CN112395750A - 一种降低城市输电钢管塔接地装置工频跨步电压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低城市输电钢管塔接地装置工频跨步电压的方法，该方法包括：根据相关公式计算得到符合人体安全标准的工频跨步电压目标值；利用CDEGS软件对城市输电线路钢管塔接地装置的典型设计进行建模，得到仿真工频跨步电压分布的计算结果；分析仿真结果的相关规律，提出在接地装置的水平接地极末端添加水平夹角射线辅以垂直接地体的降压方式。考虑实际施工及接地电阻标准的要求，对水平夹角射线的长度以及角度、垂直接地体的长度及间隔实现优化，并提出安全设计的具体优化方法，将每次得到的优化模型利用CDEGS接地软件进行建模计算，直至计算得到的工频跨步电压小于目标值，则优化停止，工频跨步电压超标问题得以解决。

Description

一种降低城市输电钢管塔接地装置工频跨步电压的方法

技术领域

本发明涉及城市输电线路杆塔接地装置的安全设计领域。

背景技术

钢管塔是城市输电线路杆塔的典型型式。城市输电钢管塔大都分布在马路边或马路中央的花坛中，属于人流密集区域。当城市输电钢管塔发生工频或雷击接地短路故障时，会造成杆塔周围地电位的急剧升高，在杆塔周围产生危险的跨步电压和接触电压，从而威胁人身安全。

国内外对接地装置的安全性设计和研究主要针对发电厂、变电站的接地网。通过对矩形地网内部网格调控，地表铺设沥青、砾石等方法，使得周边电位梯度、设备接触电压和跨步电压等接地安全参数满足安全值的要求。对于输电线路杆塔接地的研究主要集中在高土壤电阻率地区(尤其是山岩地区)接地降阻方面，提出了针刺式接地装置、柔性石墨接地极、长垂直接地极和空腹式接地装置等新型接地降阻方法。

对于城市输电杆塔的安全设计，相关规程仅建议其接地装置做成闭合矩形、环形等，该结构往往不适合位于道路边缘或中央花坛中的钢管塔，因此城市输电杆塔接地装置一般采用水平射线和垂直接地极组成的立体接地网。通常在实际施工中，接地电阻降至符合安全标准是接地装置安全设计的主要目标。研究表明，人体在工频50Hz或60Hz的电流作用下的伤害程度最为严重，人体对工频电流的耐受很低，而在高频下可以耐受高达13倍的电流。因此，城市输电线路钢管塔的接地装置的安全问题突出表现在工频入地线路电流下的跨步电压超出安全目标值，这将严重威胁到周围人员的人身安全。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种降低城市输电线路钢管塔接地装置工频跨步电压的方法，用以解决现存的城市输电线路钢管塔接地装置工频跨步电压超出安全目标值的问题，从而确保周围人员的人身安全。

为解决上述问题，本发明提出的技术方案为：

在钢管塔接地装置的水平末端安装夹角形水平射线辅以垂直接地体的结构，包括：

根据相关公式计算得到符合人体安全标准的工频跨步电压目标值；利用CDEGS软件对城市输电线路钢管塔接地装置的典型设计进行建模，得到仿真工频跨步电压分布的计算结果；分析仿真结果的相关规律，提出在接地装置的水平接地极末端添加水平夹角射线辅以垂直接地体的降压方式。考虑实际施工及接地电阻标准的要求，对水平夹角射线的长度以及角度、垂直接地体的长度及间隔实现优化，并提出安全设计的具体优化方法，将每次得到的优化模型利用CDEGS接地软件进行建模计算，直至计算得到的工频跨步电压小于目标值，则优化停止，工频跨步电压超标问题得以解决。

本专利提出的安全设计方法分3个步骤：

步骤1：计算工频跨步电压的标准值：

根据电击事故时人体的分布参数等效电路，当人在地面行走时，人的两脚和地面的接触电阻R_F及人体电阻R_B串联，得到两脚间的耐受跨步电压U_s为：

U_s＝(R_B+6ρ)×I_k (1)

