CN114824846A - 基于短导体的输电杆塔接地方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于短导体的输电杆塔接地方法，包括获取输电杆塔现有的水平接地体的工作参数；在输电杆塔现有的水平接地体的基础上额外连接若干个短导体进行接地；计算短导体的单位长度降阻率并得到最优的短导体的长度；在最优的短导体的长度的基础上计算得到最优的短导体的间隔；按照最优的短导体的长度和最优的短导体的间隔在输电杆塔现有的水平接地体连接若干个短导体，完成基于短导体的输电杆塔接地。本发明设计了全新的三维交错布置的短导体来降低杆塔冲击接地电阻，并设计了单位长度降阻率和全新的优化方法来进一步优化三维交错布置的具体参数；因此本发明方法能够直接应用于现实场景，而且可靠性高、科学性好，经济性和技术性都较好。

Description

基于短导体的输电杆塔接地方法

技术领域

本发明属于电气自动化领域，具体涉及一种基于短导体的输电杆塔接地方法。

背景技术

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经广泛应用于人们的生产和生活当中，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保障电能的稳定可靠供应，就成为了电力系统的最重要的任务之一。

输电杆塔是电力系统的重要组成部分。输电杆塔接地装置的主要作用是在线路遭受雷击后，将雷电流在大地中扩散泄导，从而提高线路的反击耐雷水平。因此，将输电杆塔接地装置的冲击接地电阻降低，对构建安全电力输电系统至关重要。

降低输电杆塔冲击接地电阻的方法一直是国内外关注的焦点。输电杆塔现有的接地方式，一般是水平接地体直接接地。针对水平接地体直接接地的方式，目前主要的改进方法包括杆塔基础自然接地、外引接地、石墨接地体加接地布、添加新型降阻剂等方法。杆塔基础自然接地需要浇筑混凝土以起到加固作用，但混凝土的电阻率较高，因此塔基础自然接地的可行性还需进一步的研究；外引接地是将部分接地体引至场外土壤电阻率低的地区来降阻，但外敷线路的距离过长易产生接地体间电位差，从而引发一系列安全问题；石墨接地体加接地布接地的方式，由于受石墨材质限制，不能保证接地体在高温下工作的稳定性，需要考虑温升的影响；添加新型降阻剂是将电解质或固体粉末作为导电材料灌注在接地装置旁，但是在实际使用中受气候的影响。因此，目前的这些方法都存在降阻效果和经济效益难以兼顾的问题。

目前，已有研究结论证明在接地导体上添加若干短导体，能够有效降低冲击接地电阻。相较于其他形式的接地装置，添加短导体的接地装置兼具降阻、施工简便的优势。但是，目前针对短导体在输电线路接地导体上的应用，往往只是定性的初步研究，并未涉及任何定量计算；而且研究内容为实验性研究，并不能直接应用现实场景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够直接应用于现实场景，而且可靠性高、科学性好的基于短导体的输电杆塔接地方法。

本发明提供的这种基于短导体的输电杆塔接地方法，包括如下步骤：

S1.获取输电杆塔现有的水平接地体的工作参数；

S2.在输电杆塔现有的水平接地体的基础上，额外连接若干个短导体进行接地；

S3.连接短导体后，计算短导体的单位长度降阻率，从而得到最优的短导体的长度；

S4.在步骤S3得到的最优的短导体的长度的基础上，优化计算得到最优的短导体的间隔；

S5.按照步骤S3得到的最优的短导体的长度和步骤S4得到的最优的短导体的间隔，在输电杆塔现有的水平接地体连接若干个短导体，从而完成基于短导体的输电杆塔接地。

步骤S2所述的额外连接若干个短导体进行接地，具体为以现有的水平接地体作为x轴，将若干个短导体在y轴方向与水平接地体进行水平连接，同时将若干个短导体在z轴方向与水平接地体进行垂直连接；短导体的半径与水平接地体的半径相同，且在同一方向上短导体采用等间距的方式与水平接地体进行连接。

