防雷保护中杆塔接地电阻的改善及仿真分析1、引言当雷电流击中塔顶时，大部分雷电流会通过塔身及接地装置流入大地。所以当接地电阻过高时，巨大的雷电流会在塔顶产生极高的电位。若塔顶相对导线的电位超过绝缘子绝缘能力时便会发生绝缘子闪络，这就是反击。近年来，我国许多地区连续发生因雷击造成的大面积短路停电，其原因大多是由于接地电阻过高造成绝缘子闪络。因此，有效降低接地电阻已成为解决雷击过电压问题的主要手段。传统的降低接地电阻的方法主要分为物理降阻和化学降阻。物理降阻包括更换接地电极周围土壤，延长接地电极，深埋接地电极，扩大接地网面积，使用复合接地体等；化学降阻主要是在接地电极周围敷设降阻剂，通过降低土壤电阻率来达到降低接地电阻的目的。在某些情况下，应用某些传统降阻方法往往会受到地理条件限制而达不到预期的效果。如深埋接地电极由于施工困难，土方量大，造价高，在岩石地带并不适用；化学降阻剂则存在腐蚀接地体和容易流失等问题。目前针对杆塔降阻的问题，普遍采用的是延长水平接地电极的方法。但是如何布置接地电极对杆塔的接地电阻有很大影响。因此本文主要针对不同条件下接地电极的布置方式对接地电阻的影响进行详细研究，并应用计算机对其进行仿真分析。2、接地电极模型讨论接地电阻的大小不仅与土壤的电阻率有关，还与接地电极的大小、布置、埋设深度、接地金属材料等因素有关。此外，接地电阻对于雷电冲击电流和工频电流的反应也是不同的。通常情况下，冲击电流会造成接地电极周围土壤放电，因此冲击接地电阻通常小于工频接地电阻。对于杆塔来说，造成故障的通常是冲击雷电流，因此仿真时应对冲击电流应用傅立叶变换成频域，再进行仿真。冲击电流对水平接地体的长度影响比较大，经过分析表明，当水平接地体长度增大时，电感的影响随之增大，从而使冲击系数增大；接地体达到一定长度后，再增加其长度，冲击接地电阻也不再下降。一般说来，水平接地体的有效长度不应大于100m。关于水平放射的形状和方位可根据现场实际情况而定，水平放射的长度可按表1要求取。表1　杆塔放射形接地极每根的最大长度方式土壤电阻率/Ω·m最大长度/m≤50040≤100060≤200080≤5000100但如在水平放射长度的1.5倍范围内有较低上壤电阻率的地方，可以采用外引接地的方式。但在设计、安装时，必须考虑到连接接地极干线自身电阻所带来的影响，因此，外引式接地极长度也不宜超过100m。综合上述条件，文章应用下列模型分析各种不同条件对杆塔接地电阻的影响。模型1模型2模型3模型4模型5模型63、仿真分析本文应用加拿大SES公司的CDEGS软件对模型进行仿真比较。仿真对象为110kV铁塔的接地电阻，接地电极金属采用D=20mm的铜。仿真所用工频电流为10kA，冲击电流波形为8/22μs，幅值50kA。3.1埋设深度对接地电阻的影响为了研究不同埋设深度对接地电阻的影响，文章采用模型1，分别在0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4米的不同深度，在模型注入10kA的工频电流和波形为8/22μs，幅值50kA的冲击电流。，土壤电阻率为100Ω·m，不分层。模型1的边长为10m。仿真结果如下表2所示：表2结果显示，相同条件下，埋设越深接地电阻越小。对于工频接地电阻，每下降0.2m，电阻下降3左右，但是下降的趋势随深度的增加而减小。当深度超过1m后，电阻下降趋势明显放缓。对于冲击接地电阻，同样是随深度的增加而减小，并且在0.8米处有一个明显的拐点。因此对于普通情况下，推荐水平接地电极埋设深度为1m。3.2接地电极形状对接地电阻的影响不同形状对电流的散流有一定影响。文中对模型1和模型6分别进行仿真比较。分别对模型1和模型6注入波形为8/22μs，幅值50kA的冲击电流；土壤电阻率为100Ω·m，不分层；埋设深度为1m；模型1和模型6的电极总长度相同，射线长度为10m。