式中：R_B为人体电阻，ρ为表层土壤电阻率，I_k为不同体重k下人体的安全电流。

当没有人站立于地面时，两脚所对应的地表两点间的电位差，即工频跨步电压V_s的目标值为：

其中，人体安全电流I_k满足以下方程：

式中t为工频故障电流持续时间，K为与人体体重有关的能量系数。

步骤2：降低钢管塔接地装置工频跨步电压的方法

1、利用CDEGS接地计算软件计算杆塔接地装置跨步电压和接地电阻的方法。

(1)选择计算接地装置跨步电压与接地电阻的模块：CDEGS接地计算软件包含RESAP、 MALT、MALZ、SPLITS、TRALIN、HIFREQ、FCDIST和FFTSES等六个模块，由于本发明中需要实现的计算是工频电流下接地装置的跨步电压和接地电阻，因此选择MALZ模块进行建模计算，该模块适用于任意土壤结构的频域接地分析。

(2)模型建立的方法：仿真模型的搭建在MALZ模块中的SESCAD工具中完成。在定义选项中对土壤模型、计算频率、导体类型以及激励类型进行设置；通过编辑选项中的创建物体界面，将已经定义好的导体作为接地导体，按照所研究接地装置的典型设计搭建模型；观测点及观测线的设置同样以创建物体的方式进行，且观测面积必须满足覆盖全部地下接地装置的要求。

(3)参数取值的方法：土壤模型包括均匀土壤和分层土壤，其电阻率以及介电常数的设置以接地装置所处的实际土壤数据为准；计算频率以实际短路电流频率为准，工频短路下的计算评率为50Hz；导体电阻率、介电常数以及导体半径的取值以实际接地装置接地体的材料属性为准,；激励源的大小和极性均以实际短路激励源为准。当激励源为工频电流源时，工频电流的大小即为实际流入接地装置的入地短路电流I。当系统发生工频接地短路故障时，一部分故障电流通过架空地线流向四周进行扩散；一部分故障电流由经架空地线后，通过杆塔接地装置泄入大地。经研究表明，杆塔接地装置的分流系数受到杆塔接地电阻、输电线路杆塔数量以及变电站接地电阻的影响，因此I的计算方法如下：

I＝(I_S-I_g)×K_d (4)

式中：I_S为系统单相接地的工频入地短路电流，I_g为通过架空地线向四周扩散的电流， K_d为杆塔接地装置入地短路电流分流系数，其取值可通过查阅相关文献资料获得。

(4)计算过程及结果呈现：将SESCAD中搭建完成的接地装置模型更新至输入箱(Input Toolbox)并返回MALZ的输入面板，点击运行按钮后，在查看输出中获取仿真结果即可。其中跨步电压分布图通过查看输出面板中的计算-标量电势-跨步电压-绘图获取；泄漏电流分布图通过输出面板中的计算-导体数据-泄漏电流-绘图获取；接地电阻值通过查看输出面板中的报告得到。

2、根据CDEGS软件计算得到的仿真规律，提出降低城市钢管塔接地装置工频跨步电压的基本方法。

从杆塔接地装置典型水平接地体跨步电压分布可知，工频跨步电压最大值集中在接地体的末端区域。根据接地导体泄漏电流分布可知，水平接地体的泄漏电流从电流注入点到射线末端逐渐增大，水平射线末端接地体的散流效果最好，导致末端泄漏电流变大，从而使跨步电压分布出现集中。因此，改变水平接地体末端的散流方式会降低接地装置的跨步电压，从而解决跨步电压超标带来的安全问题。

在水平接地体末端添加夹角形水平射线，将有助于入地电流的分流；垂直接地体作为一种集中接地体，其降阻效果不佳但散流效果高于水平接地体。因而，本发明在水平接地装置末端添加带有夹角的水平射线，并在水平夹角射线上加装若干垂直接地体的方法降低工频跨步电压。

