CN108197393B - 一种具有降阻功能的螺旋形接地极设计方法 - Google Patents

一种具有降阻功能的螺旋形接地极设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有降阻功能的螺旋形接地极设计方法，属于输变电设备运行与管理技术领域。该方法包含如下步骤：S1：根据有限元数值计算方法，对螺旋形接地极敷设长度进行设计；S2：设计螺旋接地极的螺距；S3：设计螺旋接地极的半径；S4：螺旋接地极结构参数综合设计方案；S5:螺旋接地极接地电阻的理论计算；S6：设计螺旋接地电极接地电阻的测量方案。本发明设计方法利用螺旋接地极自身结构优势无须外加电流过渡环可实现入地电流的平滑过渡，进一步降低了接地体接地电阻。

Description

一种具有降阻功能的螺旋形接地极设计方法
技术领域
本发明属于输变电设备运行与管理技术领域，涉及一种具有降阻功能的螺旋形接地极设计方法。
背景技术
现行接地体的敷设通过增加长度来扩大与土壤的接触面积，受地形地貌制约导致敷设长度受限，造成接地电阻增大，运行中满足不了热稳定性要求。
ZL 201320787931.1提供了一种输电杆塔垂直接地装置，包括引下线、水平接地网以及垂直接地极；水平接地网包含敷设在所述输电杆塔的塔基周围的水平方环，水平方环上均匀布置多个水平射线结构的电极；垂直接地极均匀布置在多个水平射线结构的电极上；引下线包含4根沿所述输电杆塔的塔腿敷设的圆钢，用于将输电杆塔与所述接地装置可靠连接。该实用新型实施例的输电杆塔垂直接地装置采用垂直接地极，以增加接地装置的埋深，提高降阻效果；增加垂直接地极的直径，增大接地极与土壤的接触面积，进一步提高降阻效果；垂直接地极采用了扁钢外包裹降阻剂的全新制作方法，增大了接地极的直径，降阻效果良好，并具有较好的经济性。
ZL 201621199171.2公开了输电线路杆塔接地装置，属于输电线路技术领域。包括接地体(3)，接地体(3)包括若干根接地棒(1)，接地体(3)分别沿杆塔基础(4)水平向外呈射线设置。该实用新型通过对接地体进行水平布置，能避免铺设接地射线的接地沟开挖，避免青赔，解决施工受阻问题，接地体的水平布置有利于电流的趋肤效应，避免垂直接地装置防雷效果差的缺点。该实用新型结构简单，容易施工，用材少，节约能源，适用土壤接地电阻率范围广，在接地电阻率比较大的地区同样适用。
上述方法均是在现有接地极样貌下通过布极方式改善降低接地电阻，无法真正解决地形地貌对接地极布极距离的影响，在地形受到限制时实际施工过程仍受布极距离限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有降阻功能的螺旋形接地极设计方法，实现缩短布极距离，且有效降低杆塔接地电阻，降低施工成本。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有降阻功能的螺旋形接地极设计方法，该方法包含如下步骤：
S1：根据有限元数值计算方法，对螺旋形接地极敷设长度进行设计；
S2：设计螺旋接地极的螺距；
S3：设计螺旋接地极的线圈半径；
S4：螺旋接地极结构参数综合设计方案；
S5：螺旋接地极接地电阻的理论计算；
S6：设计螺旋接地极接地电阻的测量方案。
进一步，步骤S1具体为：
S11：在选定土壤电阻率、接地体引下线长度、截面半径、螺旋形线圈半径和螺距的条件下，对不同敷设长度的螺旋形接地体的接地电阻和直线型接地体的接地电阻进行计算；
S12：分析比较相同敷设长度的螺旋形接地体和直线型接地体的接地电阻差异。
进一步，步骤S2具体为：
S21：在指定敷设长度的条件下，对不同螺距螺旋形接地体的接地电阻进行计算；
S22：分析比较不同螺距下的螺旋形接地体的接地电阻，选取适合工程实际的螺距作为设计螺距。
进一步，步骤S3具体为：
S31：在设计螺距的前提下，对不同接地极半径的螺旋形接地体的电阻进行计算；
S32：分析比较不同接地极半径下的螺旋形接地体的接地电阻，选取适合工程实际的接地极半径作为设计接地极半径。
进一步，步骤S4具体为：
S41：综合分析螺旋接地极敷设长度、螺距及线圈半径对接地电阻的影响；
S42：得出在工程实际中降阻性能最优时，螺旋形接地体各个结构参数的设计方案。
进一步，步骤S5具体为：
S51：综合分析螺旋接地极源点及表面参考点的参数方程；
S52：对螺旋接地极进行细小分段处理，并假设各分段电流分布均匀，最终得到螺旋接地极接地电阻解析表达式：
Figure BDA0001540363350000021
