增加而增加的速度较大，而当电阻率较大时，增加的速度减小。Im=200kA,其中a,b,c,e和f的l=26m；d的l=60m图4各种接地装置的冲击接地电阻与土壤电阻率的关系曲线分析图中各曲线，可以看出冲击接地电阻随土壤电阻率变化的曲线基本可以分成三段。当土壤电阻率小于500Ωm时，土壤导电性较好，随着土壤电阻率的增加，冲击接地电阻增加很快，基本呈线性关系；土壤电阻率在500～3000Ωm的范围，导电性较差，冲击接地电阻随土壤电阻率的增加而增加的速度变慢，呈非线性关系；当土壤电阻率大于3000Ωm时，土壤为极不良土壤，土壤的导电性很差，这时随着土壤电阻率的增加，冲击接地电阻接近线性增加，但增加的速度变慢。当土壤电阻率较小时，容易将电流流散到土壤中去，土壤电阻率的增加对接地体周围场强的影响较小，土壤的击穿厚度增加不多，使冲击接地电阻变化接近线性；土壤电阻率在500～3000Ωm范围时，土壤的导电性能下降，只有通过击穿土壤形成火花区才能将冲击电流流散出去，这使变化趋势呈非线性。大于3000Ωm时，土壤的导电性很差，土壤电阻率增加，使接地体周围的场强增加较多，导致土壤的击穿厚度增加较多，从而削弱了土壤电阻率对冲击接地电阻的影响，并使变化趋势变得更平缓。3有关接地装置结构的选择以上分析了影响输电线路杆塔接地装置冲击接地电阻的几个主要因素。实际上，杆塔接地装置的冲击接地电阻不仅与冲击电流幅值、土壤电阻率及几何尺寸有关，而且还与接地装置的结构有关。分析不同结构接地体的试验结果，可以得出有关线路杆塔接地装置结构的结论。1)由图1、图2和图4可见，采用单根水平接地体时，在相同的土壤电阻率和雷电流幅值的情况下，中点引流比从接地体一端引流的冲击接地电阻要低，因此不宜选择单端点引流的接地装置结构。2)由图1和图4可见，当接地装置的几何尺寸较大时，水泥杆环型接地装置的冲击接地电阻与放射型的相差不大；而由图2可见，当几何尺寸较小时，水泥杆环型接地装置的冲击接地电阻比放射型的要大得多。在实际中，往往受地形等因素的限制，接地装置的几何尺寸不太可能很大，因此，水泥杆环型接地装置由于冲击散流效果差，其冲击接地电阻比放射型的大，不宜在高土壤电阻率情况下采用。3)表1中a和c所示的铁塔接地装置和水泥杆放射型接地装置，从塔基引出四根水平接地体，施工简单，效果较好。4)由图2可见，接地装置的冲击接地电阻随几何尺寸的增加而降低，但当几何尺寸较大时，冲击接地电阻呈饱和趋势，因此接地体存在一定的有效长度。在实际工程中接地体的长度不应超过有效长度，否则即使工频接地电阻下降，而冲击接地电阻并没有降低，导致线路的防雷效果不佳。4结论1)输电线路接地装置冲击特性的好坏直接影响线路的防雷性能。按照相似理论可以系统地模拟各种因素对输电线路杆塔接地装置冲击特性的影响。所研究土壤的电阻率由100Ωm到5103Ωm，变化范围大，在国内外文献中没有报导；2)冲击接地电阻随冲击电流幅值及几何尺寸的增加而减小。随土壤电阻率的增加而增加。各种结构的接地体均具有一定的有效长度。以上变化均与火花区的形成与发展有关，具有非线性特征；3)通过试验提出了一些关于实际接地装置结构选择的建议。应根据土壤电阻率的大小，地质情况及技术经济比较等要求确定所采用的接地装置结构。