该方法的关键在于：根据均压效果，结合接地电阻和实际施工的要求，并考虑屏蔽效应对垂直接地体散流作用的影响，对其夹角形水平射线的长度和夹角进行最优化选择。

步骤3：降低城市输电线路钢管塔接地装置工频跨步电压的优化设计方法

现有的城市输电线路钢管塔接地装置一般采用以水平接地极为主、垂直接地体为辅的立体式接地网，且钢管塔位于水平接地极中心点，示意图如下示。当输电线路发生工频短路故障时，泄漏电流以入地电流点为中心，出现对称分布的形式，即短路电流自入地电流点向两个末端逐渐泄流。本发明的末端设计也以入地电流点为中心，对两个末端进行同等设计。根据步骤2提出的基本方法，给出了具体的确定水平射线L₁长度、水平夹角射线水平方向长度 L₂、夹角形射线长度L₃及其夹角θ的具体优化设计方法。典型设计的示意图如图5所示，各参数的含义如下所述。

1、附图5给出本发明所针对的城市输电线路钢管塔接地装置典型设计的模型示意图，虚线框内所示即为本发明所提出的水平夹角射线辅以垂直接地体极的降压设计结构。该示意图中，箭头处为短路电流入地点，L₁为入地电流点右侧接地装置中水平接地体的长度，L₂为水平夹角射线的水平方向长度，L₃为夹角形水平射线的长度，θ为水平夹角射线间的夹角，H 为水平夹角射线间的水平宽度，l为垂直接地体长度，D为相邻两根垂直接地体之间的间隔大小。

2、设计总体要求及限制：

1)本发明的设计对象为城市输电线路钢管塔的接地装置，由于城市输电线路钢管塔大于安装在马路边或者马路中央的花圃中，因此在实际施工中，接地装置的水平夹角射线水平宽度H要求一般不能超过4m，为后续设计中尽可能多的铺设垂直接地体，H应取其最大值4m；

2)受到地势以及施工成本的限制，实际施工中的垂直接地体长度不能太长，一般2m为最佳长度，因此本发明中的垂直接地体长度l取值为2m。

3)由于垂直接地体之间存在屏蔽效应，即垂直接地体间距离越近，其降低接地电阻及扩散电流的作用就会越弱。因此垂直接地体间的间隔应大于其自身长度的两倍，即D≥2l；另一方面，为了能够尽可能的铺设更多的垂直接地体来增强其分流的作用，因此垂直接地体间的间隔距离应该越小越好。综合上述两种考虑，本发明将垂直接地体间的间隔D定为自身长度的两倍，即D＝2l＝4m。

4)由于本发明的主要原理是基于末端夹角形水平射线以及多根垂直接地体的分流作用，减弱末端接地装置泄露电流的大小，从而均衡其工频跨步电压，降低工频电压幅值。因此铺设的垂直接地体的根数越多，其均衡电压的作用就会越明显。本发明所采取的垂直接地极的施加方法为：在整个水平接地装置上，以入地电流点为起点，每隔4米，安装一根长度为2 米的50*5的角钢；水平接地体的末端同样敷设上述规格的垂直接地极。

5)根据城市输电线路杆塔接地装置的安全标准规定：所有城市接地装置的接地电阻必须小于10Ω。

3、总体优化方法：

1)θ的取值：θ从180°开始由大到小取值，最小取到20°。由于H为定值，因此当θ取值确定后，可以求得L₂的大小以及夹角形水平射线的长度L₃。(初始θ取180°，此时L₂的长度为0，L₃的长度为2m)