仿真结果如下图所示：模型1模型6仿真结果显示，在其他条件相同情况下，方形电极比圆形电极散流效果要好，方形电极接地电阻要小于圆形电极。3.3接地电极长度对接地电阻的影响为研究冲击电流对水平接地体的长度影响，本文采用模型1对其进行仿真。分别令水平射线的长度为5m，10m，15m,20m,30m,40m；注入波形为8/22μs，幅值50kA的冲击电流；土壤电阻率为100Ω·m，不分层；埋设深度为1m。仿真结果如表3：表3仿真发现，在冲击电流作用下，电极的长度对接地电阻有一定影响，电极越长，接地电阻越小。同时还发现，水平电极并不是越长越好，当水平接地体长度增大时，电感的影响随之增大，从而使冲击系数增大；接地体达到一定长度后，再增加其长度，冲击接地电阻也不再下降。仿真发现，水平电极长度在20m以内的时候接地电阻下降比较明显，但是当电极长度超过20米时，接地电阻不在明显下降。故对于水平接地电极的长度，推荐20m左右的射线。3.4接地电极布置对接地电阻的影响接地电极的布置情况决定电流的散流效果，故文章对模型1，模型2，模型3，模型4进行仿真比较，以便选出合适的电极布置方式。模型射线长度为10m，注入10kA的工频电流；土壤电阻率为100Ω·m，不分层；埋设深度为1m。仿真结果如表4：表4仿真结果显示，接地电极数量越多，接地电阻越小。但是随着电极数量的增加，电极的屏蔽作用也随之增加。如图所示，模型3和模型4的差距很小，接地电阻下降速度明显放缓。所以文章推荐模型3作为杆塔接地电极布置方式。3.5土壤条件对接地电阻的影响通常情况下，土壤的电阻率并不是统一的，而是根据深度的不同分层的。为研究不同情况的土壤对接地电阻的影响，文中采用模型3，对不同土壤情况进行仿真分析。模型射线长度为10m，注入波形为8/22μs，幅值50kA的冲击电流，埋设深度为1m。仿真结果如表5：土壤情况对接地电阻的影响土壤不分层土壤分两层，上层厚10m土壤电阻率接地电阻大小土壤电阻率接地电阻大小100Ω·m2.12Ω100/5000Ω·m1.6Ω200Ω·m4.3Ω200/5000Ω·m8.8Ω300Ω·m6.4Ω300/5000Ω·m14Ω500Ω·m10.4Ω500/5000Ω·m20Ω表53.6复合接地体与水平接地体的比较垂直接地电极在冲击电流作用下会使周围土壤发生放电现象，相当于降低了电极周围的土壤电阻率。因此对于冲击雷电流而言，复合接地体具有更好的散流效果和更大的等效接地体。为比较复合接地体和水平接地体的接地效果，文中对模型3和模型5进行仿真。模型5相对模型3多了4根5m长的垂直接地电极。模型水平射线长度为10m，注入波形为8/22μs，幅值50kA的冲击电流，埋设深度为1m。土壤分别采用100Ω·m不分层和双层100/5000Ω·m两种。对于单层土壤，模拟效果如下：模型3模型5对于双层土壤，模拟效果如下：模型3模型5仿真结果显示，对于单层土壤，复合接地体与单一水平接地体的接地效果差别不大。而对于双层土壤，复合接地体接地效果要明显好于单一水平接地体。因此对于分层土壤，且上层土壤电阻率较小土层较浅的情况下，建议采用复合接地体接地装置。4、结论本文通过计算机仿真，分析了不同条件对杆塔接地电阻的影响。通过针对不同情况下接地电阻的比较，得出了如下结论：（1）相同条件下，工频电阻和冲击电阻都随埋设深度的增加而减小。对于普通情况下，推荐水平接地电极埋设深度为1m。（2）相同情况下，方形接地电极比圆形接地电极散流效果要好，方形电极接地电阻要小于圆形电极。（3）电极的长度对接地电阻有一定影响，电极越长，接地电阻越小。但水平电极并不是越长越好，对于水平接地电极的长度，推荐20m左右的射线。（4）接地电极数量越多，接地电阻越小。但是随着电极数量的增加，电极的屏蔽作用也随之增加。建议布置不超过16根水平接地电极。（5）对于分层土壤，复合接地体接地效果要明显好于单一水平接地体。因此在土壤分层且上层土壤电阻率较小，深度较浅的情况下，建议采用复合接地装置。