步骤S3所述的计算短导体的单位长度降阻率，从而得到最优的短导体的长度，具体包括如下步骤：

A.设定运行参数；

B.采用如下算式计算短导体的单位长度降阻率η：

式中R₁为未添加短导体时的冲击接地电阻；R_X为添加短导体后的冲击接地电阻；L为单根短导体的长度；n为所连接的短导体的总数；

C.改变单根短导体的长度L，计算得到短导体的单位长度降阻率最大值η_max；

D.将η取值为η_max时所对应的单根短导体的长度作为最优的短导体的长度L_best。

步骤S4所述的优化计算得到最优的短导体的间隔，具体包括如下步骤：

a.设置初始最小的短导体的间隔值和最终最大的短导体的间隔值，以及运行参数；

b.从初始最小的短导体的间隔值开始，逐步增大短导体的间隔值直至最终最大的短导体的间隔值，并实时记录每一次短导体的间隔值所对应的冲击接地电阻值；

c.选取冲击接地电阻值最小时所对应的短导体的间隔值为最优的短导体的间隔。

计算冲击接地电阻时，采用如下步骤计算冲击接地电阻值：

(1)将接地体均匀分段，并设定初始参数；

(2)计算出每一段接地体的漏电流；

(3)采用如下算式计算每段导体的等效半径r_eq：

式中ρ为土壤电阻率；I为每段导体的漏电流；l为每段导体的长度；E_c为土壤发生火花放电的临界场强；

(4)将步骤(3)得到的等效半径r_eq作为新的计算参数，并重复步骤(2)～步骤(4)，直至相邻两次计算得到的等效半径的差值在设定范围内，重复结束；

(5)采用最后一次计算得到的等效半径作为最终参数，计算冲击接地电阻值。

步骤(4)所述的设定范围，具体为0.1倍的导体半径。

本发明提供的这种基于短导体的输电杆塔接地方法，设计了全新的三维交错布置的短导体来降低杆塔冲击接地电阻，并设计了单位长度降阻率和全新的优化方法来进一步优化三维交错布置的具体参数；因此本发明方法能够直接应用于现实场景，而且可靠性高、科学性好，经济性和技术性都较好。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明的三维交错布置的短导体示意图。

图3为不同布置方式下的冲击接地电阻值的对比示意图。

图4为不同长度下的短导体连接时的冲击接地电阻值的对比示意图。

图5为不同长度下的短导体连接时的单位长度降阻率的对比示意图。

图6为不同间隔下的短导体连接时的冲击接地电阻值的对比示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的方法流程示意图：本发明提供的这种基于短导体的输电杆塔接地方法，包括如下步骤：

S1.获取输电杆塔现有的水平接地体的工作参数；具体包括雷电流的波形参数、电流值等相关参数；

S2.在输电杆塔现有的水平接地体的基础上，额外连接若干个短导体进行接地；具体为以现有的水平接地体作为x轴，将若干个短导体在y轴方向与水平接地体进行水平连接，同时将若干个短导体在z轴方向与水平接地体进行垂直连接；短导体的半径与水平接地体的半径相同，且在同一方向上短导体采用等间距的方式与水平接地体进行连接；具体如图2所示，其中1为现有的水平接地体，并以1为x轴方向；2为与水平接地体1垂直、布置在y轴方向且水平连接的短导体；3为与水平接地体1、y方向的短导体均垂直、垂直布置的z轴方向的短导体；从而构成三维交错结构接地体；

雷电流通过接地装置泄入土壤时，由于端部效应，更倾向于通过接地导体两端向大地泄放，因此接地导体端部附近土壤中的电场强度相较于导体中部更容易超过火花放电的临界场强；端部效应导致接地导体的中部利用率不高，不利于散流；因此，在接地导体上添加若干短导体，相当于给接地体添加“端部”，提高了接地体中部的利用率并使其散流更均匀，以此来降低冲击接地电阻；