2)L₁的确定：由于水平接地体承担主要的降低接地装置接地电阻的作用，因此当夹角形水平射线长度L₃确定后，设定水平接地体L₁的初始长度为30m，利用CDEGS软件按步骤1中第一点所述的方法计算接地装置的接地电阻。若其接地电阻大于10Ω，则每次将L₁的长度增加5m，直至接地电阻小于10Ω时，L₁的大小得以确定。

3)计算上述L₁、L₂、L₃和θ取值下，垂直接地极按照设计总体要求中第四点所述的布置方式进行铺设，根据步骤1中第一点所述的跨步电压计算方法，计算该接地装置的跨步电压分布。

4)若计算得到的跨步电压最大值小于目标值，则计算结束；若跨步电压最大值小于目标值，则减小夹角形水平射线间夹角θ减小10°，按照上述步骤1)-3)进行设计和计算。直至在该夹角θ、L₁、L₂和L₃取值下，该接地装置模型的跨步电压幅值小于目标值，则总体优化设计结束；若夹角θ减小到最小值20°时，仍无法满足工频跨步电压目标值的要求，则进入步骤5)。

5)如果夹角θ减小到最小值20°时，仍无法满足工频跨步电压目标值的要求，则逐步增加水平接地体L₁的长度。长度每次增加5米，直至仿真得到的该接地装置模型的跨步电压幅值小于目标值，则总体优化设计结束。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的城市输电线路钢管塔接地装置典型设计；

图2是本发明优选实施例的城市输电线路钢管塔接地装置模型；

图3是本发明优选实施例的钢管塔接地装置的工频跨步电压分布二维色块图；

图4是本发明优选实施例的钢管塔接地体的泄露电流分布图；

图5是本发明优选实施例的原接地装置末端添加夹角形水平射线及垂直接地体的示意图；

图6是本发明优选实施例的优化设计流程图；

图7是本发明优选实施例的最终优化模型的侧视图与俯视图；

图8是本发明优选实施例的最终优化模型的跨步电压分布二维色块图。

图中各标号表示：

1、地表；2、入地电流点；3、水平接地体；4、垂直接地体间距；5、混凝土基础；6、垂直接地体；7、埋深。

图中各字母代表：

L₁：入地电流点右侧接地装置中水平接地体的长度；L₂：水平夹角射线的水平方向长度； L₃：夹角形水平射线的长度；θ：水平夹角射线间的夹角；H：水平夹角射线间的水平宽度； l：垂直接地体长度；D：相邻两根垂直接地体之间的间隔大小。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本实施例提出的方法是根据相关公式计算得到符合人体安全标准的工频跨步电压目标值；利用CDEGS软件对城市输电线路钢管塔接地装置的典型设计进行建模，得到仿真计算结果；分析仿真结果的各项参数分布图以及相关规律，提出在接地装置的水平接地极末端添加水平夹角射线辅以垂直接地体的降压方式；考虑实际施工的要求及接地电阻的安全标准，对水平夹角射线的长度以及角度、垂直接地体的长度及间隔实现优化，并将每次得到的优化模型利用CDEGS接地软件进行建模计算，直至计算得到的工频跨步电压小于目标值，则计算停止。

本实例以参考110kV输电钢管塔的实际接地装置型式为例，执行时具体步骤如下：

步骤1：计算工频跨步电压的标准值：

根据电击事故时人体的分布参数等效电路，当人在地面行走时，人的两脚和地面的接触电阻R_F及人体电阻R_B串联，得到两脚间的耐受跨步电压U_s为：

U_s＝(R_B+6ρ)×I_k (1)

式中：R_B为人体电阻，ρ为表层土壤电阻率，I_k为不同体重k下人体的安全电流。因此当没有人站立于地面时，两脚所对应的两点间的电位差，即跨步电压V_s为：

其中人体安全电流I_k满足以下方程：

式中t为工频故障电流持续时间，K为与人体体重有关的能量系数。

本实施例以体重为50kg的人作为标准，其对应的能量系数K₅₀＝0.0135，查阅相关资料得到：人体的电阻R_B取1000Ω，工频故障持续时间t取0.25s，土壤电阻率ρ取500Ω·m。将上述参数代入公式(1)-公式(3)，计算得到工频下人体允许的跨步电压安全值为3712V。