其中R为螺旋接地极接地电阻，ρ为媒质电阻率，n为线圈匝数，a为截面半径，R′为线圈半径。
进一步，步骤S6具体为：
S61：将设计好的螺旋形接地体布置在大地中的G点，并将引出线连接电流表的一端，电流表的另一端连接至测试电源的一端和电压表的一端，测试电源的另一端连接至大地的C点，在电压表的另一端连接至大地的P点；
S62：将螺旋形接地体的接地电阻与等效半球形接地体的接地电阻进行计算，
Figure BDA0001540363350000031
Figure BDA0001540363350000032
其中，R0为等效半球形接地体的接地电阻，R为螺旋形接地体的接地电阻，γ为土壤电导率，r0为等效半球形接地体的半径，DPG为接地点P与接地点G之间的距离，DCG为接地点C与接地点G之间的距离，DCP为接地点C与接地点P之间的距离；
令ΔR＝R-R0＝0，即
Figure BDA0001540363350000033
设DPG＝kDCG，其中，k为DPG与DCG之间的倍数关系，则
Figure BDA0001540363350000034
S63：根据所求出的DPG与DCG之间的倍数关系对测量电路进行调整，并准确测量计算出螺旋形接地体的接地电阻。
本发明的有益效果在于：本发明设计方法设计出来的接地极采用螺旋形结构，缩短布极距离，有效降低接地电阻及接地极布极的施工成本。引下线与螺旋接地极可实现180°连接方式，连接点为引下线与螺旋接地极的切点。利用螺旋接地极自身结构优势无须外加电流过渡环可实现入地电流的平滑过渡，进一步降低了接地电阻。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1是本发明设计的接地极样貌示意图；
图2是本发明设计的螺旋形接地极与直线性接地极降阻性能对比图；
图3是本发明设计的螺旋形接地极接地电阻与敷设长度关系图；
图4是本发明设计的螺旋形接地极接地电阻与螺距关系图；
图5是本发明设计的螺旋形接地极接地电阻与线圈半径关系图；
图6是测量接地电阻所采用的三极法布极图；
图7是螺旋形接地极接地电阻理论计算图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
(1)螺旋形接地极结构参数设计方法
如图1所示，在原接地极敷设长度不变条件的前提下，将水平直线形貌敷设的接地极改为螺旋形，使螺旋形接地极3敷设长度与原直线形接地极敷设长度相同；且引下线1与螺旋接地极实现180°连接，该连接处的连接2点为引下线与螺旋接地极的切点。
1)螺旋接地极长度设计
为了获取螺旋接地极降阻性能最佳的螺旋形接地极设计方法，对螺旋接地极接地电阻的计算方法展开分析。根据有限元数值计算方法，选定土壤电阻率为100Ω·m，接地体引下线长度为0.8m，截面为半径0.02m的圆形，螺旋形线圈半径为0.3m，螺距为0.25m的条件下，不同敷设长度的水平直线型接地体和螺旋形接地体的接地电阻计算结果如表1与图2所示。由计算结果可知在5m到25m区间，敷设长度相同的情况下，螺旋形接地体的接地电阻值较水平直线形接地体接地电阻值下降了20％至35％，说明螺旋形接地电阻降阻效果显著。在接地电阻为10Ω的情况下，水平直线型接地体敷设长度为10.80m，螺旋形接地体敷设长度为6.24m，长度减少了42％；在接地电阻为8Ω的情况下，水平直线型接地体敷设长度为14.21m，螺旋形接地体敷设长度为8.74m，长度减少了38％；在接地电阻为6Ω的情况下，水平直线型接地体敷设长度为20.94m，螺旋形接地体敷设长度为13.23m，长度减少了37％，有效减少了敷设长度。
表1
Figure BDA0001540363350000041
同时横向比较螺旋形接地体接地电阻值，以敷设长度为自变量，在在半球形土壤池半径为250m，土壤电阻率为100Ω·m，接地体引下线长度为2.3m，截面为半径0.02m的圆形，螺旋形线圈半径为0.3m，螺距为0.25m的条件下，不同敷设长度的螺旋形接地体的接地电阻有限元数值计算结果如表2与图2、图3所示。可得螺旋接地体接地阻值与敷设长度为指数相关，敷设长度越长，接地阻值越小，并逐渐趋向于一个固定值。
表2
标号 敷设长度/m 接地电阻/Ω
① 2.5 14.35505
② 5.0 10.15539
③ 7.5 8.06393
④ 10.0 6.76682
⑤ 12.5 5.47077
⑥ 15.0 5.20884
⑦ 17.5 4.68375
⑧ 20.0 4.27968
⑨ 22.5 3.93304
⑩ 25.0 3.64028
2)螺旋接地极螺距设计