S3.连接短导体后，计算短导体的单位长度降阻率，从而得到最优的短导体的长度；具体包括如下步骤：

A.设定运行参数；

B.采用如下算式计算短导体的单位长度降阻率η：

式中R₁为未添加短导体时的冲击接地电阻；R_X为添加短导体后的冲击接地电阻；L为单根短导体的长度；n为所连接的短导体的总数；

C.改变单根短导体的长度L，计算得到短导体的单位长度降阻率最大值η_max；

D.将η取值为η_max时所对应的单根短导体的长度作为最优的短导体的长度L_best；

S4.在步骤S3得到的最优的短导体的长度的基础上，优化计算得到最优的短导体的间隔；具体包括如下步骤：

a.设置初始最小的短导体的间隔值和最终最大的短导体的间隔值，以及运行参数；

b.从初始最小的短导体的间隔值开始，逐步增大短导体的间隔值直至最终最大的短导体的间隔值，并实时记录每一次短导体的间隔值所对应的冲击接地电阻值；

c.选取冲击接地电阻值最小时所对应的短导体的间隔值为最优的短导体的间隔；

在以上的计算过程中，计算冲击接地电阻时采用如下步骤计算冲击接地电阻值：

雷电流流经接地装置泄入土壤时，会使接地导体周围土壤形成较大的电场，当导体周围土壤的电场强度大于土壤发生火花放电的临界场强E_c时，土壤将发生电离；因为电离区域的土壤电阻率较低，所以将其等效为接地导体的半径扩大；那么扩大后的等效半径就成为了重要的电阻计算参数；

(1)将接地体均匀分段，并设定初始参数；

(2)计算出每一段接地体的漏电流；

(3)采用如下算式计算每段导体的等效半径r_eq：

式中ρ为土壤电阻率；I为每段导体的漏电流；l为每段导体的长度；E_c为土壤发生火花放电的临界场强；

(4)将步骤(3)得到的等效半径r_eq作为新的计算参数，并重复步骤(2)～步骤(4)，直至相邻两次计算得到的等效半径的差值在设定范围(优选为0.1倍的导体半径)内，重复结束；

(5)采用最后一次计算得到的等效半径作为最终参数，计算冲击接地电阻值；

采用上述的方法计算冲击接地电阻值，考虑了雷电流入地时土壤非线性电离的影响，计算结果更加准确；

S5.按照步骤S3得到的最优的短导体的长度和步骤S4得到的最优的短导体的间隔，在输电杆塔现有的水平接地体连接若干个短导体，从而完成基于短导体的输电杆塔接地。

以下采用仿真计算，来说明本发明方法的优点：

利用接地计算软件CDEGS计算不同布置结构的短导体的冲击接地电阻。将短导体视为水平接地极或垂直接地极，当接地装置由较多水平接地极或垂直接地极组成时，垂直接地极的间距不应小于其长度的2倍，水平接地极的间距不宜小于5m。

为了对比不同布置结构对冲击接地电阻的影响，在长20m的水平接地体上，从导体末端添加短导体，水平布置结构与垂直布置结构均按5m的间距均匀布置4根等长度为1.5m的短导体；三维交错布置结构的水平短导体与垂直短导体之间的间隔为2.5m，共计8根短导体。水平接地体埋深为0.8m，水平接地体、接地引下线和短导体均采用直径为14mm的圆钢材料。

在CDEGS的SESCAD中搭建接地体仿真模型(包括现有的水平接地体模型、带水平布置(y轴方向)短导体的水平接地体模型、带垂直布置(z轴方向)短导体的水平接地体模型和本发明的三维交错结构接地体)，设置好土壤电阻率后，在导体首端注入20kA的雷电流，雷电流采用2.6/50μs的双指数波。将接地导体分段后得到每段导体的等值半径，利用CDEGS求出冲击电压的峰值，然后计算得到不同模型在相同环境下的的冲击接地电阻值如图3所示。