步骤2：降低钢管塔接地装置工频跨步电压的方法

1、利用CDEGS接地计算软件计算杆塔接地装置跨步电压和接地电阻的方法。

(1)选择计算接地装置跨步电压与接地电阻的模块：CDEGS接地计算软件包含RESAP、 MALT、MALZ、SPLITS、TRALIN、HIFREQ、FCDIST和FFTSES等六个模块，由于本发明中需要实现的计算是工频电流下接地装置的跨步电压和接地电阻，因此选择MALZ模块进行建模计算，该模块适用于任意土壤结构的频域接地分析。

(2)模型建立的方法：仿真模型的搭建在MALZ模块中的SESCAD工具中完成。在定义选项中对土壤模型、计算频率、导体类型以及激励类型进行设置；通过编辑选项中的创建物体设置，将已经定义好的导体作为接地导体，按照所研究接地装置的典型设计搭建模型；观测点及观测线的设置同样以创建物体的方式进行，且观测面积必须满足覆盖全部地下接地装置的要求。

(3)参数取值的方法：土壤模型包括均匀土壤和分层土壤，其电阻率以及介电常数的设置以接地装置所处的实际土壤数据为准；计算频率以实际短路电流频率为准，工频短路下的计算评率为50Hz；导体类型设置包括对导体电阻率、介电常数以及导体半径的取值，其取值以实际接地装置接地体的材料特性为准,；激励类型包括电压源与电流源，其大小和极性均以实际短路激励源为准。

(4)计算过程及结果呈现：将SESCAD中搭建完成的接地装置模型更新至输入箱(Input Toolbox)并返回MALZ的输入面板，点击运行按钮后，在查看输出中获取仿真结果即可。其中跨步电压分布图通过查看输出面板中的计算-标量电势-跨步电压-绘图获取；泄漏电流分布图通过输出面板中的计算-导体数据-泄漏电流-绘图获取；接地电阻值通过查看输出面板中的报告得到。

2、根据CDEGS软件计算得到的杆塔接地装置典型设计的仿真规律，提出降低城市钢管塔接地装置工频跨步电压的基本方法。

(1)城市输电线路钢管塔接地装置典型设计如图1所示。按照步骤2中第一点所述步骤方法，利用CDEGS软件对其进行仿真计算，搭建如附图2所示的接地模型，其参数设置如下：

土壤模型选取均匀土壤模型，电阻率为城市土壤电阻率ρ＝500Ω·m，计算频率为工频 50Hz；导体类型以实际接地体的材料为准，选取相对电阻率为1，相对磁导率为636的圆钢，水平接地导体半径为0.01m，垂直接地导体半径为0.006m；通过创建物体选项，搭建水平接地体长度为88m，埋深为0.8m；垂直接地体每根长度2m，共23根，根间距离为4m；激励类型选择工频电流源，其中工频电流的大小即为实际流入接地装置的入地短路电流I。根据查阅资料可知110kv系统发生短路故障时，当其杆塔接地电阻为10Ω且杆塔数量大于15个时，可取其杆塔接地装置的分流系数为0.4，因此通过计算采用幅值大小为5280A的工频激励源电流。

(2)利用CDEGS软件计算后，得到城市输电线路杆塔接地装置的跨步电压分布二维色块图与水平接地体的工频泄漏电流分布曲线，分别如图3和图4所示。从杆塔接地装置典型水平接地体跨步电压分布可知，工频跨步电压最大值集中在接地体的末端区域。根据接地体泄漏电流分布曲线可知，水平接地体的泄漏电流从电流注入点到射线末端逐渐增大，水平射线末端接地体的散流效果最好，导致末端泄漏电流变大，从而使跨步电压分布出现集中。因此，改变水平接地体末端的散流方式会降低接地装置的跨步电压，从而解决跨步电压超标带来的安全问题。