研究螺距对螺旋接地体接地阻值的影响，在半球形土壤池半径为250m，土壤电阻率为100Ω·m，接地体引下线长度为2.3m，截面为半径0.02m的圆形，螺旋形线圈半径为0.2m，敷设长度为15m的条件下，取不同的螺距进行计算，结果如表3与图4所示。由结果可得在0.10m至0.42m区间内接地电阻随螺距减小而略微减小，但考虑到过小的螺距会大大增加接地体的用料长度，进而增加成本，故本例在实际中可选择螺距在0.25m左右即可。
表3
标号 螺距/m 用料长度/m 接地电阻/Ω
① 0.10 189.09 4.6886
② 0.14 135.47 4.7130
③ 0.18 105.79 4.7428
④ 0.26 74.03 4.8120
⑤ 0.30 64.60 4.8498
⑥ 0.34 57.43 4.8918
⑦ 0.38 51.82 4.9312
⑧ 0.42 47.32 4.9736
3)螺旋接地极线圈半径设计
最后，为比较螺旋形线圈半径对螺旋接地体接地阻值的影响，在半球形土壤池半径为250m，土壤电阻率为100Ω·m，接地体引下线长度为2.3m，截面为半径0.02m的圆形，螺距为0.25m，敷设长度为15m的条件下，取不同的线圈半径进行计算，得到的结果如表4与图5所示。由计算结果可得线圈半径在0.1到1.0范围内，线圈半径越大，对应接地阻值就越小，两者近似呈二次方关系。线圈半径对接地阻值的影响小于敷设长度对阻值的影响，大于螺距对阻值的影响。由于线圈半径过大会增加用料长度提高生产成本，同时也要增加埋深，提高施工成本，故在本例中线圈半径可选在0.5m左右即可。
表4
实验标号 线圈半径/m 用料长度/m 接地电阻/Ω
① 0.1 24.09 4.7753
② 0.2 40.57 4.5067
③ 0.3 58.50 4.3556
④ 0.4 76.88 4.1648
⑤ 0.5 95.43 3.9899
⑥ 0.6 114.09 3.8447
⑦ 0.7 132.80 3.6583
⑧ 0.8 151.54 3.5674
⑨ 0.9 170.31 3.4729
⑩ 1.0 189.09 3.3633
4)螺旋接地极结构参数综合设计方案
综上所述，螺旋形接地体较水平直线接地体在等敷设长度的情况下能有效降低接地阻值。且螺旋形接地体敷设长度对接地阻值影响最大，螺旋线圈半径对阻值影响次之，螺距对阻值影响最小。实际应用中在敷设场地有限的情况下，可以用螺旋接地体代替水平直线接地体以减小接地电阻，达到安全指标。若在敷设距离给定时想进一步减小阻值，可适当增大螺旋接地极的线圈半径或减小螺距，最终使得在有限的空间中使杆塔接地电阻达到安全标准。
(2)螺旋接地极接地电阻的理论计算与测量方案
1)螺旋接地极接地电阻理论计算
为了得到接地电阻的理论计算式，准确计算接地体的接地电阻，可对螺旋接地极进行细小分段处理，分段处理后每段导体的扩散电流系数不同，并假设各分段电流分布均匀。
对于分段后的各段导体，为了求解其自电阻，假设其处于电阻率为ρ的无限大均匀媒质中。螺旋接地极长度为L近似等效为2πnR′，匝数为n,线圈半径为R′,截面半径为a，经过该导体扩散到媒质中的电流为I0。L＞＞a时，接地电阻近似计算中可忽略端部效应，即认为扩散到媒质中的电流沿导体均匀分布，且集中在导体的轴线上，则沿导体轴线流散的电流密度为δ＝I0/L。距离点源δ为|r|的空间任意一点处的电位，可通过对螺旋接地极的小弧段s求积分所得
Figure BDA0001540363350000071
为了提高计算精度，当导体分段数足够多时，假定电流沿各段导体均匀分布,可用该段导体各点电位的平均值作为该段导体的电位，如图7所示。
点源参考点选在螺旋接地极的中心，其空间参数方程如下：
Figure BDA0001540363350000072
参考点选在螺旋接地极的表面，其空间参数方程如下：
Figure BDA0001540363350000073
根据式(1)(2)(3)可得螺旋接地极的接地电阻为
Figure BDA0001540363350000074
2)螺旋接地极接地电阻测量方案
螺旋接地体的接地阻值采用三级法测量，如图6所示。电位测量极P离杆塔基础边缘直线距离DPG取2.5L，电流极C离杆塔基础边缘的直线距离DCG取4L。DCG取4L有困难时，若接地装置周围土壤较为均匀，DCG可以取3L，而DPG取1.8L。如果被测杆塔无射线，L可以按照不小于杆塔接地装置最大几何等效半径选取。
以无穷远处为参考点，单独接地体的电位应为：
Figure BDA0001540363350000075