防雷保护中杆塔接地电阻的改善及仿真分析1、引言当雷电流击中塔顶时，大部分雷电流会通过塔身及接地装置流入大地。所以当接地电阻过高时，巨大的雷电流会在塔顶产生极高的电位。若塔顶相对导线的电位超过绝缘子绝缘能力时便会发生绝缘子闪络，这就是反击。近年来，我国许多地区连续发生因雷击造成的大面积短路停电，其原因大多是由于接地电阻过高造成绝缘子闪络。因此，有效降低接地电阻已成为解决雷击过电压问题的主要手段。传统的降低接地电阻的方法主要分为物理降阻和化学降阻。物理降阻包括更换接地电极周围土壤，延长接地电极，深埋接地电极，扩大接地网面积，使用复合接地体等；化学降阻主要是在接地电极周围敷设降阻剂，通过降低土壤电阻率来达到降低接地电阻的目的。在某些情况下，应用某些传统降阻方法往往会受到地理条件限制而达不到预期的效果。如深埋接地电极由于施工困难，土方量大，造价高，在岩石地带并不适用；化学降阻剂则存在腐蚀接地体和容易流失等问题。目前针对杆塔降阻的问题，普遍采用的是延长水平接地电极的方法。但是如何布置接地电极对杆塔的接地电阻有很大影响。因此本文主要针对不同条件下接地电极的布置方式对接地电阻的影响进行详细研究，并应用计算机对其进行仿真分析。2、接地电极模型讨论接地电阻的大小不仅与土壤的电阻率有关，还与接地电极的大小、布置、埋设深度、接地金属材料等因素有关。此外，接地电阻对于雷电冲击电流和工频电流的反应也是不同的。通常情况下，冲击电流会造成接地电极周围土壤放电，因此冲击接地电阻通常小于工频接地电阻。对于杆塔来说，造成故障的通常是冲击雷电流，因此仿真时应对冲击电流应用傅立叶变换成频域，再进行仿真。冲击电流对水平接地体的长度影响比较大，经过分析表明，当水平接地体长度增大时，电感的影响随之增大，从而使冲击系数增大；接地体达到一定长度后，再增加其长度，冲击接地电阻也不再下降。一般说来，水平接地体的有效长度不应大于100m。关于水平放射的形状和方位可根据现场实际情况而定，水平放射的长度可按表1要求取。表1　杆塔放射形接地极每根的最大长度方式土壤电阻率/Ω·m最大长度/m≤50040≤100060≤200080≤5000100但如在水平放射长度的1.5倍范围内有较低上壤电阻率的地方，可以采用外引接地的方式。但在设计、安装时，必须考虑到连接接地极干线自身电阻所带来的影响，因此，外引式接地极长度也不宜超过100m。综合上述条件，文章应用下列模型分析各种不同条件对杆塔接地电阻的影响。模型1模型2模型3模型4模型5模型63、仿真分析本文应用加拿大SES公司的CDEGS软件对模型进行仿真比较。仿真对象为110kV铁塔的接地电阻，接地电极金属采用D=20mm的铜。仿真所用工频电流为10kA，冲击电流波形为8/22μs，幅值50kA。3.1埋设深度对接地电阻的影响为了研究不同埋设深度对接地电阻的影响，文章采用模型1，分别在0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4米的不同深度，在模型注入10kA的工频电流和波形为8/22μs，幅值50kA的冲击电流。，土壤电阻率为100Ω·m，不分层。模型1的边长为10m。仿真结果如下表2所示：表2结果显示，相同条件下，埋设越深接地电阻越小。对于工频接地电阻，每下降0.2m，电阻下降3左右，但是下降的趋势随深度的增加而减小。当深度超过1m后，电阻下降趋势明显放缓。对于冲击接地电阻，同样是随深度的增加而减小，并且在0.8米处有一个明显的拐点。因此对于普通情况下，推荐水平接地电极埋设深度为1m。3.2接地电极形状对接地电阻的影响不同形状对电流的散流有一定影响。文中对模型1和模型6分别进行仿真比较。分别对模型1和模型6注入波形为8/22μs，幅值50kA的冲击电流；土壤电阻率为100Ω·m，不分层；埋设深度为1m；模型1和模型6的电极总长度相同，射线长度为10m。