由图3可知，(1)相较于其它两种短导体安装方式，三维交错结构的短导体安装方式降阻效果最好，其冲击接地电阻最低；(2)土壤电阻率为1000Ω·m时，添加三维交错结构短导体的冲击接地电阻比无短导体接地装置的降低16.8％；土壤电阻率为3000Ω·m时，添加三维交错结构短导体的冲击接地电阻比无短导体水平接地装置的降低17.3％；可见，土壤电阻率越高，三维交错结构短导体的冲击接地电阻降阻效果越明显。

然后，为实现短导体与水平接地体的安装匹配，短导体的半径不宜改动，与水平接地体的半径保持一致，因此短导体的半径设为定值。而其长度以及间隔(采用等间隔的布置方式)在结合经济性和施工难度的基础上，可以在一定范围内变动。同时，短导体的长度以及间隔与冲击接地电阻之间呈非线性关系，因此，通过优化短导体的长度和间隔，可以更好的发挥其价值。

随着接地体上短导体长度的增加，接地装置的冲击接地电阻降低。但短导体作为辅助降阻元件，其长度不宜过长，过长的长度使得雷电流主要从短导体泄入到土壤中，降低了接地体上的漏电流，存在饱和效应。因此，提出以单位长度降阻率为指标，优化短导体的长度。

通过仿真计算，得到在给定土壤电阻率下，短导体的长度与冲击接地电阻的关系曲线图；为使添加短导体的接地装置具有最优化的技术和经济效益，提出单位长度的降阻率作为选取短导体长度的依据；并计算得到在统一环境下短导体单位长度降阻率随短导体长度的变化规律，分析数据后得到现场土壤电阻率条件下的短导体最佳长度值；

在CDEGS的SESCAD中搭建三维交错结构接地体仿真模型，选取土壤电阻率为1000Ω·m的情况考虑，从导体末端添加短导体，水平短导体与垂直短导体之间的间隔为2.5m，共计8根短导体。短导体的长度从0.5m开始增加，增加至1.5m。水平接地体埋深为0.8m，水平接地体、接地引下线和短导体均采用直径为14mm的圆钢材料，在导体首端注入20kA的雷电流，雷电流采用2.6/50μs的双指数波。

改变每根短导体的长度，得到冲击电压的峰值，计算不同短导体长度下接地装置的冲击接地电阻，计算结果如图4所示；由图4可知，随着短导体长度的增加，接地体的冲击接地电阻降低，但增加短导体长度时，还要考虑综合技术和经济因素；以短导体单位长度的降阻率作为选取短导体长度的依据，对实例中的计算参数，计算单位长度降阻率，得到单位长度降阻率随短导体长度变化的关系如图5所示；由图5可知，在上述给定的参数下，短导体长度取1.1m时，短导体的单位长度降阻率最高。

在实际情况中，应可以确定现场土壤电阻率以及各种参数，再根据上述方法得到短导体的最优长度。

然后，利用接地计算软件CDEGS进行仿真计算，在上述结论的基础上改变水平短导体与垂直短导体之间的间隔(随着短导体之间的间隔增加，安装在水平接地极上的短导体的根数相应地减少)；得到短导体之间的间隔与冲击接地电阻的关系变化曲线；最后，根据关系变化曲线，以最小冲击接地电阻为指标，选取最优间隔。

在CDEGS的SESCAD中搭建相同的三维交错结构接地体仿真模型，以之前求得的短导体的最佳长度1.1m为基础，在搭建的模型的基础上通过改变水平短导体与垂直短导体之间的间隔计算冲击接地电阻。