根据接地电阻定义，可得出半球形接地体的接地电阻值为：
Figure BDA0001540363350000076
则接地体电流I在接地体G＝与电压极P之间产生的电位差为：
Figure BDA0001540363350000077
同理，电流极C电流I在接地体G与电压极P之间产生的电位差为：
Figure BDA0001540363350000081
由叠加定理得GP间电压为：
Figure BDA0001540363350000082
则接地电阻为：
Figure BDA0001540363350000083
与R0比较得到误差为：
Figure BDA0001540363350000084
要使测量误差为0，则：
Figure BDA0001540363350000085
另设DPG＝kDCG，则DCP＝(1-k)DCG,代入上式得：
Figure BDA0001540363350000086
对上式求解并舍去负解得：
Figure BDA0001540363350000087
故理论上将电压极布置于零电位点处，即DPG＝0.618DCG时，可以得到实际接地电阻。实际中为了方便现场实施，使k＝0.625或0.6，在误差允许范围内也可得到实际接地电阻。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种具有降阻功能的螺旋形接地极设计方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：
S1：根据有限元数值计算方法，对螺旋形接地极敷设长度进行设计；
S2：设计螺旋接地极的螺距；
S3：设计螺旋接地极的线圈半径；
S4：设计螺旋接地极结构参数的综合方案；
S5：进行螺旋接地极接地电阻的理论计算；
S6：设计螺旋接地极接地电阻的测量方案；
步骤S1具体为：
S11：在选定土壤电阻率、接地极引下线长度、截面半径、螺旋形线圈半径和螺距的条件下，对不同敷设长度的螺旋形接地极的接地电阻和直线型接地极的接地电阻进行计算；
S12：分析比较相同敷设长度的螺旋形接地极和直线型接地极的接地电阻差异；
步骤S4具体为：
S41：综合分析螺旋接地极敷设长度、螺距及线圈半径对接地电阻的影响；
S42：得出在工程实际中降阻性能最优时，螺旋形接地极各个结构参数的设计方案；
步骤S5具体为：
S51：综合分析螺旋接地极源点及表面参考点的参数方程；
S52：对螺旋接地极进行细小分段处理，并假设各分段电流分布均匀，最终得到螺旋接地极接地电阻解析表达式：
Figure FDA0002905082140000011
其中R为螺旋接地极接地电阻，ρ为媒质电阻率，n为线圈匝数，a为截面半径，R′为线圈半径；
步骤S6具体为：
S61：将设计好的螺旋形接地极布置在大地中的G点，并将引出线连接电流表的一端，电流表的另一端连接至测试电源的一端和电压表的一端，测试电源的另一端连接至大地的C点，在电压表的另一端连接至大地的P点；
S62：将螺旋形接地极的接地电阻与等效半球形接地极的接地电阻进行计算，
Figure FDA0002905082140000012
Figure FDA0002905082140000021
其中，R0为等效半球形接地极的接地电阻，R为螺旋形接地极的接地电阻，γ为土壤电导率，r0为等效半球形接地极的半径，DPG为接地点P与接地点G之间的距离，DCG为接地点C与接地点G之间的距离，DCP为接地点C与接地点P之间的距离；
令ΔR＝R-R0＝0，即
Figure FDA0002905082140000022
设DPG＝kDCG，其中，k为DPG与DCG之间的倍数关系，则
Figure FDA0002905082140000023
S63：根据所求出的DPG与DCG之间的倍数关系对测量电路进行调整，并准确测量计算出螺旋形接地极的接地电阻。
2.根据权利要求1所述的一种具有降阻功能的螺旋形接地极设计方法，其特征在于：步骤S2具体为：
S21：在指定敷设长度的条件下，对不同螺距螺旋形接地极的接地电阻进行计算；
S22：分析比较不同螺距下的螺旋形接地极的接地电阻，选取适合工程实际的螺距作为设计螺距。
3.根据权利要求2所述的一种具有降阻功能的螺旋形接地极设计方法，其特征在于：步骤S3具体为：
S31：在设计螺距的前提下，对不同接地极半径的螺旋形接地极的电阻进行计算；
S32：分析比较不同接地极半径下的螺旋形接地极的接地电阻，选取适合工程实际的接地极半径作为设计接地极半径。
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