仿真结果如下图所示：模型1模型6仿真结果显示，在其他条件相同情况下，方形电极比圆形电极散流效果要好，方形电极接地电阻要小于圆形电极。3.3接地电极长度对接地电阻的影响为研究冲击电流对水平接地体的长度影响，本文采用模型1对其进行仿真。分别令水平射线的长度为5m，10m，15m,20m,30m,40m；注入波形为8/22μs，幅值50kA的冲击电流；土壤电阻率为100Ω·m，不分层；埋设深度为1m。仿真结果如表3：表3仿真发现，在冲击电流作用下，电极的长度对接地电阻有一定影响，电极越长，接地电阻越小。同时还发现，水平电极并不是越长越好，当水平接地体长度增大时，电感的影响随之增大，从而使冲击系数增大；接地体达到一定长度后，再增加其长度，冲击接地电阻也不再下降。仿真发现，水平电极长度在20m以内的时候接地电阻下降比较明显，但是当电极长度超过20米时，接地电阻不在明显下降。故对于水平接地电极的长度，推荐20m左右的射线。3.4接地电极布置对接地电阻的影响接地电极的布置情况决定电流的散流效果，故文章对模型1，模型2，模型3，模型4进行仿真比较，以便选出合适的电极布置方式。模型射线长度为10m，注入10kA的工频电流；土壤电阻率为100Ω·m，不分层；埋设深度为1m。仿真结果如表4：表4仿真结果显示，接地电极数量越多，接地电阻越小。但是随着电极数量的增加，电极的屏蔽作用也随之增加。如图所示，模型3和模型4的差距很小，接地电阻下降速度明显放缓。所以文章推荐模型3作为杆塔接地电极布置方式。3.5土壤条件对接地电阻的影响通常情况下，土壤的电阻率并不是统一的，而是根据深度的不同分层的。为研究不同情况的土壤对接地电阻的影响，文中采用模型3，对不同土壤情况进行仿真分析。模型射线长度为10m，注入波形为8/22μs，幅值50kA的冲击电流，埋设深度为1m。仿真结果如表5：土壤情况对接地电阻的影响土壤不分层土壤分两层，上层厚10m土壤电阻率接地电阻大小土壤电阻率接地电阻大小100Ω·m2.12Ω100/5000Ω·m1.6Ω200Ω·m4.3Ω200/5000Ω·m8.8Ω300Ω·m6.4Ω300/5000Ω·m14Ω500Ω·m10.4Ω500/5000Ω·m20Ω表53.6复合接地体与水平接地体的比较垂直接地电极在冲击电流作用下会使周围土壤发生放电现象，相当于降低了电极周围的土壤电阻率。因此对于冲击雷电流而言，复合接地体具有更好的散流效果和更大的等效接地体。为比较复合接地体和水平接地体的接地效果，文中对模型3和模型5进行仿真。模型5相对模型3多了4根5m长的垂直接地电极。模型水平射线长度为10m，注入波形为8/22μs，幅值50kA的冲击电流，埋设深度为1m。土壤分别采用100Ω·m不分层和双层100/5000Ω·m两种。对于单层土壤，模拟效果如下：模型3模型5对于双层土壤，模拟效果如下：模型3模型5仿真结果显示，对于单层土壤，复合接地体与单一水平接地体的接地效果差别不大。而对于双层土壤，复合接地体接地效果要明显好于单一水平接地体。因此对于分层土壤，且上层土壤电阻率较小土层较浅的情况下，建议采用复合接地体接地装置。4、结论本文通过计算机仿真，分析了不同条件对杆塔接地电阻的影响。通过针对不同情况下接地电阻的比较，得出了如下结论：（1）相同条件下，工频电阻和冲击电阻都随埋设深度的增加而减小。对于普通情况下，推荐水平接地电极埋设深度为1m。（2）相同情况下，方形接地电极比圆形接地电极散流效果要好，方形电极接地电阻要小于圆形电极。（3）电极的长度对接地电阻有一定影响，电极越长，接地电阻越小。但水平电极并不是越长越好，对于水平接地电极的长度，推荐20m左右的射线。（4）接地电极数量越多，接地电阻越小。但是随着电极数量的增加，电极的屏蔽作用也随之增加。建议布置不超过16根水平接地电极。（5）对于分层土壤，复合接地体接地效果要明显好于单一水平接地体。因此在土壤分层且上层土壤电阻率较小，深度较浅的情况下，建议采用复合接地装置。