在水平接地体末端添加夹角形水平射线，将有助于入地电流的分流；垂直接地体作为一种集中接地体，其降阻效果不佳但散流效果高于水平接地体。因而，本发明在水平接地装置末端添加带有夹角的水平射线，并在水平夹角射线上加装若干垂直接地体的方法降低工频跨步电压。

该方法的关键在于：根据均压效果，结合接地电阻和实际施工的要求，并考虑屏蔽效应对垂直接地体散流作用的影响，对其夹角形水平射线的长度和夹角进行最优化选择。

步骤3：降低城市输电线路钢管塔接地装置工频跨步电压的优化设计方法

如图1所示，现有的城市输电线路钢管塔接地装置一般采用以水平接地极为主、垂直接地体为辅的立体式接地网，且钢管塔位于水平接地极中心点。当输电线路发生工频短路故障时，泄漏电流以入地电流点为中心，出现对称分布的形式，即短路电流自入地电流点向两个末端逐渐泄流。本发明的末端设计也以入地电流点为中心，对两个末端进行同等设计。根据步骤2提出的基本方法，给出了具体的确定水平射线L₁长度、水平夹角射线水平方向长度L₂、夹角形射线长度L₃及其夹角θ的具体优化设计方法。本发明所提出的，在末端添加夹角形水平射线及垂直接地体后的杆塔接地装置示意图如附图5所示，各参数的含义如下所述。

1、本发明所针对的城市输电线路钢管塔接地装置典型设计的模型示意图如附图5所示，虚线框内所示即为本发明所提出的水平夹角射线辅以垂直接地体极的降压设计结构。

图5中箭头处为短路电流入地点，L₁为入地电流点右侧接地装置中水平接地体的长度， L₂为水平夹角射线的水平方向长度，L₃为夹角形水平射线的长度，θ为水平夹角射线间的夹角，H为水平夹角射线间的水平宽度，l为垂直接地体长度，D为相邻两根垂直接地体之间的间隔大小。

2、设计总体要求及实际条件的限制：

1)本发明的设计对象为城市输电线路钢管塔的接地装置，由于城市输电线路钢管塔大于安装在马路边或者马路中央的花圃中，因此在实际施工中，接地装置的水平夹角射线水平宽度H要求一般不能超过4m，为后续设计中尽可能多的铺设垂直接地体，H应取其最大值4m；

2)受到地势以及施工成本的限制，实际施工中的垂直接地体长度不能太长，一般2m为最佳长度，因此本发明中的垂直接地体长度l取值为2m。

3)由于垂直接地体之间存在屏蔽效应，即垂直接地体间距离越近，其降低接地电阻及扩散电流的作用就会越弱。因此垂直接地体间的间隔应大于其自身长度的两倍，即D≥2l；另一方面，为了能够尽可能的铺设更多的垂直接地体来增强其分流的作用，因此垂直接地体间的间隔距离应该越小越好。综合上述两种考虑，本发明将垂直接地体间的间隔D定为自身长度的两倍，即D＝2l＝4m。

4)由于本发明的主要原理是基于末端夹角形水平射线以及多根垂直接地体的分流作用，减弱末端接地装置泄露电流的大小，从而均衡其工频跨步电压，降低工频电压幅值。因此铺设的垂直接地体的根数越多，其均衡电压的作用就会越明显。本发明所采取的垂直接地极的施加方法为：在整个水平接地装置上，以入地电流点为起点，每隔4米，安装一根长度为2 米的50*5的角钢；水平接地体的末端同样敷设上述规格的垂直接地极。