为满足规程要求，水平短导体与垂直短导体之间的间隔从2.5m开始增加，水平接地体的长度为20m，此时的短导体数量为8根，土壤电阻率仍选取1000Ω·m的情况考虑。

水平接地体埋深为0.8m，水平接地体、接地引下线和短导体均采用直径为14mm的圆钢材料，在导体首端注入20kA的雷电流，雷电流采用2.6/50μs的双指数波，仿真结果如图6所示。由图6可以看到，短导体间隔较小时，随着相邻短导体之间的间隔增加，冲击接地电阻呈下降趋势；但随着间隔增加使得添加在接地极上的短导体的数量低于8根时，冲击接地电阻的数值明显提高(短导体之间的间隔为2.9m时，此时短导体的根数少于8根)。在上述给定的参数下，短导体的间隔为2.8m时降阻效果最好。

Claims (6)

1.一种基于短导体的输电杆塔接地方法，包括如下步骤：

S1.获取输电杆塔现有的水平接地体的工作参数；

S2.在输电杆塔现有的水平接地体的基础上，额外连接若干个短导体进行接地；

S3.连接短导体后，计算短导体的单位长度降阻率，从而得到最优的短导体的长度；

S4.在步骤S3得到的最优的短导体的长度的基础上，优化计算得到最优的短导体的间隔；

S5.按照步骤S3得到的最优的短导体的长度和步骤S4得到的最优的短导体的间隔，在输电杆塔现有的水平接地体连接若干个短导体，从而完成基于短导体的输电杆塔接地。

2.根据权利要求1所述的基于短导体的输电杆塔接地方法，其特征在于步骤S2所述的额外连接若干个短导体进行接地，具体为以现有的水平接地体作为x轴，将若干个短导体在y轴方向与水平接地体进行水平连接，同时将若干个短导体在z轴方向与水平接地体进行垂直连接；短导体的半径与水平接地体的半径相同，且在同一方向上短导体采用等间距的方式与水平接地体进行连接。

3.根据权利要求2所述的基于短导体的输电杆塔接地方法，其特征在于步骤S3所述的计算短导体的单位长度降阻率，从而得到最优的短导体的长度，具体包括如下步骤：

A.设定运行参数；

B.采用如下算式计算短导体的单位长度降阻率η：

式中R₁为未添加短导体时的冲击接地电阻；R_X为添加短导体后的冲击接地电阻；L为单根短导体的长度；n为所连接的短导体的总数；

C.改变单根短导体的长度L，计算得到短导体的单位长度降阻率最大值η_max；

D.将η取值为η_max时所对应的单根短导体的长度作为最优的短导体的长度L_best。

4.根据权利要求3所述的基于短导体的输电杆塔接地方法，其特征在于步骤S4所述的优化计算得到最优的短导体的间隔，具体包括如下步骤：

a.设置初始最小的短导体的间隔值和最终最大的短导体的间隔值，以及运行参数；

b.从初始最小的短导体的间隔值开始，逐步增大短导体的间隔值直至最终最大的短导体的间隔值，并实时记录每一次短导体的间隔值所对应的冲击接地电阻值；

c.选取冲击接地电阻值最小时所对应的短导体的间隔值为最优的短导体的间隔。

5.根据权利要求1～4之一所述的基于短导体的输电杆塔接地方法，其特征在于计算冲击接地电阻时，采用如下步骤计算冲击接地电阻值：

(1)将接地体均匀分段，并设定初始参数；

(2)计算出每一段接地体的漏电流；

(3)采用如下算式计算每段导体的等效半径r_eq：

式中ρ为土壤电阻率；I为每段导体的漏电流；l为每段导体的长度；E_c为土壤发生火花放电的临界场强；

(4)将步骤(3)得到的等效半径r_eq作为新的计算参数，并重复步骤(2)～步骤(4)，直至相邻两次计算得到的等效半径的差值在设定范围内，重复结束；

(5)采用最后一次计算得到的等效半径作为最终参数，计算冲击接地电阻值。

6.根据权利要求5所述的基于短导体的输电杆塔接地方法，其特征在于步骤(4)所述的设定范围，具体为0.1倍的导体半径。

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