5)根据城市输电线路杆塔接地装置的安全标准规定：所有城市接地装置的接地电阻必须小于10Ω。

3、总体优化方法：

1)θ的取值：θ从180°开始由大到小取值，最小值为20°。由于H为定值，因此当θ取值确定后，可以求得L₂的大小以及夹角形水平射线的长度L₃。(初始θ取180°，此时L₂的长度为0，L₃的长度为2m)

2)L₁的确定：由于水平接地体承担主要的降低接地装置接地电阻的作用，因此当夹角形水平射线长度L₃确定后，设定水平接地体L₁的初始长度为30m，利用CDEGS软件按步骤1中第一点所述的方法计算接地装置的接地电阻。若其接地电阻大于10Ω，则每次将L₁的长度增加5m，直至接地电阻小于10Ω时，L₁的大小得以确定。

3)计算上述L₁、L₂、L₃和θ取值下，垂直接地极按照设计总体要求中第四点所述的布置方式进行铺设，根据步骤1中第一点所述的跨步电压计算方法，计算该接地装置的跨步电压分布。

4)若计算得到的跨步电压最大值小于目标值，则计算结束；若跨步电压最大值小于目标值，则每次将夹角形水平射线间夹角θ减小10°，按照上述步骤1)-3)进行设计和计算。直至找到某夹角θ、L₁、L₂和L₃取值下的接地装置跨步电压幅值小于目标值，则总体优化设计结束。若夹角θ减小到最小值20°时，仍无法满足工频跨步电压目标值的要求，则进入步骤 5)。

5)如果夹角θ减小到最小值20°时，仍无法满足工频跨步电压目标值的要求，则逐步增加水平接地体L₁的长度。L₁的长度每次增加5米，直至仿真得到的该接地装置模型的跨步电压幅值小于目标值，则总体优化设计结束。

上述步骤的设计流程图如附图6所示，根据设计流程图优化后的最终优化模型如附图7 所示，其中图(a)为优化模型侧视图，图(b)为优化模型俯视图。图中当夹角形水平射线的夹角θ＝20°、L₁＝45m、L₂＝12m、L₃＝12.16m且垂直接地体自入地电流点起，沿着水平接地体和夹角形水平射线每隔4m铺设1根直至射线末端时，该城市输电线路杆塔接地装置的跨步电压分布二维色块图由附图8所示。由图可知，该接地装置的跨步电压最大值为3700.76V，成功降至目标值(3712V)以下，该结果充分论证了上述优化设计方式的有效性。

综上，本发明通过在城市输电线路钢管塔接地装置的水平末端添加水平夹角射线并辅以垂直接地体的方式，并对水平射线的夹角大小及长度，垂直接地体的长度及间隔进行循环优化，从而降低该接地装置的工频跨步电压，解决现有的城市输电线路钢管塔接地装置工频跨步电压超标问题，确保钢管塔接地装置周围人员的人身安全。

以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种降低城市输电钢管塔接地装置工频跨步电压的方法，其特征在于，根据相关公式计算得到符合人体安全标准的工频跨步电压目标值；利用CDEGS软件对城市输电线路钢管塔接地装置的典型设计进行建模，得到仿真工频跨步电压分布的计算结果；分析仿真结果的相关规律，提出在接地装置的水平接地极末端添加水平夹角射线辅以垂直接地体的降压方式。考虑实际施工及接地电阻标准的要求，对水平夹角射线的长度以及角度、垂直接地体的长度及间隔实现优化，并提出安全设计的具体优化方法，将每次得到的优化模型利用CDEGS接地软件进行建模计算，直至计算得到的工频跨步电压小于目标值，则优化停止。

2.根据权利要求1所述的降低城市输电钢管塔接地装置工频跨步电压的方法，其特征在于,当没有人站立于地面时，两脚所对应的地表两点间的电位差，即工频跨步电压V_s的目标值为：

其中，人体安全电流I_k满足以下方程：

式中t为工频故障电流持续时间，K为与人体体重有关的能量系数。

3.根据权利要求1所述的降低城市输电钢管塔接地装置工频跨步电压的方法，其特征在于,提出了用CDEGS接地计算软件计算杆塔接地装置跨步电压和接地电阻的方法：

1)选择计算接地装置跨步电压与接地电阻的模块：选择MALZ模块进行建模计算，该模块适用于任意土壤结构的频域接地分析。

2)模型建立的方法：仿真模型的搭建在MALZ模块中的SESCAD工具中完成。

3)参数取值的方法：均与接地装置的实际材料属性、尺寸及所处土壤实际参数为准。

4)计算过程及结果呈现：将SESCAD中搭建完成的接地装置模型更新至输入箱(InputToolbox)并返回MALZ的输入面板，点击运行按钮后，在查看输出中获取仿真结果即可。

4.根据权利要求1所述的降低城市输电钢管塔接地装置工频跨步电压的方法，其特征在于，在水平接地装置末端添加带有夹角的水平射线，并在水平夹角射线上加装若干垂直接地体的方法降低工频跨步电压。

5.根据权利要求1所述的降低城市输电钢管塔接地装置工频跨步电压的方法，其特征在于，该设计的总体要求及限制：

1)实际施工中，接地装置的水平夹角射线水平宽度H要求一般不能超过4m，为后续设计中尽可能多的铺设垂直接地体，H应取其最大值4m；

2)受到地势以及施工成本的限制，实际施工中的垂直接地体长度不能太长，一般2m为最佳长度，因此本发明中的垂直接地体长度l取值为2m。

3)一方面，考虑垂直接地体之间存在屏蔽效应，另一方面为了能够尽可能的铺设更多的垂直接地体来增强其分流的作用，本发明将垂直接地体间的间隔D定为自身长度的两倍，即D＝2l＝4m。

4)本发明所采取的垂直接地极的施加方法为：在整个水平接地装置上，以入地电流点为起点，每隔4米，安装一根长度为2米的50*5的角钢；水平接地体的末端同样敷设上述规格的垂直接地极。

5)根据城市输电线路杆塔接地装置的安全标准规定：所有城市接地装置的接地电阻必须小于10Ω。

6.根据权利要求1所述的降低城市输电钢管塔接地装置工频跨步电压的方法，其特征在于，其总体优化方法：

1)θ的取值：θ从180°开始由大到小取值。由于H为定值，因此当θ取值确定后，可以求得L₂的大小以及夹角形水平射线的长度L₃。(初始θ取180°，此时L₂的长度为0，L₃的长度为2m)

2)L₁的确定：由于水平接地体承担主要的降低接地装置接地电阻的作用，因此当夹角形水平射线长度L₃确定后，设定水平接地体L₁的初始长度为30m，利用CDEGS软件按步骤1中第一点所述的方法计算接地装置的接地电阻。若其接地电阻大于10Ω，则每次将L₁的长度增加5m，直至接地电阻小于10Ω时，L₁的大小得以确定。

3)计算上述L₁、L₂、L₃和θ取值下，垂直接地极按照设计总体要求中第四点所述的布置方式进行铺设，根据步骤1中第一点所述的跨步电压计算方法，计算该接地装置的跨步电压分布。

4)若计算得到的跨步电压最大值小于目标值，则计算结束；若跨步电压最大值小于目标值，则减小夹角形水平射线间夹角θ的大小，按照上述步骤1)-3)进行设计和计算。直至在该夹角θ、L₁、L₂和L₃取值下，该接地装置模型的跨步电压幅值小于目标值，则总体优化设计结束。若夹角θ减小到最小值20°时，仍无法满足工频跨步电压目标值的要求，则进入步骤5)。

5)如果夹角θ减小到最小值20°时，仍无法满足工频跨步电压目标值的要求，则逐步增加水平接地体L₁的长度。长度每次增加5米，直至仿真得到的该接地装置模型的跨步电压幅值小于目标值，则总体优化设计结束。

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